基于激光的无线能量传输技术
0前言空间活动对能源的需求越来越大,不同系列空间任务的能源系统成为了最重要的太空基础设施。1968年,美国的Peter Glazer博士提出了太阳能卫星的构想(Solar Power Satellite,简称SPS)[1],目的是在外空间设置太阳能空间站,接收太阳光再将能量传输到地面进行利用,其中就用到了空间无线能量传输技术。空间无线能量传输技术主要包括微波方式和激光方式[2]。微波发散角大,其发射和接收装置面积大,而激光具有更高的能量密度,更好的会聚性,更小的发射接收口径,激光无线能量传输技术随着光器件的成熟逐渐发展起来,为模块航天器间提供远程电力供应奠定了技术基础。在太空中无线能量传输的前景首先在于使航天器之间的远程能量传输成为可能,与目前独立的星载能源设备相比,利用无线能量传输技术可依托于一个或几个大功率动力站实现对航天器电力的集中统一供应,可提高航天器的功率重量比。1国内外研究进展国外开展激光无线能量传输技术研究的主要有...&
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21世纪是生命科学和微型机电系统（MEMS）技术迅猛发展的时代。随着CCD和CMOS图像传感器性能的迅速提升，芯片尺寸和能耗大幅下降，以及人们对医学诊疗水平要求的不断提高，消化道微型诊疗系统已经成为生物医学工程领域、精密医学仪器领域的研究重点，但是，无线能量传输技术作为其中的关键技术仍不完善，限制了微型诊疗系统的发展与应用。针对消化道微型诊疗系统面临的能量瓶颈问题，本文以国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（项目编号：）和国家自然科学基金资助项目（项目编号：）为依托，基于电磁感应耦合原理，开展消化道微型诊疗系统的无线能量传输技术研究，以期实现安全的、稳定的、高效的从体外给体内的消化道微型诊疗系统无线传输能量。本文的研究主要集中在以下几个方面：1)研究无线能量传输的稳定性问题。结合理论分析与实验测量，研究并讨论解决姿态、位置和频率稳定性的方法，从而保证整个无线能量传输系统的稳定性。2...&
(本文共90页)
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作为众多中短距离电能特殊传输技术之一的能量无线传输，以其特有的安全、便捷等优点受到了广泛的关注。在三种依赖常规意义作为界限加以区分的功率无线传送技术中，基于磁耦合谐振原理的能量无线传输技术以比电磁感应传输方式传输距离更远，比微波传输方式无敏感的方向性要求等特点成为目前物联网研究的热点关键之一。我国目前对于磁耦合谐振功率非线连接传输技术的研究进展方兴未艾，对于系统参数的分析还未进一步有效展开；发射和接收线圈的形状、安置位置和参数的分析与设计还没有系统完善的方法；负载阻抗的匹配，以及系统与干扰源之间的影响关系也未得到充分的讨论。因此，合理划定系统最佳谐振频率范围、确定系统的特性参量、减少干扰体对传输功率的损耗，以及在提高系统的传输效率的同时减少对人体的危害等都需要进一步研究。本文给出了基于磁耦合谐振的无线能量传输系统的实现原理及其内置构架，着重围绕传输功率、传输效率、最佳工作频率等关键技术开展研究，并进行有关公式的推导与分析，最后建...&
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随着微机电系统技术的发展,其应用的范围也越来越广,其中就包括体内医疗微机电系统,对于实现无创或微创具有很大的意义。体内微机电系统一般由微型电池供能,存在供能时间短和安全性等问题,而无线能量传输技术可以克服以上缺点,为体内微机电系统提供更好的能量供给方法。本文在课题组和查阅大量国内外有关无线能量传输技术的研究成果的基础上,探讨了无线能量传输系统的结构,设计出三维无线能量传输系统,并进行了仿真和实验分析。本论文主要完成了以下内容:1.分析了体内微机电系统的三维无线能量传输装置的原理,并在此基础上进行了三维无线能量传输装置的设计。详细介绍了基于感应电能传输的三维无线能量传输系统的结构及工作原理;探讨了各部分结构的功能并进行了具体结构设计。2.对三维无线能量传输系统传输性能进行了仿真和实验分析。利用有限元仿真软件Maxwell对整个三维无线能量传输系统进行了仿真和分析,研究了系统的初次级线圈相对位置、初次级线圈的铁芯和工作频率对系统耦合...&
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1引言空间太阳能电站是人类开发利用空间资源的宏伟空间工程,是航天领域与能源领域完美的结合点,它将可能成为人类在21世纪解决能源问题的重要途经之一。空间太阳能电站不仅是一项重大的科技工程,还具有重要的政治、军事意义,是国家政治、经济、科技和军事实力的很好体现。1968年,美国的彼得·格雷泽(Peter Glaser)博士首次提出建立空间太阳能电站的构想。之后空间太阳能电站概念得到国际各发达国家的广泛关注。2000年以后,日本、美国、俄罗斯、欧洲、印度等国家和组织都提出了在未来建设空间太阳能电站演示格雷泽博士提出的空间太阳能电站设想21世纪人类面临着非常严峻的能源形势。太阳能是持久稳定的清洁能源,大规模开发利用太阳能将有希望彻底解决人类的能源危机。空间太阳能电站是高效利用太阳能的有效途径,受到了国际的广泛关注。空间无线能量传输是实现空间太阳能电站的核心关键技术,国内外已对基于微波与激光的无线能量传输技术开展研究。微波无线能量传输技术...&
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随着生物工程和微机电技术的不断发展,以及人们对医疗水平要求的不断提高,体内微创、无创诊疗微系统的已成为生物医学工程领域、机电领域的研究重点之一,而能量供给技术作为体内微创、无创诊疗微系统的关键技术,制约了该系统的发展。针对体内微创、无创诊疗微系统面临的能量瓶颈问题,本文以国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(项目编号:)和国家自然科学基金资助项目(项目编号:)为依托,基于电磁感应原理,开展了“体内微创、无创诊疗微系统”的无线能量传输技术研究,设计成无线能量传输系统。该系统能够从体外为体内微系统传输能量,并能够根据体内微系统的位置姿态变化调节发射功率,保持接收能量的稳定。本文的研究主要集中在以下几个方面:(1)分析串联谐振和并联谐振两种拓扑结构下系统的能量传输效率及效率最大化的条件,并针对本系统中采用的串联谐振电路结构,进一步分析了影响其能量传输效率的各个因素,得出能量传输效率与系统...&
(本文共82页)
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无线电能传输技术突破 高铁无线供电成为可能
作者：胡茗皓
　　近日，天津工业大学工程电磁场与磁技术研究团队研究开发的高速列车无线供电技术在中国馆展出，该技术以其极为灵活的无线供电方式，及对电能的高效传输与利用，引起广泛关注，被中国科协列为10项引领未来的科学技术之一。
　　作为新型的电能传输技术，无线电能传输技术是目前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一，是集基础研究与应用研究于一体的前沿课题,采用无线供电方式能有效克服电线连接存在的各类缺陷，具有重要的应用预期和广阔的发展前景。
　　思路创新 撬动高铁供电革命
　　据了解，我国无线电能传输技术方面的研究早已起步，国家863计划、科技支撑计划等都支持开展无线充电技术的研究工作，各级政府也将无线电能传输技术纳入重点项目进行研究。
　　今年4月26日，中国电工技术学会无线电能传输技术专业委员会成立，天津工业大学校长、中国电工技术学会副理事长杨庆新教授担任中国电工技术学会第一届无线电能传输技术专业委员会主任委员，专委会的成立为我国无线电能传输技术的学术交流和发展应用建立了良好平台。
　　目前，无线电能传输技术已经取得阶段性成果，一些小功率无线充电产品已经上市，主要应用于电子产品无线充电等领域。如诺基亚公司的Lumia系列、三星公司的Galaxy系列手机都集成了无线充电功能。我国企业也积极投身无线供电技术，由海尔自主研发的创新厨房电器无尾厨电打破了传统厨电在安全性、便利性、时尚性等方面的限制，解决有线电器带来的困扰。
　　“我们认为真正作用突出的就是高速列车的无线供电，可靠的电力供应是确保高铁安全运行的保证。”杨庆新表示。
　　近年来，我国高速铁路取得了迅猛发展。截至2013年年底，中国高铁客运专线达11028公里，超过了世界上其他国家高铁运营里程总和，居全球首位。据悉，在列车运行过程中主要通过弓网系统获取电能，受电弓安装在车顶，高铁列车通过受电弓滑板与接触网导线接触，在静止或滑动状态下获取电能。
　　“要确保高铁安全，关键是处理好受电弓与接触网之间的关系，解决好高速受流问题。在高速运行状态下，高铁弓网系统存在摩擦磨损、受电弓离线、振动、打弧和恶劣环境等多方面问题，这些问题是制约高铁列车安全可靠运行的瓶颈。”杨庆新表示。
　　“无线供电能很好地解决这一问题，该方式代替受电弓与接触网滑动取电的传统方式，允许存在数十厘米的工作间隙，提高了绝缘强度，避免了弓网电弧频繁出现及高速移动时材料磨损等诸多问题，从而显著提高受流质量。”杨庆新补充道。
　　业内人士认为，该技术理论上可行，但改造铁轨工程量大，推广存在一定难度。杨庆新表示：“由于列车本身沿固定路线运动，有自己独立的供电线路，该项目采用悬挂式发射线圈技术，将发射端与接收端置于列车顶部，避免了对铁轨铺设的复杂要求，能大大降低改造及维修成本。”
　　深化应用 带动产业发展提升
　　哈尔滨工业大学电气学院副院长、智能测试及信息处理技术研究所所长朱春波表示，“目前，无线供电方式还存在效率、成本等问题，是否采用无线供电，取决于是否利大于弊。”
　　记者了解到，无线电能传输技术的发展也改变了医疗植入式电子系统的供电方式。采用该技术可在体外进行电能传输，为人工心脏提供能量，从而避免病人定期开刀更换电池的麻烦。
　　除此之外，“在工业领域还可利用无线电能传输技术为移动机器人进行无线充电，在防爆、防火、水下、工矿等特种应用场合可以满足恶劣的工作环境的需求。”朱春波表示。
　　近年来，纯电动汽车越来越受关注，节能、环保、经济等优势使其成为未来汽车发展方向，但之所以一直难以彻底取代传统燃油汽车，是因为存在续航里程以及充电时间等难题。
　　“大功率无线电能传输技术还可为电动汽车等交通工具提供方便的电能，在能源交通、航空航天等领域具有更为广阔的发展空间。”杨庆新表示，“电动汽车无线充电有两种模式，一种为静止充电，另一种为在线式无线供电，即边走边充或直接采用无线电力驱动。一旦在道路上实现在线式无线供电，电动汽车可以不再要求有动力电池，摆脱电池负担，将有力地推动纯电动汽车的大规模应用。”
　　目前，已有包括雷诺、日产、、、在内的10余家汽车厂商开始对无线充电系统进行测试，今年也表示或于2017年向公众推出无线充电系统。
　　朱春波表示：“电动汽车无线充电技术方便、安全、便于自动充电，技术上接近成熟，对解决电动汽车续驶里程的难题具有重要意义，但效率、成本、屏蔽技术、控制技术等难题尚待解决。”
　　协同研究 推动技术完美落地
　　据了解，无线电能传输主要利用电磁感应、电磁谐振、电磁辐射等形式实现。早在19世纪中后期，无线电能传输技术就被电气工程师尼古拉?特斯拉提出，并进行了相关的实验研究。到20 世纪80 年代，以电磁感应耦合方式为主的无线电能传输技术开始被学者们关注，并逐渐应用到电动牙刷、手机、电动汽车等产品的无线供电中。2007 年麻省理工学院马林?索尔贾希克和他的研究团队，在2米距离以无线供电方式成功点亮60瓦的灯泡，开辟了无线电能传输技术新方向。
　　2011 年10 月，由杨庆新牵头，中国科协在天津工业大学召开了国内首次“无线电能传输技术”专题研讨会，与会专家讨论了无线电能传输技术新进展、应用前景及存在的问题。此次会议达成了多项共识，对无线电能技术在国内的研究与推广发挥了重要作用。
　　据业内人士介绍，到目前为止，对于高铁列车的稳定、可靠无线供电问题，国内外研究成果报道较少，大多处于实验室阶段。“此次展出的高速列车无线供电技术以高速列车采用无线供电方式进行驱动为最终目标，着重研究解决高速运动情况下遇到的理论与实际问题。”杨庆新表示。
　　电磁辐射问题是消费者担心的主要问题之一。杨庆新对此表示：“无线供电采用交流电磁耦合变换，会有相应电磁辐射。但当无线输电装置为用电设备供电时，由于采用了屏蔽装置，不会对人体健康造成危害，屏蔽问题已经解决。”
　　此外，高速列车无线供电必须解决大功率（电压高、电流大）、高速切割磁感应线时导体的受力等问题。“目前，我们在一定比例的模型上已经解决了上述问题，如果实验做完，验证解决等比例高速切割磁感应线时导体的受力问题，这项技术完全可以在高铁上推广，这将是高铁供电的革命。高铁无线供电问题解决了，其他设备的无线供电问题便会迎刃而解，对此我们充满信心。”杨庆新表示。
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