电力无线传输近期研究和发展综述外文翻译资料

电力无线传输近期研究和发展综述

Sagolsem Kripachariya Singh，TS Hasarmani和RM Holmukhe

摘要:本研究是对无线电力传输领域最近的研究和发展进行综述。 探讨了电磁传输，消逝波耦合，电磁感应，无线电和微波以及静电感应等无线电力传输方法。本研究还着重介绍了该领域的最新技术，优缺点。 并简要讨论对经济方面的影响。

关键字：无线传输；智能电源；太阳能

1. 介绍

在过去，产品设计师和工程师都面临着电能方面的挑战：电源的连续性，电池的充电，传感器的位置优化以及旋转或移动接头的处理。 虽然这些挑战依然存在，但由于移动设备使用的增加以及在复杂或潮湿的环境中操作而产生的新需求意味着设计人员需要采用新方法为设备供电。从特斯拉时代开始，无线电力传输一直是一项不难以实现的技术。 特斯拉一直试图引入全球无线配电系统。 但由于当时缺乏资金和技术，他无法达成。研究一直在进行，并且在这个领域已经开始慢慢有所突破。 尽管无线电力传输尚未采用商业用途。

1. 文献综述

• 1864年，James C. Maxwell通过数学模型预测了无线电波的存在。
• 1888年，在麦克斯韦理论的支持下，海因里希赫兹首次成功地用无间隙发射器显示了无线电波的实验证据。 无线电波在19世纪末的预测和证据是无线电力传输的开始。
• 尼古拉特斯拉一直是电力无线传输领域的先驱[1]。 他开始努力

无线传输在1891年在他的“实验站”在科罗拉多州。 尼古拉特斯拉通过一端接地的谐振电路成功点亮了一盏小型白炽灯。 实验室外的一个线圈，其下端连接到地面，上端接出。 该灯由绕在线圈下端的三匝导线感应的电流导通来点亮。

图1.特斯拉的实验灯。

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图2. Wardenclyffe塔也被称为特斯拉塔（187英尺），位于纽约长岛。

Wardenclyffe塔由Tesla设计，用于跨大西洋无线电话以及演示无线电力传输

图3.特斯拉的系统

• 威廉·布朗对微波功率传输的现代发展做出了很大的贡献，这一技术主导着无线的研究和开发

目前无线电传输。 在20世纪60年代早期，布朗发明了直接将微波转换为直流电流的整流天线。 他于1964年通过直通式微波炉为直升机提供动力，证明了其能力。

• 日本电气工程师Hidetsugu Yagi也试图引入无线电力传输系统，但未能成功。

图4. W.Brown 1975年的微波功率传输实验室实验。

1. 无线电力传输的方法
2. 感应

两个线圈之间的相互感应原理可以用于电力的传输，而两者之间没有任何物理接触。 互感器如何工作的最简单的例子就是变压器，其中主线圈和次线圈之间没有物理接触。 由于两个线圈之间的电磁耦合而发生能量转移。 [7]

1. 电磁传输

电磁波也可以用来传输电力而无需导线。 通过将电力转换为光线（如激光束），然后将此光束发射到接收目标（例如小型飞机上的太阳能电池），可以将电源发射到单个目标。 这通常被称为“功率放大”。

1. 消逝波耦合

麻省理工学院的研究人员表示，他们已经发现了一种使用非辐射电磁能共振隧道无线传输功率的新方法。 由于电磁波会隧道传播，它们不会在空气中传播而被吸收或浪费，并且不会破坏电子设备或造成微波或无线电传输等人身伤害。 研究人员预计长达5米的范围。

1. 电动感应

也称为“谐振电感耦合”解决了与无谐波电感耦合无线能量传输相关的主要问题; 具体而言，效率对传输距离的依赖性。 当使用谐振耦合时，发射器和接收器电感器被调谐到相互频率，并且驱动电流从正弦波到非正弦波瞬态波形被修改。 脉冲功率传输发生在多个周期。 通过这种方式可以获得巨大的能量

传输距离可达发射机几倍的距离。

1. 收音机和微波炉

通过无线电波的功率传输可以更具有方向性，允许更长距离的功率发射，以及更短波长的电磁辐射，通常在微波范围内。 整流天线可用于将微波能量转换回电力。 实现了天线转换效率超过95％。 已经提出使用微波的功率发射用于将来自太阳能轨道卫星的能量传输到地球，并且已经考虑将功率发射到航天器离开轨道。

1. 静电感应

被称为“电容耦合”,是传导接地平面上的两个升高电极之间的电场梯度或差分电容，用于无线能量传输，涉及在两个板或节点之间传输的高频交流电势差

1. 无线电力传输领域的电流技术
2. 微波发射机

目前使用微波功率传输技术的效率可达76％。 为了传输效率，必须对波进行聚焦，以使由源传输的所有能量都入射到波浪收集设备上。 由于发射机的高成本和当前光学和红外设备的相对较低的效率，较高的频率也是不切实际的。

图5.微波发射机

最常见的微波发射器是行波管（TWT），速调管和磁控管。 TWT太昂贵且功率限制，使其对于电力传输的任务不切实际。 速调管一直是直流到微波转换器的选择，但它也有点昂贵。 许多研究人员正在寻求使用磁控管，因为它们便宜且高效。 磁控管的频率输出不如速调管或TWT那样精确可控，但电力传输比通信系统对频率波动更为宽松。 最常见的建议之一是将一列磁控管用作发射器。 使用许多较小的磁控管而不是几个速调管的主要优点之一是300W至1kW的磁控管已经

大规模生产的微波炉。 磁控管的效率不一致。

1. 微波功率传输在太阳能卫星中的应用（SPS）

太阳能发电卫星发射到太空并向地球站传输电力。 这个想法最初是在1968年提出的，所有的实验都只在地面实验室进行。 SPS卫星将在地球同步位置处于高地球轨道。 这将使他们在今年99％的时间内获得光线。 将在地球上建造一个大型天线阵列设施以收集传入的微波。 为了保持天线的良好锁定，卫星需要用一个反向定向发射器来建立，该发射器锁定在从地面站发出的导引波束上。

图6.太阳能卫星。

由于大部分研究都是在2.4 GHz至5.8 GHz范围内完成的，因此需要处理一些频谱监管问题。 另外，由于逆向天线系统未经实验认证。 有人担心微波束可能偏离目标，而微波炉则是一些不知情的家庭。 然而，日本政府机构计划发送10至100千瓦低地球轨道卫星来证明其可行性。 [2]

1. 最新的发明和实验
2. WriTricity

称为WiTricity的新技术基于使用耦合谐振对象[10]。 具有相同谐振频率的两个谐振物体倾向于有效地交换能量，同时与无关的非谐振物体弱相互作用。

图7.该领域如何工作的WiTricity图像。

一个秋千上的孩子就是一个很好的例子。 摆动是一种机械共振，所以只有当孩子以摆动的固有频率拉腿时，她才能够

传递大量能量。

此研究的设计由两个铜线圈组成，每个线圈都是一个自谐振系统。 连接到电源的其中一个线圈是发送单元。 它不是用电磁波照射环境，而是用以MHz频率振荡的非辐射磁场填充它周围的空间。 非辐射场介导与另一个线圈（接收单元）的功率交换，该线圈专门设计用于与场地共振。 过程的谐振特性确保了发送单元和接收单元之间的强大互动，而与环境的其他部分的相互作用很弱。

图8.麻省理工学院WPT实验。

1. 英特尔的示范

英特尔展示了一项吸引人的技术，可以消除对电源线，充电器或电池的需求。 在昨天的英特尔开发商论坛（IDF）的演讲中，该芯片制造商以3英尺远的距离无线供电60瓦灯光球，效率高达75％。该技术通过在两个磁场之间产生共振，称为“谐振感应”现象。 英特尔希望有一天能够使用该技术为笔记本电脑和其他便携式设备供电，无论是直接通过发射器还是通过对可快速充电的内部超级电容充电。由Joshua R. Smith领导的英特尔研究项目旨在以此为基础工作。

图9.针对WPT的INTEL实验。

在测试高频变压器时，Lightning Lab意外传输大量能量。

纳瓦达闪电实验室注意到实验室内的另一台变压器在测试过程中开始“大量冒烟”。 他们发现变压器与电源断开连接，并着手尝试并了解发生了什么事。

他们发现，即使是间距很大的线圈也能够无线传输大量功率并对其进行测试，他们装配了一块20个40瓦的灯

发射器和接收器距离5米（16.4英尺）。

与无线电力传输一样，主要缺点是过程中损失的能量。 发射线圈工作在3.6KW，接收器捕获800W，效率非常低。

图10.发光实验室实验。

1. 最近的研究

微波功率传输领域的研究正在进行，全球正在开发许多技术。

• 1. 天线： - 在日本的一些MPT实验中，采用相控阵天线来控制微波束的方向。
  2. 发射机： - 磁控管，行波管放大器，速调管，半导体放大器。
  3. 光束控制，目标检测，传输

图11.日本田野mpt实验中使用的相控阵。

• • 1. (b)

(c) (d)

图12.具有相位共轭电路的各种反向阵列在（a）京都大学和1987年的神户大学（2.45GHz）开发，

• • 1. 1996年京都大学（2.45GHz），（c）皇后大学（62-66GHz），

（d）2001年喷气推进实验室和密歇根大学（5.9GHz）

1. 未来的方面
2. 发电太阳能卫星Inhabitat

日本希望通过太空无线能量为300万座房屋供电。 他们设定了一个计划，就是将装有太阳能电池的卫星送入太空，可以有效地将一个功率强大的无线电波射入地球。

图13.日本的无线，发电，太阳能卫星住宅

一个小型测试模型计划于2015年发布。为了解决所有问题并建立完整的功能系统，估计需要三十年时间。 据估计，一个主要的问题是，当一个1千兆瓦的微波射束瞄准地球上的一个小地点时，它可能会面临可能的危险。

210亿美元的项目刚刚获得了三菱和设计师IHI（除了来自其他14个国家的研究团队）的重要支持。

1. 第三代无线电源

PowerbyProxi开发了一款3G无线供电系统。 前几代无线电力技术基于由两部分构成的分体变压器：输入侧（主侧）和输出侧（次级侧）。 施加到初级的电能被转换成电磁场，其在次级中感应出电流，其将能量传递到负载。 早期几代无线电源解决方案与PowerbyProxi开发的主要区别在于，PowerbyProxi系统在空气隙或通过任何非金属基板的相对松散耦合布置中提供高效率水平。

图14. powerbyproxi技术的演示模型。

PowerbyProxi采用其ProimWave（图）专利技术，采用不同的无线电源方式。 它使用线圈在功率发射器之间传输和接收功率

（PTx）和电源接收器（PRx）。 这些线圈类似于用于无线电通信的天线。 通过交流电源，卡车电池或其他电源供电的转换器用于驱动PTx线圈。 ProxiWave功率控制器根据其特定的功率要求调节从接收PRx线圈到目标电气设备或电子设备的功率流量。

1. 优点和缺点
2. 优点

该系统将降低消费者使用电能的成本，并减少电线，电缆和输电塔等公共设施，在一定程度上减少人力和物力的消耗。 电能可以在没有电线的情况下稳定地传输到任何地面距离，因此不会有传输和分配损失。 传输效率可高达96％或97％，几乎没有损失。

1. 缺点

计算循环无功功率，发现频率非常小，并且这样的频率在生物学上非常相似。

1. 科技研究发展方面

在经济理论方面，许多国家将从这项无线电力传输服务中受益。 只需要私人的，分散的接收站。 一个谐振能量接收器是必需的，最终可能嵌入到电器中，因此不需要电源线。

1. 结论

无线电力传输的电能可以

被认为是未来电力生产和传输前景广阔的电气工程。 可以为太阳能卫星是提供能源。

致谢

Bharati Vidyapeeth认为大学，浦那。 政府Engg学院，Thrissur。

参考

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1. 科罗拉多泉注释。
2. GE Maryniak，“无线电力传输国际实验现状”，日落能源法律顾问，太阳能，第一卷。 56，1996。
3. RB ERB，“获取天基能源的国际合作”，R Bryan ERB，Solar Energy，vol。 56，1996。