無線電力傳輸
編輯無線電力傳輸或電磁能量傳輸是沒有電線作為物理鏈路的電能傳輸。在無線電力傳輸系統中,由來自電源的電力驅動的發射器設備產生時變電磁場,該電磁場將電力跨空間傳輸到接收器設備,接收器設備從場中提取電力并將其提供給電氣設備。加載.無線電力傳輸技術可以消除電線和電池的使用,從而為所有用戶增加電子設備的移動性、便利性和安全性。無線電力傳輸可用于為互連電線不方便、危險或不可能的電氣設備供電。
無線電力技術主要分為近場和遠場兩大類。在近場或非輻射技術中,電力通過使用線圈之間的電感耦合的磁場或使用金屬電極之間的電容耦合的電場在短距離上傳輸。電感耦合是應用最廣泛的無線技術;它的應用包括為手機和電動牙刷等手持設備充電,植入式醫療設備(如人工心臟起搏器或電動汽車)中的RFID標簽、感應烹飪以及無線充電或連續無線電力傳輸。
在遠場或輻射技術(也稱為功率束)中,功率通過電磁輻射束傳輸,例如微波或激光束。這些技術可以將能量傳輸更遠的距離,但必須針對接收器。這種類型的建議應用是太陽能衛星和無線供電的無人駕駛飛機。
與所有無線電力系統相關的一個重要問題是限制人和其他生物暴露于潛在的有害電磁場。
概述
編輯無線電力傳輸是通過電磁場傳輸能量的多種不同技術的總稱。下表中列出的這些技術的不同之處在于它們可以有效傳輸電力的距離、發射器是否必須瞄準(指向)接收器以及電磁能的類型他們使用:時變電場、磁場、無線電波、微波、紅外線或可見光波。
通常,無線電力系統由連接到電源(例如主電源線)的“發射器”設備和一個或多個接收電力的“接收器”設備組成并將其轉換回由電氣負載使用的直流或交流電流。在發射器處,輸入功率通過某種類型的“天線”設備轉換為振蕩電磁場。“天線”這個詞在這里用得很松散;它可能是產生磁場的線圈,產生電場的金屬板,發射無線電波或產生光的激光。接收器處的類似天線或耦合裝置將振蕩場轉換為電流。決定波類型的一個重要參數是頻率,它決定了波長。
無線電力使用與無線電等無線通信設備相同的場和波,另一種熟悉的技術涉及通過電磁場無線傳輸電能,用于手機、廣播和電視廣播以及WiFi。在無線電通信中,目標是信息的傳輸,因此到達接收器的功率量并不那么重要,只要信息能夠被清晰地接收就足夠了。在無線通信技術中,只有極少量的功率到達接收器。相反,對于無線電力傳輸,接收到的能量是重要的,因此效率(接收到的傳輸能量的比例)是更重要的參數。出于這個原因,無線電力技術可能比無線通信技術更受距離的限制。
無線電力傳輸可用于為無線信息發射器或接收器供電。這種類型的通信稱為無線供電通信(WPC)。當收集的電力用于為無線信息發射器供電時,該網絡稱為同時無線信息和電力傳輸(SWIPT);而當它用于為無線信息接收器供電時,它被稱為無線供電通信網絡(WPCN)。
諧振電感耦合
諧振電感耦合(電動耦合,強耦合磁共振)是一種電感耦合形式,其中功率通過兩個諧振電路(調諧電路)之間的磁場(B,綠色)傳輸,其中一個在發射器中一個在接收器中(見右圖)。每個諧振電路都由一個線圈組成,該線圈連接到一個電容器,或一個自諧振線圈或其他具有內部電容的諧振器。兩者被調諧到同時產生共鳴諧振頻率。線圈之間的共振可以xxx增加耦合和功率傳輸,類似于振動音叉可以在調諧到相同音高的遠處音叉中引起共鳴振動的方式。
NikolaTesla在20世紀之交的無線電力傳輸開創性實驗中首次發現了諧振耦合,但直到最近才探索使用諧振耦合來增加傳輸范圍的可能性。2007年,由麻省理工學院的MarinSolja?i?領導的一個團隊使用兩個耦合調諧電路,每個電路由一個25厘米的自諧振線圈制成,頻率為10MHz,以在2米(6.6ft)(線圈直徑的8倍),效率約為40%。
諧振電感耦合系統背后的概念是,高Q因子諧振器交換能量的速率遠高于它們由于內部阻尼而損失的能量。因此,通過使用共振,可以在更遠的距離上傳輸相同數量的功率,使用近場xxx區域(“尾部”)中的弱得多的磁場。諧振電感耦合可以在4到10倍于線圈直徑(Dant)的范圍內實現高效率。這被稱為“中程”轉移,與非諧振感應傳輸的“短程”相反,只有當線圈相鄰時才能達到類似的效率。另一個優點是諧振電路之間的相互作用比與非諧振物體的相互作用要強烈得多,因此由于附近雜散物體的吸收而導致的功率損失可以忽略不計。
諧振耦合理論的一個缺點是,在兩個諧振電路緊密耦合的近距離范圍內,系統的諧振頻率不再恒定,而是“分裂”成兩個諧振峰值,所以xxx功率傳輸不再發生在原始諧振頻率,振蕩器頻率必須調諧到新的諧振峰值。
諧振技術目前被廣泛應用于現代感應式無線電力系統中。為這項技術設想的可能性之一是區域無線電力覆蓋。房間墻壁或天花板上的線圈可能能夠以合理的效率為房間任何地方的燈和移動設備供電。以無線方式為時鐘、收音機、音樂播放器和遙控器等小型設備供電的環境和經濟效益是,它可以xxx減少每年處理的60億個電池,這是有毒廢物和地下水污染的主要來源。
電容耦合
編輯電容耦合也稱為電耦合,利用電場在兩個電極(陽極和陰極)之間傳輸電力,形成用于傳輸電力的電容。在電容耦合(靜電感應)中,電感耦合的共軛,能量通過電極(如金屬板)之間的電場傳輸。發射器和接收器電極形成一個電容器,其間的空間作為電介質。發射器產生的交流電壓施加到發射板上,振蕩電場通過靜電感應在接收板上感應出交流電勢,導致交流電流在負載電路中流動。傳輸的電量隨著頻率的增加而增加電壓的平方和電容板之間,它與較小板的面積成正比,(對于短距離)與分離成反比。
電容耦合實際上僅在少數低功率應用中使用,因為傳輸大量功率所需的電極上的非常高的電壓可能是危險的,并且可能導致令人不快的副作用,例如有害臭氧的產生。此外,與磁場相比,電場由于介電極化而與包括人體在內的大多數材料發生強烈相互作用。電極之間或電極附近的介入材料可以吸收能量,在人類可能導致過度電磁場暴露的情況下。然而,電容耦合比電感耦合具有一些優勢。該場在很大程度上限制在電容器板之間,從而減少了干擾,這在電感耦合中需要重型鐵氧體“磁通限制”磁芯。此外,發射器和接收器之間的對齊要求不太重要。電容耦合最近已被應用于為電池供電的便攜式設備充電以及在生物醫學植入物中充電或連續無線電力傳輸,并且正在考慮中作為在集成電路的襯底層之間傳輸功率的一種方式。
使用了兩種類型的電路:
- 橫向(雙極)設計:在這種類型的電路中,有兩個發射器板和兩個接收器板。每個發射器板耦合到接收器板。發射器振蕩器通過高交流電壓驅動反相(180°相位差)發射板,負載連接在兩個接收板之間。交變電場在接收器板中感應出相反相位的交流電勢,這種“推拉”作用導致電流通過負載在板之間來回流動。這種無線充電配置的缺點是接收設備中的兩個板必須與充電板面對面對齊,設備才能工作。
- 縱向(單極)設計:在這種類型的電路中,發射器和接收器只有一個有源電極,接地或大的無源電極用作電流的返回路徑。發射器振蕩器連接在有源電極和無源電極之間。負載也連接在有源電極和無源電極之間。發射器產生的電場通過靜電感應在負載偶極子中引起交變電荷位移。
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