[实用新型]一种无线能量传输结构

说明书

本实用新型公开了一种无线能量传输结构，属于无线能量传输技术领域。所述无线能量传输结构包括：基底及位于基底上的超表面，超表面包括形成有狄拉克点的一层或者两层多个周期性排列的单元结构。本实用新型中的无线能量传输结构，在采用频率为狄拉克点对应的谐振频率的源激发无线能量传输结构的超表面时，能够产生均匀稳定的磁场，保证了无线能量以均匀的传输功率进行传输，并且传输距离远范围大。

技术领域

本实用新型涉及无线能量传输技术领域，尤其涉及一种无线能量传输结构。

背景技术

在传统的供电系统中，一直以电线作为媒介，进行高效率的能量输送，这让我们的生活和工作越来越便捷。但由于人们日益增高的物质需求，电子设备的工作环境也越来越复杂，尤其是在易燃易爆等恶劣环境下，有线的供电网络容易受到破坏而产生诸多安全隐患；同时，有线供电网络还存在设备移动性差、视觉环境不美观、供电暴露等问题；并且在海洋岛屿、偏远深林等地区，使用有线传输能量施工困难，维护成本高。因此，无线能量传输技术应运而生，并且在电动汽车、工业机器人、航空航天、军事、油田矿井、水下作业、生物医学、无线传感网络等领域均有广阔前景。在中国科协成立五十周年的系列庆祝活动中，无线能量传输技术被列为“10项引领未来的科学技术”之一。

无线能量传输(Wireless Power Transmission，WPT)，顾名思义就是采用微波、激光、磁耦合共振等方式而非传输线来进行能量的输送。1899年，Nicola Tesla首先做过远距离无线能量传输实验，通过容性感应方式使灯泡发光，但是由于技术和资金的限制，该实验并没有继续下去。随着需求和技术的发展，无线传输技术得到了飞速发展。从能量传输原理上看，无线能量传输可以分为辐射式与非辐射式；其中，辐射式包括微波传输和激光传输两种，非辐射式包括磁感应耦合和磁谐振耦合两种。微波能量传输原理成熟，传输功率大，可实现中远距离的传输，但是由于其要求精准的定位技术、大尺寸的天线设备，传输效率低且容易产生电磁干扰，使得微波式无线能量传输技术的发展受到一定的限制。激光能量传输由于具有激光光束的特性，非常适合于空间应用，但是波长短且受大气影响严重，所以传输效率较低。非辐射的两种方式在近距离情况下可以获得较理想的传输效率，而随着传输距离的增加，其效率迅速下降，在较远距离情况下能量损耗比较严重。磁感应耦合式无线能量传输(Magnetically-Coupled Inductive Wireless Power Transfer,MCI-WPT)又分为两种传输形式：容性感应式和感性感应式。该技术将两个线圈放置于邻近位置上，当电流在其中一个线圈中流动时，根据电磁感应原理，会在另一个线圈回路中产生电流，不需要用导线连接两个线圈。感应式耦合的传输效率以1/d³的速度衰减，其中d为接收线圈和发射线圈之间的距离。所以感应式耦合目前只适用于毫米级别的短距离传输。

为了克服辐射式无线能量传输和感应耦合无线能量传输的缺陷，磁谐振耦合式无线能量传输(Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT)应运而生。2007年，MIT的Marin教授团队在Science期刊[Science,317,83(2007)]上发表文章，利用磁谐振耦合技术点亮了2米外的60W灯泡，系统传输效率可以达到50％。该技术通过次级线圈自身电感性和并接电容与同样架构的初级线圈产生电磁共振实现耦合，实现了电能无线传输的突破。由功率源在激励线圈上产生交变电流；然后激励线圈通过感应耦合传输能量发射谐振线圈，由于接收谐振线圈与发射谐振线圈工作在同一频率，故接收谐振线圈通过磁场从发射谐振线圈获得能量；最后，接收谐振线圈通过感应耦合传到负载线圈给灯泡供电。相比于磁感应耦合无线能量传输系统，该技术传输距离更远，由于其工作原理是采用磁谐振耦合，所以在传输能量时没有特定的方向性，且对周围环境的电磁干扰和人体组织的伤害能减小很多。人们通过针对强耦合区、适耦合区、弱耦合区的特点来进行优化：通过控制电路追踪频率的变化，利用平行反向线圈来提高传输效率；通过增加中继耦合谐振线圈，优化阻抗匹配参数来增加传输距离。