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【技术】无线输电:发展趋势与应用领域(一)

2015-10-19 00:04
科技那回事
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  随着人类社会现代化与电气化程度不断加深,从遍布世界各地的输配电线路网架到为工作中和家庭中的各类电气设备提供电能,采用金属导线直接连接来进行电能传输的接触式传输方式已经得到了广泛应用。虽然这种“有线”的传输方式已经发展得十分成熟,但仍有不少问题难以解决。

  传统电气设备的接触式供电因触点接触摩擦产生火花、绝缘与导体消损的问题,严重缩短电气设备的使用寿命,甚至对供电的安全性与可靠性产生威胁。不良电气接触连接会增加接触电阻,造成高温引起火灾,电气开关还会引起拉弧的危险。

  另外,传统的接触式电能传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要,例如在矿井、油田和水下探测等场合。在传统的接触式供电方式下,触点由于摩擦易导致电火花,在矿井和油田钻采中会增加爆炸的可能性,引发严重的危害。水下探测机器人需要频繁更换电池或采用水下电缆连接来提供足够设备运行的能源,给水下探测设备的正常运行和维护带来了许多不便。

  给运动设备进行供电时,一般都采用滑动接触供电,但这种供电方式存在滑动磨损、接触火花、积碳和不安全裸露导线等缺点。海上的岛屿、边远山区和工作于山头的基站等交通不便、远离大电网、缺乏规范能源的地点,采用架设电线的传统配电方式成本过高,实现起来十分困难。

  随着各种便携式电子设备广泛普及,新的问题也随之出现。电源插头频繁地拔插,容易发生触点的磨损、变形和老化,导致安全性得不到保障。不同电子产品的充电器生产规格标准不统一,而每个充电器都需要独立的插孔和配套电线,这样既造成了资源的浪费,在生产制造和垃圾处理环节也会污染环境。便携式电子设备需要频繁地充电,而各式各样繁杂的充电器和缠绕在一起的电线给人们的生活带来极大的不便。此外,植入体内的医疗设备的长期供电也存在很大的不便。这些有线传输方式现存的问题需要一种无需导线连接的电能供应模式解决,而电力电子技术和电磁场理论的发展,使得无线输电的实用化成为可能。无线输电技术的引入将使电能的生产、输配和使用途径更加宽广、方式更加多样化。无线输电技术利用了感应耦合、磁共振耦合、飞秒激光和微波等形式来来进行能量的传输,是一种安全、可靠、便捷的新型输电方式。

  1、发展趋势与应用领域

  1.1、基于专利统计的发展趋势分析

  无线输电技术不断累积增多的相关专利数据,具有展示应用情况和指导研发方向的潜在价值。在无线输电技术的快速变化发展阶段,专利统计分析是一种能够有效地认识国内外技术发展状况、监控技术环境变化的方法,可以很好的把握技术动态、了解技术竞争力。

  通过在国家专利局的专利检索与服务系统的检索,经过人工筛选后,得出国内外在短、中、长距离无线输电技术领域专利的申请量情况,从而绘制出国内外专利申请随年度变化的趋势图,图7是国内外短距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图,图8是国内外中距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图,图9是国内外长距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图。

 国内外短距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图

  国内外中距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图

  国内外长距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图

  由图比对可以看出:在无线输电技术领域专利申请方面,国外比国内要早十多年,这说明国内在该领域内的研究较晚,但是从申请量方面来看,从2011年开始,国内的申请量超越了国外,而且申请量呈增长的趋势。国外从2012年开始申请量略微下滑,态势趋于平缓。国内研究的起点时间虽然晚于国外十多年,但是最近几年国内的研究势头远远的超越国外。

  从申请时间可以看出国外的技术成熟度已经较高,专利申请量的下滑更可能是因为进入了一个新的发展阶段,更倾向于某些产品的实质应用推广,而不局限于大量地申请专利来保护潜在产品,不再是数量领先而是技术领先。

  图10和图11是按照IPC分类方法分别统计的国内、外专利申请技术构成图,可以看出,国内H02(发电、变电或配电)大类占比45.81%、H04(电通信技术)大类10.05%,其他类占比较少,占比量相对均匀;国外H02(发电、变电或配电)大类占比也是第一位,但是所有的大类占比都相对均匀。对比国外的发展状况可以看出,国内在其他领域,尤其是B60(一般车辆大类)、H01(基本电气元件大类)、H04(电通信技术大类)这三类技术领域还有很大的发展空间。

  图10国内无线输电技术领域专利申请技术构成图

  图11国外无线输电技术领域专利申请技术构成图

  专利分析更多体现的是无线输电技术的应用前景和可能的市场布局。经过对国外无线输电的进展状况,特别针对是2013下半年至2014上半年国外科技文献的调研,技术方面发展的趋势可以总结为更加可控、高效、安全、便携和美观,下面摘录一些国外无线输电最新进展的代表性工作简要介绍。

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