基于磁共振耦合方法的膨润土影响下的功率无线传输效率的基础性实验研究

基于磁共振耦合方法的膨润土影响下的功率无线传输效率的基础性实验研究摘要—核能已经成为电能的重要来源之一，而核能发电的关键问题之一便是放射性核废料的处理问题。“综合隔离系统”就是用来处理高污染等级的核废料的。为了确保反应堆内部的安全，需安装若干传感器。但基于现行的方法，信号线和电源线必须从小孔引出。为了构建“综合隔离系统”，反应堆的密封和功率的无线传输被提出。由于运用可移动天线可以进行高效率远距离传输，并且如果加上中继天线可以传输得更远，基于磁共振耦合方法的功率无线传输引起了人们的注意。然而，天线之间的障碍，即使不能完全阻断功率的传输，也极有可能会影响传输的效率。膨润土是“综合隔离系统”中的主要组成部分，因此本文分别研究在有无中继天线条件下，电能在膨润土中的无线传输的效率以及其与无障碍的功率无线传输效率的比较。关键字—电能的无线传输；磁共振耦合；核废料处理；综合隔离系统；膨润土I．简介近来，核能已经成为重要的电能来源之一，而核能发电的关键问题之一便是放射性核废料的处理问题。现行的处理高污染等级的核废料的方法称之为“综合隔离系统”，该方法中，核废料经过若干层的工程和自然的密闭，被深埋地下进行处理。为了确保处理系统的安全性，需要在该系统上加装监测系统。因此，需在系统内部装上大量的传感器。直至现在，为了从传感器获取数据，信号线和电源线必须从小孔中引出。为了构建“综合隔离系统”，人们提出了密封核废料容器，并且通过功率无线传输系统传输传感数据和电能的构想。基于磁共振耦合方法的电能无线传输对较远距离有相当高的传输效率，并且对可移动的传输和接收天线可靠性较强。此外，可以通过中继天线扩大电能的传输范围。因此，所提到的功率的无线传输被认为是核废料处理监测系统的很好的选择。天线之间的物质和材料，例如土壤和装废料的容器，都很可能会对电能无线传输系统的效率产生一些影响，并且不能忽略电能传输被干扰的可能性。然而，对物质和材料干扰电能无线传输的研究并不是很多。因利用其遇水膨胀，能很好阻隔水流这一特性，膨润土是通常隔离箱的主要成分。因此，本文中，膨润土被用作电能无线传输阻隔物进行基本研究。实验中，运用了两个尺寸不同的天线，并且传输的距离或者说是传输和接收天线间膨润土的厚度是在变化的。本文研究了有无中继天线条件下，功率的无线传输在膨润土中的效率，并与没有阻隔的电能无线传输的效率进行比较。Ⅱ.实验设备A．天线本实验中，用到的两个不同尺寸的开放式螺旋天线如图1所示。两个天线尺寸分别为直径300mm和直径150mm,采用双层设计，两层之间的距离为8mm，线直径为2mm。实验中，每个天线的谐振频率都为13.56MHZ。每个天线的RLD参数如表1所示。［图1位置］表1传输中继接收接收直径D150mm150mm150mm300mm电阻R2.102.182.212.11电容C12.14pF12.87pF19.13pF14.58pF电感L11.35μF10.71μF7.12μF9.49μFB.膨润土模块实验中，膨润土与水构成混合物，其与水的质量混合比率为1.3。混合物按要求成型，即做成中间有孔的矮圆柱体，以便天线可以放入。之后该混合物需一星期时间晾干成型。准备好的膨润土模块如图2所示。［图2位置］Ⅲ.天线特性每个尺寸天线的不同距离下的电能无线传输效率的特性，可以通过矢量网络分析仪（VNA）进行观察。对天线特性测量的模型的搭建如图3所示。反射波率的S参数21S和传输波率的S参数12S都可以在VNA上直接读出。传输效率系数11和21由等式（1）和等式（2）推导得出。1[%]100||21111S2[%]100||22121S式中11=功率反射率21=功率传输率每个天线的电能传输特性结果如图4所示。用实验中准备的天线进行电能的无线传输，直径300mm的天线最大传输效率约为95%，直径150mm的天线的最大传输效率约为85%。［图3位置］［图4位置］Ⅳ.实验的搭建A．膨润土模块中无中继天线的情况在无中继天线的实验模型中，接收天线至于膨润土圆柱块内部，而传输天线置于膨润土圆柱块的上方。传输天线与功率放大器相接，该功放连接函数信号发生器获取信号。接收天线接收功率，其直接与功率计相连，接收的功率（LP）可以直接由功率计读出。放大器和传输天线之间接有定向耦合器，该定向耦合器可以分离返回电源的功率（反射功率）RP和实际由传输天线传输的功率（前进功率）FP。因此，该模型下由功率计读出的信号有RP，FP和LP，实验的配置如图5所示。[图5位置]B．膨润土模块中有中继天线的情况该情况下的实验配置情况与无中继天线的情况相似，区别是模块中放入一个150mm的天线作为中继天线。该过程只在中继天线与传输天线相距150mm及中继天线与接收天线相距150mm的条件下实验。实验配置情况如图6所示。对A节与B节所描述的实验配置，在每个传输距离上，向传输天线注入不同等级的功率（20W，40W，60W，80W和100W），测量不同等级功率下的传输效率，并且以平均效率作为该距离下的传输效率。［图6位置］Ⅴ.实验结果该节中，会由实验得到的数据进行效率计算。如前几节所述，反射功率（RP），前进功率(FP)和接收功率(LP)已经测得，功率传输的效率21由等式（3）给出。3[%]10021LFPP在有膨润土条件下，基于功率计读出的数值，等式（3）可以用来计算实验得出的效率值。我们注意到，虽然天线的谐振频率为13.56MHZ，为了达到检测最大可能传输效率的目的，该实验中的频率范围选取每个传输距离达到最高传输效率的点构成。因此，如图4所示，每幅图中，各个距离的功率传输效率可在峰值频率处测得。在该实验中，只有150mm直径的天线被用作传输天线和中继天线，而两种尺寸的天线，150mm和300mm的天线被作为接收天线使用。A．无中继天线的情况对于传输天线直径是150mm，接收天线直径是300mm或者150mm-300mm配置情况，加入膨润土模块的传输效率降至不加膨润土模块的74.9%。对于150mm-150mm的配置，及传输天线和接收天线直径都为150mm的情况,效率降至之前的70.8%，曲线如图7所示。除了天线的传输效率，实际通过天线传输的功率的比率也可通过反射功率和前进功率的之比获得，即RP：FP。对于150mm-150mm的配置和150mm-300mm的配置，特别是在近距离传输情况下，反发射功率增大。结果如图8所示。B.有中继天线的情况对于在膨润土中150mm-150mm-150mm的配置情况，总体的传输效率约为51%，而对于150mm-150mm-300mm的情况，膨润土中的传输效率约为49%。由A节中的两种天线配置的传输效率的数据可知，这种效率的降低是由每个阶段效率70%-75%的下降引起的。［图7位置］［图8位置］VI.结论通过实验可知，对50mm-150mm间的传输距离，膨润土的影响使得功率无线传输效率下降了30%，这一数值结果是由功率计直接读出的数据，经计算得到的系数11得来的。若想对功率损失深入研究，则需进行电磁分析。与密度和频率有关的膨润土的介电常数和电导率正在测量当中，在今后的研究中会给出结果。附：翻译原文