浅谈无线电力传输

浅谈无线电力传输张业邹代宇陈昊内容摘要：无线电力传输技术是一项新兴的科技，这项技术未来将很大程度的造福人类。本文将对无线电力传输技术的历史，基本原理，研究现状以及未来前景进行介绍，让人们更好地认识这门新兴技术。关键词：无线电力传输，电磁感应，耦合，共振，无线充电，改变世界。一、无线电能传输的发展历史1820年:安培,安培定理表明电流可以产生磁场。1831年:法拉第,法拉第电磁感应定律是电磁学的一个重要的基本规律。1864年:麦克斯韦建立了统一的电磁场方程,用数学的方法描述电磁辐射。1864年:赫兹证实了电磁辐射的存在。赫兹产生电磁波的设备是VHF和UHF波段的放电发射机。1891年:特斯拉(NikolaTesla)改善了赫兹的微波发射器的射频功率供应,并申请专利。1893年:特斯拉在芝加哥的哥伦比亚世界博览会展示了他的无线传输的荧光照明灯。1894年:勒布朗(Hutin&LeBlanc)相信可以感应传输电能,并申请了关于一个能传输3KHz电能的系统的美国专利。1894年:特斯拉分别在纽约的第五大道南35号的实验室和休斯敦街46号的实验室通过无线方式点亮了一个单极白炽灯,实验手段用到电力感应、无线共振感应耦合等技术。1894年:钱德拉玻(JagdishChandraBose)使用电磁波信号远距离点燃火药和触响铃铛,表明不用电线也能传递能量。1895年:钱德拉玻无线传输信号将近一英里远的距离。1896年:特斯拉发射了约48公里(30英里)距离的信号。1897年:马可尼(GuglielmoMarconi)使用超低频无线电发射器传送6公里的摩尔斯电码信号。1897年:特斯拉申请了无线传输的专利。自此，无线电力传输技术真正走上了历史的舞台。一、无线电能传输的基本原理无线输电技术根据其应用场合的变化有不同的原理,技术方案也不尽相同。1.电磁感应原理此原理与电力系统中常用的变压器原理类似。在变压器的原边通入交变电流,副边会由于电磁感应原理感应出电动势,若副边电路连通,即可出现感应电流,其方向的确定遵从楞次定律,大小可由麦克斯韦电磁理论解出。电力系统中的电压、电流互感器也是采用了类似的原理。相对于无线输电而言,变压器的原边相当于电能发射线圈,副边相当于电能接收线圈,这样就可以实现电能从发射线圈到接收线圈的无线传输。虽然电磁感应原理在电力系统中应用的初衷并不侧重于电能的传输,而是利用能量的转化改变电压、电流的数量级,但其对无线输电确实产生了一定的启发作用,尤其是电能的小功率、短距离传送。目前使用电磁感应传递电能的主要有电动牙刷,以及手机、相机、MP3等小型便携式电子设备,由充电底座对其进行无线充电。电能发射线圈安装在充电底座内,接收线圈则安装在电子设备中。这种原理的无线输电方式市场上已经存在。1.2谐振式无线输电这种无线输电方式与无线通信原理有点类似,其发送端谐振回路的电磁波全方位开放式弥漫于整个空间,在接收端回路谐振在该特定的频率上,从而实现能量的传递。这种输电方式在接收端输出功率比较小时可以得到较高的传输效率。但其存在电磁辐射,传输功率越大,距离越远,效率越低,辐射就越严重。因此这种方式也是只适用于小功率、短距离的场合。1.3磁耦合共振原理这种方式需要发射和接收两个共振系统,可分别由感应线圈制成。通过调整发射频率使发射端以某一频率振动,其产生的不是弥漫于各处的普通电磁波,而是一种非辐射磁场,即把电能转换成磁场,在两个线圈间形成一种能量通道。接收端的固有频率与发射端频率相同,因而发生了共振。随着每一次共振,接收端感应器中会有更多的电压产生。经过产生多次共振,感应器表面就会集聚足够的能量,这样接收端在此非辐射磁场中接收能量,从而完成了磁能到电能的转换,实现了电能的无线传输。未被接收的能量被发射端重新吸收。这种非辐射电磁场的范围比较有限,不适用于长距离,要求发射端与接收端在感应线圈半径的8倍的距离之内。2007年,以美国麻省理工学院物理学家MarinSoljacic为首的研究小组利用此原理,以两个直径60cm的铜线感应线圈作为共振器,一个与电源相连,作为发射器,另一个与台灯相连,作为接收器。他们成功把一盏距发射器2.13m开外的60W灯泡点亮。从而在实验上说明了此原理的可行性。1.4微波无线输电前几种无线输电方式适用的距离、传输的功率都比较小,要想实现长距离、大功率的电能无线传输,则可采用微波或激光的传输方式。由于微波或激光的波长比较短,故其定向性好,弥散小,可用于实现电能的远程传输。这种传输系统由电源、电磁波发生器、发射天线、接收天线、高频电磁波整流器、变电设备和有线电网组成,其大致流程如下。电源→电磁波发生器→发射天线→接收天线→整流器→变电→有线电网电磁波发生器是微波源或激光器,把电源传送的电能转变为大功率、高频的电磁波,馈送给发射天线。发射天线将电磁波发送出去。接收天线收集电磁波的能量并输入高频电磁波整流器,产生的高压直流电经逆变后送入有线电网。整流器是无线输电的关键器件。适用于大功率、高电压的是回旋波微波整流器,而小功率、低电压的是半导体微波整流器。两者单管的整流效率均接近85%。回旋波微波整流器的基本原理是快回旋电子束波在谐振腔中共振吸收微波能量,其本质上是直流电源,负载过载时一般能够快速自我保护,并在过载消失时能快速自动恢复正常工作。在使用中,输入微波频率、谐振腔频率和回旋频率三者应尽可能接近。对于半导体微波整流器可使用肖特基二极管整流器。微波接收整流天线可使用微带贴片天线,其重量轻,体积小,接收面积大,很容易实现极化形式以及设计和加工,适合于微波飞机、高空平台、轨道输电等对天线质量要求严格的场合,但其需要钻孔。还有几种具有平行结构的共面带线整流天线,避免了钻孔,但其接收面积小,增益低,系统接收功率有限。目前我国有人设计了一种新型5.8GHz混合结构的接收整流天线,兼备两种天线的优点,便于大规模推广。三、无线电能传输的研究现状3.1国外研究现状国外对无线电能传输技术的研究较早，早在20世纪70年代中期就出现了无线电动牙刷，随后发布了几项有关这类设备的美国专利。20世纪90年代初期，新西兰奥克兰大学对感应耦合功率传输技术（ICPT）进行研究，经过十多年的努力，该技术在理论和实践上已经获得重大突破。研究主要集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下工作的设备的供电问题，如电动汽车、起重机、手提充电器、电梯、传送带、运货行车，以及水下、井下设备。其能量等级、距离、效率等指标都在不断提高，目前实用设备己达200kW、数千米的传输距离和85％的以上的传输效率。通过对近年来国外无接触功率传输理论与实验的研究成果发现，目前无接触功率传输的研究绝大部分是近距离传输方面的研究，国外对带气隙的变压器模型的理论分析和应用设计已有不少成果，且有部分成果已经得到了实际应用，而对于远距离的无接触功率传输的研究，国外直到近几年才有相关实验成果的报道。如美国麻省理工学院的马林·索尔贾希克教授及其团队在2006年用所谓的“电磁共振原理”成功将2.13m外的60W的灯泡点亮。2008年9月美国内华达州的雷电实验室成功的将800W电力无线传输到5m远的距离，日本也研究出远距离提供30W功率的实验装置。3.2国内研究现状国内在无线输电技术方面研究还处于起步阶段，近年来，中科院院士严陆光和西安交通大学的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术进行研究。重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自2001年便开始了对国内外非接触式电能接入技术相关基础理论与实用技术的密切跟踪和研究，并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学波依斯教授为首的课题组核心成员PatrickAiguoHu博士进行了深层次的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有了较大的突破。2007年2月，课题组攻克了非接触感应供电的关键技术难题，建立了完整的理论体系，并研制出了非接触电能传输装置，该装置能够实现600至1000W的电能输出，传输效率为70％，并且能够向多个用电设备同时供电，即使用电设备频繁增减，也不会影响其供电的稳定性。目前国内主要的研究方向集中在系统谐振频率及原副边的补偿电路拓扑等方面，基本上都还处于理论研究，在应用领域最近两年才有所突破，但都还停留在实验室阶段。四、无线输电应用展望在一些特殊场合,无线输电技术可以大显神通,从普通生活常用电子设备到宇宙空间,无线输电的应用前景十分广阔。4.1在日常生活中的应用如果无线输电技术能够得以成熟应用,可能会引起一场家居革命。将发射端隐藏在天花板上,房间里的各种电气设备便可接收无线电能。杂乱如麻的电线和插板将不复存在,而且一次性非充电电池的使用量也会大为减少,对节约资源和保护环境都非常有利。各大公共场所都会安装无线充电设备,就不会出现没带充电器而不知所措的问题。电车也不必到充电站进行充电,而且也会减少因蓄电池没电而停止运行的情况。4.2医学上的应用目前很多疾病的治疗需要在人体中植入电子设备,比如心脏起搏器等。但如果这些电子设备在运行过程中电能被消耗完,病人再去做手术取出来或是换电池将是一件非常麻烦而且危险的事情。无线输电技术在这方面可以大显身手。利用无线输电技术,不用对病人做手术即可对人体内的电子设备充电,从而延长其使用期限,减少了不必要的麻烦。4.3给难以架设输电线路的地方输送电能在高山、海岛、沙漠等地方架设输电线路是非常困难和危险的,而且日后的线路检修以及故障修复等都障碍重重,将电能以无线的形式输送到这些地方是十分合理的。还有一些用电量比较小的分散的村落,用无线输电可以提高总体的经济效益。长期工作在恶劣环境中的机器人采用无线输电就可以解决其电池电量耗完而停止工作的问题。庞大系统中某些需要单独供电的精密设备,用无线形式对其进行充电,也能避免因给设备换电池带来的繁琐工作。4.4应用于空间太阳能发电空间太阳能发电,即在地球外层空间建立太阳能发电基地,通过微波将电能送回地球。一般有两种方式,一种是太阳能电池把阳光直接转变为电能,另一种是用太阳能聚光镜把阳光聚起来作为热源,类似于热电厂发电。空间太阳能发电站有很多优势,比如,距地球约36000km的轨道上的太阳能约为地球上的1.4倍,而且其发电没有昼夜交替的问题,一天24h可以持续发电。日本拟于2020年建造试验型太阳能发电站SPS2000,2050年进入规模运行。五、结束语随着无线输电技术的不断发展与成熟，不但使人们未来生活有望摆脱手机、相机、笔记本电脑等移动设备电源线的束缚，享受由机场、车站、洒店等多种场所提供的无线电力，还可用于一些特殊场合。从长远来看，该技术具有潜在的广泛应用前景。但是，每一种无线传输方式都有一系列关键问题需要解决。如电能传输能量大小及效率问题，能量传输所产生的电磁波是否对人体健康带来危害等等。就目前的研究状况而论，该项技术还处于探索阶段，有待进一步研究和开发。参考文献：1.长沙理工大学电气与信息工程学院，赵相涛，《无线输电技术研究现状及应用前景》。2.华北电力大学电气与电子工程学院，张宇等，《无线输电基本原理及应用研究》3.王秩雄,胡劲蕾,梁俊,等.《无线输电技术的应用前景》.空军工程大学学报,2003,4,1.4.王挺,王秩雄.《快回旋电子束吸收微波能量过程的分析与计算》.微波学报,2005,21(增刊).5.太原科技大学电子信息工程学院，宋显锦等，《无线电能传输的发展历史与应用现状》。Ps：本文只是对无线输电技术的初步探究，在下一次的论文中，我们小组将对无线输电技术存在的问题，材料使用进行探究，也会亲自制作无线充电的装置，并会附图，谢谢老师。