[科普中国]-无线电能传输

背景

近年来,一些便携式电器如笔记本电脑、手机、音乐播放器等移动设备都需要电池和充电。电源电线频繁地拔插，既不安全，也不美观可靠，且容易磨损。一些充电器、电线、插座标准也并不完全统一,这样既造成了浪费,也形成了对环境的污染。

而在特殊场合下,譬如矿井和石油开采中,传统输电方式在安全上存在隐患。孤立的岛屿、工作于山头的基站,很困难采用架设电线的传统配电方式。在上述情形下,无线输电便愈发显得重要和迫切,因而它被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。在无线输电方面,我国目前的研究起步较晚，但发展较快。2

分类根据能量传输过程中中继能量形式的不同，无线电能传输可分为：磁（场）耦合式、电（场）耦合式、电磁辐射式（如太阳辐射）、机械波耦合式（超声）。其中，磁耦合式是目前（21世纪初）研究最为火热的一种无线电能传输方式，也就是将高频电源加载到发射线圈，使发射线圈在电源激励下产生高频磁场，接收线圈在此高频磁场作用下，耦合产生电流，实现无线电能传输。1

发展历程最早产生无线输能设想的是尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla) ,因而有人称之为无线电能传输之父。3

1890年,特斯拉就做了无线电能传输试验。特斯拉构想的无线电能传输方法是把地球作为内导体,把地球电离层作为外导体,通过放大发射机以径向电磁波振荡模式,在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振,利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。最终因财力不足,特斯拉的大胆构想没能实现。其后,古博(Goubau) 、施瓦固( Sohweing)等人从理论上推算了自由空间波束导波可达到近100%的传输效率,并随后在反射波束导波系统上得到了验证。

20世纪20年代中期,日本的H. Yagi和S. Uda发明了可用于无线电能传输的定向天线,又称为八木- 宇田天线。

20世纪60年代初期雷声公司(Raytheon)的布朗(W. C. Brown)做了大量的无线电能传输研究工作,从而奠定了无线电能传输的实验基础,使这一概念变成了现实。在实验中设计了一种效率高、结构简单的半波电偶极子半导体二极管整流天线,将频率2. 45GHz的微波能量转换为了直流电。

1977年在实验中使用GaAs - Pt肖特基势垒二极管,用铝条构造半波电偶极子和传输线,输入微波的功率为8W,获得了90. 6%的微波———直流电整流效率。后来改用印刷薄膜,在频率2. 45 GHz时效率达到了85%。

自从Brown实验获得成功以后,人们开始对无线电能传输技术产生了兴趣。

1975年,在美国宇航局的支持下,开始了无线电能传输地面实验的5a计划。喷气发动机实验室和Lewis科研中心曾将30 kW的微波无线输送1. 6 km,微波———直流的转换效率达83 %。

在20世纪90年代，新西兰奥克兰大学john Boys教授对电磁耦合感应无线电能传输系统进行了大量理论、建模、控制方面的研究，开启了无线电能传输技术研究的热潮。

1998年, 5.8GHz印刷电偶极子整流天线阵转换效率为82%。前苏联在无线电能传输方面也进行了大量的研究。莫斯科大学与微波公司合作,研制出了一系列无线电能传输器件,其中包括无线电能传输的关键器件———快回旋电子束波微波整流器。

近几年,无线电能传输发展更是迅速。Wildcharge 、Powercast、Sp lashPower、东京大学,相继开发出非接触式充电器。

MIT在2007年6月宣布,利用电磁共振成功地点亮了一个离电源约2m远的60W电灯泡,这项技术被称为WiTricity。该研究小组在实验中使用了两个直径为50 cm的铜线圈,通过调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振,从而成功点亮了距离电力发射端2 m以外的一盏60W灯泡。2

在中国，无线电能传输技术研究起步较晚，始于2002年左右，虽然起步较晚，但是无线电能传输技术的理论研究和产业化发展较快。香港城市科技大学、重庆大学、东南大学、哈尔滨工业大学、天津工业大学、中国矿业大学、华南理工大学、南京航空航天大学均对此有研究。

传输原理现在已经问世的无线供电技术，根据其电能传输原理，大致上可以分为三类：

第一类是非接触式充电技术所采用的电磁感应原理，这种非接触式充电技术在许多便携式终端里应用日益广泛。这种类型中，将两个线圈放置于邻近位置上，当电流在一个线圈中流动时，所产生的磁通量成为媒介，导致另一个线圈中也产生电动势。4

理论和经验都表明:当原边电流频率、幅值越高,原、副边距离越小,与空气相比,磁心周围介质的相对磁导率越大时,可分离式变压器的传输效率越高。但实际应用当中原副边距离不可能无限小,必须对原副边采取相应的补偿措施。

第二类是最接近实际应用的一种技术，它直接应用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理。微波输能,就是将微波聚焦后定向发射出去,在接收端通过整流天线( rect2enna)把接收到的微波能量转化为直流电能。

这和100年前的收音机原理基本相同：直接在整流电路中将电波的交流波形变换成直流后加以利用，但不使用放大电路等。同以前相比，这种技术的效率得到提高，并正在推动厂商将其投入实际应用。

第三类是利用电磁场的谐振方法。谐振技术在电子领域应用广泛，但是，在供电技术中应用的不是电磁波或者电流，而只是利用电场或者磁场。2006 年11月，美国麻省理工学院(MIT)物理系助理教授Marin Soljacic的研究小组全球首次宣布了将电场或者磁场应用于供电技术的可能性。2

研究方向我国东西部经济发展的差距日益扩大,资源分布不平衡的矛盾日益突出。一些边远山区、牧区、高原、海岛,人口稀少,居住分散,交通不便,经济落后,那儿缺乏常规能源,又远离大电网,严重影响当地经济发展。这种情况下,利用微波输能技术,可以解决电网的死角。输电工程最关心的是效率和经济性。无线电能传输的效率取决于微波源的效率、发射/接收天线的效率和微波整流器的效率;其经济性如何,依赖于所用频段的微波元器件的价格与有线输电系统所用器材价格的比较,也与具体的输电网络的参数有关系。2

除了关心经济和效率以外,还要对大功率微波对环境和身体健康可能造成的影响进行研究,需保证如下方面:

(1) 传输微波能流密度不能对电离层产生明显扰动;

(2) 必须保证不干扰日常通信;

(3) 地面整流接收站不能对飞机等交通工具及周围的生物体(如鸟类、居民等)产生不良作用。5