無線電力傳輸技術(shù)的基本原理與應(yīng)用前景

　 摘 要： 無線電力傳輸是一種傳輸電力的新技術(shù)，它將電力通過電磁耦合、射頻微波、激光等載體進(jìn)行傳輸。這種技術(shù)解除了對于導(dǎo)線的依賴，從而得到更加方便和廣闊的應(yīng)用。本文就無線電力傳輸?shù)陌l(fā)展歷史和基本原理做了一些介紹，并對其未來可能的應(yīng)用做了一些探討。
　　關(guān)鍵詞： 無線電力傳輸技術(shù) 電磁感應(yīng) 射頻 原理與應(yīng)用前景
　　
　　1.引言
　　自17世紀(jì)人類發(fā)現(xiàn)如何發(fā)電后就用金屬電線來四處傳輸電力。時至今日，供電網(wǎng)、高壓線已遍布全球的角角落落。在工作和生活中，越來越多的電器給我們帶來極大便捷的同時，不知不覺各種“理不清”的電源線、數(shù)據(jù)線帶來的困擾也與日俱增。不過，這些年的科技發(fā)展表明，在無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)日益普及之時，科學(xué)家對無線電力傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）的研究也有了很大突破，從某種意義上來講，無線電力傳輸也不再是幻想——在未來的生活中擺脫那些紛亂的電源線已成為可能。
　　2.無線電力傳輸?shù)陌l(fā)展歷史
　　19世紀(jì)末被譽為“迎來電力時代的天才”的名尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）在電氣與無線電技術(shù)方面作出了突出貢獻(xiàn)。他1881年發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場原理，并用于制造感應(yīng)電動機；1888年發(fā)明多相交流傳輸及配電系統(tǒng)；1889—1890年制成赫茲振蕩器；1891年發(fā)明高頻變壓器（特斯拉線圈），現(xiàn)仍廣泛用于無線電、電視機及其他電子設(shè)備。他曾致力于研究無線傳輸信號及能量的可能性，并在1899年演示了不用導(dǎo)線采用高頻電流的電動機，但由于效率低和對安全方面的擔(dān)憂，無線電力傳輸?shù)募夹g(shù)無突破性進(jìn)展［１］。1901—1905年在紐約附近的長島建造Wardenclyffe塔，是一座復(fù)雜的電磁振蕩器，設(shè)想它將能夠把電力輸送到世界上任何一個角落，特斯拉利用此塔實現(xiàn)地球與電離層共振。
　　2001年5月，法國國家科學(xué)研究中心的皮格努萊特，利用微波無線傳輸電能點亮40m外一個200W的燈泡。其后，2003年在島上建造的10kW試驗型微波輸電裝置，已開始以2.45GHz頻率向接近1km的格朗巴桑村進(jìn)行點對點無線供電。
　　2005年，香港城市大學(xué)電子工程學(xué)系教授許樹源成功研制出“無線電池充電平臺”，但其使用時仍然要將產(chǎn)品與充電器接觸。
　　2006年10月，日本展出了無線電力傳輸系統(tǒng)。此系統(tǒng)輸出端電力為7V、400mA，收發(fā)線圈間距為4mm時，輸電效率最大為50%，用于手機快速充電。
　　2007年6月，美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)助理教授馬林·索爾賈�？搜芯繄F(tuán)隊實現(xiàn)了在短距離內(nèi)的無線電力傳輸。他們給一個直徑60厘米的線圈通電，6英尺（約1.83米）之外連接在另一個線圈上的60瓦的燈泡被點亮了。這種馬林稱之為“WiTricity”技術(shù)的原理是“磁耦合共振”。
　　2008年9月，北美電力研討會發(fā)布的論文顯示，他們已經(jīng)在美國內(nèi)華達(dá)州的雷電實驗室成功地將800W電力用無線的方式傳輸?shù)?m遠(yuǎn)的距離。
　　2009年10月，日本奈良市針對充電式混合動力巴士進(jìn)行了無線充電實驗。供電線圈埋入充電臺的混凝土中，汽車駛上充電臺，將車載線圈對準(zhǔn)供電線圈就能開始充電。
　　3.無線電力傳輸?shù)幕�本原�?br />　　3.1電磁感應(yīng)——短程傳輸
　　電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化。電磁感應(yīng)是電磁學(xué)中的基本原理，變壓器就是利用電磁感應(yīng)的基本原理進(jìn)行工作的。利用電磁感應(yīng)進(jìn)行短程電力傳輸?shù)幕�本原理如圖1所示，發(fā)射線圈L1和接收線圈L2之間利用磁耦合來傳遞能量。若線圈L1中通已交變電流，該電流將在周圍介質(zhì)中形成一個交變磁場，線圈L2中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢可供電給移動設(shè)備或者給電池充電。
　　3.2電磁耦合共振——中程傳輸
　　中程無線電力傳輸方式是以電磁波“射頻”或者非輻射性諧振“磁耦合”等形式將電能進(jìn)行傳輸。它基于電磁共振耦合原理，利用非輻射磁場實現(xiàn)電力高效傳輸。在電子學(xué)的理論中，當(dāng)交變電流通過導(dǎo)體，導(dǎo)體的周圍會形成交變的電磁場，稱為電磁波。在電磁波的頻率低于100khz時，電磁波就會被地表吸收，不能形成有效的傳輸，當(dāng)電磁波頻率高于100khz時，電磁波便可以在空氣中傳播，并且經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成較遠(yuǎn)距離傳輸能力，人們把具有較遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻（即：RF）。將電信息源（模擬或者數(shù)字）用高頻電流進(jìn)行調(diào)制（調(diào)幅或者調(diào)頻），形成射頻信號后，經(jīng)過天線發(fā)射到空中；較遠(yuǎn)的距離將射頻信號接收后需要進(jìn)行反調(diào)制，再還原成電信息源，這一過程稱為無線傳輸。中程傳輸是利用電磁波損失小的天線技術(shù)，并借助二極管、非接觸IC卡、無線電子標(biāo)簽，等等，實現(xiàn)效率較高的無線電力傳輸。
　　具體來說，整個裝置包含兩個線圈，每一個線圈都是一個自振系統(tǒng)。其中一個是發(fā)射裝置，與能量相連，它并不向外發(fā)射電磁波，而是利用振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流，通過發(fā)射線圈向外發(fā)射電磁波，在周圍形成一個非輻射磁場，即將電能轉(zhuǎn)化為磁場。當(dāng)接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強，完成磁場到電能的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電能的高效傳輸。圖2是一個典型的利用電磁共振來實現(xiàn)無線電力傳輸?shù)南到y(tǒng)方案。電磁波的頻率越高其向空間輻射的能量就越大，傳輸效率就越高。
　　3.3微波/激光——遠(yuǎn)程傳輸
　　理論上講，無線電波的波長越短，其定向性越好，彌散就越小。所以，可以利用微波或激光形式來實現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳輸，這對于新能源的開發(fā)利用、解決未來能源短缺問題也有著重要意義。1968年，美國工程師彼得格拉提出了空間太陽能發(fā)電（Space Solar Power，SSP）的概念。其構(gòu)想是在地球外層空間建立太能能發(fā)電基地，通過微波將電能送回地球。
　　4.無線電力技術(shù)的應(yīng)用前景
　　無線電力傳輸作為一種先進(jìn)的技術(shù)一般應(yīng)用于特殊的場合，具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　4.1給一些難以架設(shè)線路或危險的地區(qū)供應(yīng)電能
　　高山、森林、沙漠、海島等地的臺站經(jīng)常遇到架設(shè)電力線路困難的問題，而工作在這些地方的邊防哨所、無線電導(dǎo)航臺、衛(wèi)星監(jiān)控站、天文觀測點等需要生活和工作用電，無線輸電可補充電力不足。此外，無線輸電技術(shù)還可以給游牧等分散區(qū)村落無變壓器供電和給用于開采放射性礦物、伐木的機器人供電。