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Marin Soljacic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