無線輸電基本原理及應用研究

摘 要:文章對基于電磁感應、諧振、磁耦合共振和微波四種基本原理的無線輸電技術進行了介紹和分析，展望了其在生活、醫學、偏遠地區供電、軍事以及太陽能空間發電站等多種特殊場合的應用，用數據說明了無線輸電存在的傳輸效率低等亟待解決的問題。雖然無線輸電的普及應用目前受到各方面因素的限制，但其仍然具有廣闊的發展前景。

關鍵詞:無線輸電 磁耦合共振 微波 空間太陽能發電站 傳輸效率

中圖分類號:TM724 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(c)-0132-02

電能的輸送是電力系統中發電和用電的中間環節，目前比較成熟的輸電方式有交流輸電和傳統的高壓直流輸電。無線輸電作為一種特殊的輸電方式，利用無線電傳輸電力能量，相對于傳統的輸電在特定的場合有其突出的優勢，發展前景十分美好。

1 無線輸電基本原理

無線輸電技術根據其應用場合的變化有不同的原理，技術方案也不盡相同。

1.1 電磁感應原理

此原理與電力系統中常用的變壓器原理類似。在變壓器的原邊通入交變電流，副邊會由于電磁感應原理感應出電動勢，若副邊電路連通，即可出現感應電流，其方向的確定遵從楞次定律，大小可由麥克斯韋電磁理論解出。電力系統中的電壓、電流互感器也是采用了類似的原理。相對于無線輸電而言，變壓器的原邊相當于電能發射線圈，副邊相當于電能接收線圈，這樣就可以實現電能從發射線圈到接收線圈的無線傳輸。

雖然電磁感應原理在電力系統中應用的初衷并不側重于電能的傳輸，而是利用能量的轉化改變電壓、電流的數量級，但其對無線輸電確實產生了一定的啟發作用，尤其是電能的小功率、短距離傳送。目前使用電磁感應傳遞電能的主要有電動牙刷，以及手機、相機、MP3等小型便攜式電子設備，由充電底座對其進行無線充電。電能發射線圈安裝在充電底座內，接收線圈則安裝在電子設備中。這種原理的無線輸電方式市場上已經存在[1]。

1.2 諧振式無線輸電

這種無線輸電方式與無線通信原理有點類似，其發送端諧振回路的電磁波全方位開放式彌漫于整個空間，在接收端回路諧振在該特定的頻率上，從而實現能量的傳遞[3]。這種輸電方式在接收端輸出功率比較小時可以得到較高的傳輸效率。但其存在電磁輻射，傳輸功率越大，距離越遠，效率越低，輻射就越嚴重。因此這種方式也是只適用于小功率、短距離的場合。

1.3 磁耦合共振原理

這種方式需要發射和接收兩個共振系統，可分別由感應線圈制成。通過調整發射頻率使發射端以某一頻率振動，其產生的不是彌漫于各處的普通電磁波，而是一種非輻射磁場，即把電能轉換成磁場，在兩個線圈間形成一種能量通道。接收端的固有頻率與發射端頻率相同，因而發生了共振。隨著每一次共振，接收端感應器中會有更多的電壓產生。經過產生多次共振，感應器表面就會集聚足夠的能量，這樣接收端在此非輻射磁場中接收能量，從而完成了磁能到電能的轉換，實現了電能的無線傳輸。未被接收的能量被發射端重新吸收。這種非輻射電磁場的范圍比較有限，不適用于長距離，要求發射端與接收端在感應線圈半徑的8倍的距離之內[1]。

2007年，以美國麻省理工學院物理學家Marin Soljacic為首的研究小組利用此原理，以兩個直徑60cm的銅線感應線圈作為共振器，一個與電源相連，作為發射器，另一個與臺燈相連，作為接收器。他們成功把一盞距發射器2.13m開外的60W燈泡點亮。從而在實驗上說明了此原理的可行性。

1.4 微波無線輸電

前幾種無線輸電方式適用的距離、傳輸的功率都比較小，要想實現長距離、大功率的電能無線傳輸，則可采用微波或激光的傳輸方式。由于微波或激光的波長比較短，故其定向性好，彌散小，可用于實現電能的遠程傳輸。這種傳輸系統由電源、電磁波發生器、發射天線、接收天線、高頻電磁波整流器、變電設備和有線電網組成，其大致流程如下。

電源→電磁波發生器→發射天線→

接收天線→整流器→變電→有線電網

電磁波發生器是微波源或激光器，把電源傳送的電能轉變為大功率、高頻的電磁波，饋送給發射天線。發射天線將電磁波發送出去。接收天線收集電磁波的能量并輸入高頻電磁波整流器，產生的高壓直流電經逆變后送入有線電網。

整流器是無線輸電的關鍵器件。適用于大功率、高電壓的是回旋波微波整流器，而小功率、低電壓的是半導體微波整流器。兩者單管的整流效率均接近85%[4]?；匦ㄎ⒉ㄕ髌鞯幕驹硎强旎匦娮邮ㄔ谥C振腔中共振吸收微波能量，其本質上是直流電源，負載過載時一般能夠快速自我保護，并在過載消失時能快速自動恢復正常工作。在使用中，輸入微波頻率、諧振腔頻率和回旋頻率三者應盡可能接近。對于半導體微波整流器可使用肖特基二極管整流器。

微波接收整流天線可使用微帶貼片天線，其重量輕，體積小，接收面積大，很容易實現極化形式以及設計和加工，適合于微波飛機、高空平臺、軌道輸電等對天線質量要求嚴格的場合，但其需要鉆孔。還有幾種具有平行結構的共面帶線整流天線，避免了鉆孔，但其接收面積小，增益低，系統接收功率有限。目前我國有人設計了一種新型5.8GHz混合結構的接收整流天線，兼備兩種天線的優點，便于大規模推廣。

2 無線輸電應用展望

在一些特殊場合，無線輸電技術可以大顯神通，從普通生活常用電子設備到宇宙空間，無線輸電的應用前景十分廣闊。

2.1 在日常生活中的應用

如果無線輸電技術能夠得以成熟應用，可能會引起一場家居革命。將發射端隱藏在天花板上，房間里的各種電氣設備便可接收無線電能。雜亂如麻的電線和插板將不復存在，而且一次性非充電電池的使用量也會大為減少，對節約資源和保護環境都非常有利。各大公共場所都會安裝無線充電設備，就不會出現沒帶充電器而不知所措的問題。電車也不必到充電站進行充電，而且也會減少因蓄電池沒電而停止運行的情況。

2.2 醫學上的應用

目前很多疾病的治療需要在人體中植入電子設備，比如心臟起搏器等。但如果這些電子設備在運行過程中電能被消耗完，病人再去做手術取出來或是換電池將是一件非常麻煩而且危險的事情。無線輸電技術在這方面可以大顯身手。利用無線輸電技術，不用對病人做手術即可對人體內的電子設備充電，從而延長其使用期限，減少了不必要的麻煩。

2.3 給難以架設輸電線路的地方輸送電能

在高山、海島、沙漠等地方架設輸電線路是非常困難和危險的，而且日后的線路檢修以及故障修復等都障礙重重，將電能以無線的形式輸送到這些地方是十分合理的。還有一些用電量比較小的分散的村落，用無線輸電可以提高總體的經濟效益。長期工作在惡劣環境中的機器人采用無線輸電就可以解決其電池電量耗完而停止工作的問題。龐大系統中某些需要單獨供電的精密設備，用無線形式對其進行充電，也能避免因給設備換電池帶來的繁瑣工作。

2.4 應用于空間太陽能發電

空間太陽能發電，即在地球外層空間建立太陽能發電基地，通過微波將電能送回地球。一般有兩種方式，一種是太陽能電池把陽光直接轉變為電能，另一種是用太陽能聚光鏡把陽光聚起來作為熱源，類似于熱電廠發電?？臻g太陽能發電站有很多優勢，比如，距地球約36000km的軌道上的太陽能約為地球上的1.4倍[1]，而且其發電沒有晝夜交替的問題，一天24h可以持續發電。日本擬于2020年建造試驗型太陽能發電站SPS2000，2050年進入規模運行。

3 亟待解決的問題

種種無線輸電方式，都有其自身的局限性以及需要解決的技術問題。其中無線輸電的傳輸效率以及裝置投入運行的可行性是非常值得研究的課題，尤其是對于微波輸電。有研究表明，將離地面35800km、容量5106kW的衛星太陽能電站的電能送入地面電網，微波發射天線的口徑約為1km，在緯度35°地域安裝的接收天線陣的面積約為10×13km2，其占地面積之廣，在實際中是很難真正投入使用的。如果使用波長10.6的激光器，其發射和接收天線的尺寸分別為31m和31×40.3m2，但是傳輸效率很低，只有18%～30%[4]。如果單單考慮微波輸電器件的效率，在毫米波段，回旋管的實際效率只有40%，在光波波段，陽光直接泵浦的激光器的效率只有20%;如果再考慮傳輸過程中的損耗等其他因素，空間太陽能電站無線傳輸電能的效率將會更低，這也成為限制其應用的一個主要問題。另外，微波發射裝置的姿態控制、宇宙空間中射線、隕石、航天垃圾以及為確保故障時安全的保安系統等都是需要解決的技術問題。

除此之外，電力公司的收費和計費也需要更先進的裝置來解決。無線輸電彌漫在空間中的磁場對人的身體健康是否存在潛在威脅也需要嚴格論證。

4 最新動態

2003年，歐盟在非洲的留尼汪島建造了一座10萬千瓦的試驗型微波輸電裝置并已向當地村莊送電。

2010年，海爾在CES(國際消費電子產品展)上展出了無線供電的高清電視，其原理是美國無線電力公司的電磁耦合共振技術，最遠供電距離達到線圈直徑的3～5倍。

另外，俄羅斯、美國、法國和日本正在進行著從空間站向地面傳輸電能的試驗。

我國進行無線輸電方面研究的主要有由空軍工程大學王秩雄博士為首的研究小組，其對回旋波微波整流器、肖特基二極管等器件有比較全面的研究。另外，中科院電工研究所的鄧紅雷博士對接收整流天線有一定探索。

5 結語

無線輸電作為一種特殊的輸電方式，在某些必要的場合能夠發揮其無可比擬的優勢?；陔姶鸥袘⒅C振和磁耦合共振原理的無線輸電技術可用于小功率、短距離的電能傳送，而且其對傳輸效率的要求不是很高，即使效率很低也能實現其功能，因而其應用較廣，發展也較快，從普通的電子設備如MP3、手機到電視、筆記本電腦、人體植入儀器等。而對于大功率、遠距離傳送電能的微波或激光輸電來說，傳輸效率是其必須要考慮的重要因素，但是目前由于受到器材、技術以及資金等多方面因素的限制，傳輸效率很低，通常在20%以內。如此大的能量損耗及浪費無疑與傳輸電能的初衷背道而馳，因此設法提高大功率無線輸電傳輸效率是很有前景的一個研究課題，其對于電力行業的發展以及改善目前全球面臨的資源短缺問題都有十分重要的意義。

無線輸電難度大，技術要求高，距離是關鍵，效率是問題，但隨著人類科學技術的不斷進步，其傳輸的效率將會越來越大，成本也會逐漸降低，從而使其在一些特殊場合具有無可比擬的優勢，而且這一技術一旦普及，會給人們的生活帶來極大便利?？傊?，從長遠來看，無線輸電技術具有非常大的潛在應用價值。

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