無線輸電技術發展及應用

張翼

(江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103)

從2007年美國麻省理工學院成功完成無線電力傳輸實驗開始，人類更加深刻地認識到了無線輸電已不再是夢想。無線輸電這項前沿技術被認為是今后電力科技的發展方向，必將帶來人類生活和生產方式的重大變革，有著巨大的市場和發展前景。其中一個重要應用領域是電動汽車無線充電，短期內，靜態無線充電技術有望應用于泊車自動充電。從長期來說，動態無線充電可以為電動汽車在行駛途中進行充電，使得電動汽車可以邊行駛邊充電。這將從根本上解決電動汽車充電難題，加速電動汽車普及。另外無線輸電技術還有許多其他應用領域，如家用電器、工業機器人、醫療器械、航空航天、油田礦井、水下作業、無線傳感器網絡及RFID等方面。

1 國內外無線輸電技術研究現狀

1.1 國外研究現狀

19世紀末被譽為“迎來電力時代的天才”的尼古拉·特斯拉，在電氣與無線電技術方面做出了突出貢獻，他也曾致力于研究無線傳輸信號及能量的可能性，早在1899年，特斯拉在紐約長島建造了無線電能發射塔（沃登克里弗塔），設想利用地球本身和大氣電離層為導體來實現大功率長距離的無線電能傳輸，該塔矗立在紐約長島的特斯拉無線電力傳輸實驗室內，塔高57 m，球形塔頂直徑為21 m[1]。特斯拉想用它來實現全球無線電力傳輸，可惜由于資金缺乏，這個塔最終并未建成。

2001年5月，國際無線電力傳輸技術會議在法屬留尼汪島召開期間，法國國家科學研究中心的皮格努萊特，利用微波無線傳輸電能點亮40 m外一個200 W的燈泡。其后，2003年在島上建造的10 kW試驗型微波輸電裝置，已開始以2.45 GHz頻率向接近l km的格朗巴桑村進行點對點無線供電[2]。

2007年6月，美國麻省理工學院宣布利用電磁共振技術成功地點亮了一個離電源約2 m遠的60 W電燈泡，該研究小組在實驗中使用了2個直徑為60 cm的銅線圈，銅線半徑為3 mm，通過調整發射頻率使2個線圈在10.56±0.3 MHz產生共振，效率達到40%[3]。該項技術的發布引起了世界范圍內諧振耦合式無線輸電裝置的研發熱潮。

2008年9月，北美電力研討會發布的論文顯示，美國內華達州雷電實驗室的G.E.Leyh等繼承了Tesla的衣缽，成功研制電場耦合諧振無線能量傳輸實驗裝置，利用2個空心變壓器作為無線能量傳輸的發射與接收端，變壓器與電極連接，成功地將800 W電力用無線的方式傳輸到5 m遠的距離[4]。在日本，“非接觸充電”方式的巴士已于2008年2月在羽田機場、2009年10月在奈良分別進行了試行駛。供電線圈埋入充電臺的混凝土中，汽車駛上充電臺，將車載線圈對準供電線圈就能開始充電。充電方式采用了基于電磁感應的方式。

2012年，美國斯坦福大學首次提出了“駕駛充電”這一概念，為電動汽車充電提出了新的解決方案，這意味著電動汽車可以不必停下來充電而無限地跑下去。據項目組人員介紹，“當你到達目的地時，可能電池里的電比你出發時還要多。”，斯坦福大學正在設計的無線充電系統有望解決電動汽車接線充電的難題，其長期目標是開發出一種全電動高速公路，能給行駛在路面上的汽車和貨車無線充電，只要在路面下每隔幾英尺埋一段金屬線圈，就能利用磁場以無線方式傳輸大量電力。

1.2 國內研究現狀

國內在無線輸電技術方面研究還處于起步階段，主要進行一些基礎性研究工作，還未曾開展大規模的研究。哈爾濱工業大學朱春波教授采用直徑50 cm螺旋銅線圈串接電容的方式構成諧振器，實現在0.7 m距離傳輸23 W的能量，在傳輸距離為55 cm時負載電壓獲得最大值，其最高傳輸效率接近50%。重慶大學自動化學院孫躍教授帶領的課題組，攻克了無線電力傳輸的關鍵技術難題，建立了完整的理論體系，研制出的無線電能傳輸裝置能夠輸出600 W到1 000 W的電能，傳輸效率為70%，并且能夠向多個用電設備同時供電，即使用電設備頻繁增加，也不會影響其供電的穩定性。香港理工大學傅為農教授帶領的課題組對感應耦合無線電能傳輸技術和磁諧振耦合無線電能傳輸技術進行了深入研究，并對2種無線輸電方式進行了比較。他們采用平面薄膜諧振器，實驗中，在發射諧振器和接收諧振器相距20 cm時，傳輸效率為46%，諧振頻率為5.5 MHz。華南理工大學張波教授帶領的課題組從電路角度分析諧振耦合無線輸電系統傳輸效率與距離、線圈尺寸等之間的關系，設計制作了多種不同線圈參數的諧振耦合無線輸電裝置，進行比較實驗，以實現系統優化目標，設計頻率跟蹤系統，解決了由于諧振效率失諧帶來的傳輸效率低下問題。另外，南京航空航天大學航天電源實驗室也對電動汽車的無線能量傳輸技術的幾種模式進行了研究。

2 無線輸電技術簡介

無線電力傳輸是一種無需通過插座和電線提供電能的技術。根據無線輸電在空間不同的傳輸距離，有3種基本的傳輸形式：電磁感應短程傳輸、電磁耦合共振中程傳輸和微波激光遠程傳輸。

2.1 電磁感應

利用電磁感應可以進行短程的電力傳輸，其基本工作原理如圖1所示，發射線圈L1和接收線圈L2之間利用磁耦合來傳遞能量。根據電磁感應原理，若在線圈L1中通以交變電流，該電流將在周圍介質中產生一個交變磁場，線圈L2中將產生感應電動勢，可供電給外部用電設備。

圖1 電磁耦合電力傳輸系統原理

最早使用電磁感應原理傳輸能量的是電動牙刷。由于經常和水接觸，直接充電比較危險，所以電動牙刷一般使用的是感應式充電。發射線圈位于充電底座，接收線圈在牙刷內部，整個電路消耗的功率約3 W。目前該技術可用于多種電子產品，如對手機、相機、MP3等進行無線充電，由于充電墊產生的磁場很弱，所以不會對附近的信用卡、錄像帶等利用磁性記錄數據的物品造成不良影響。該解決方案提供商包括英國Splash power、美國wild Charge等公司。這種接觸式無線電力傳輸方式的優點是制造成本較低、結構簡單、技術可靠，但是傳輸功率較小、傳送距離短，一般只適用于為小型便攜式電子設備供電[4]。

2.2 電磁耦合共振

基于電磁共振耦合原理的整個裝置必須包含2個線圈，每一個線圈都是一個自振系統。其中一個是發射裝置，與能量源相連，它利用振蕩器產生高頻振蕩電流，通過發射線圈向外發射電磁波，在周圍形成了一個非輻射磁場，即將電能轉換成磁場；當接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時，接收電路中產生的振蕩電流最強，完成磁場到電能的轉換，從而實現電能的高效傳輸。在日本，2009年8月長野日本無線也宣布開發出基于磁共振的送電系統，如圖2所示。當送電受電部之間的傳輸距離為40 cm時，傳輸的效率達到了95%。

圖2 基于磁共振的電力傳輸系統

在美國舉行的2010年國際消費電子產品展（CES）上，海爾展出了利用無線供電技術的高清電視，該電視采用美國無線電力公司（Witricity）的電磁共振耦合技術，電視的背面內置有約1英尺（30.48 cm）的線圈，可在距離1 m之外的地方供應100 W的電力。可供電的距離取決于線圈的大小，最遠能以線圈直徑的3至5倍距離供電。另外，Powercast，Fulton，Visteon等公司也利用該技術為手機、MP3、汽車配件、體溫表、助聽器及人體植入儀器、電動汽車等廠商提供無線輸電的解決方案[5]。

2.3 微波/激光

理論上，無線電波波長越短，其定向性越好，彌散越小，所以，可利用微波或激光形式來實現電能的遠程傳輸，這對于新能源的開發和利用，解決未來能源短缺等問題也有著重要意義。因此，許多國家都沒有放棄這方面的研究。1968年美國學者Glaser提出了無線傳輸空間利用太陽能的“Powerbeaming”的概念，利用電磁波接收裝置將太陽能轉換成電能[6]。1979年，美國航空航天局NASA和美國能源部聯合提出太陽能計劃，建立 “SPS太陽能衛星基準系統”，SPS（Solar Power satellite）是太陽能發電衛星，處在地球約36 000 km的靜止軌道上，那里太陽的能量約為地球上的1.4倍。據預測，一個SPS所裝載的太陽電池的直流輸出功率為10 GW，電池輸出的電力通過振蕩器變換成微波電力，從送電的天線向地球表面以微波（2.45 GHz）形式無線送電。地球上的接收天線由半波長的偶極天線、整流二極管、低通濾波器及旁路電容組成，可接收到5 GW的電力[5]。

目前，SPS的建設方法、天線的放射特性、微波發送裝置的姿態控制、宇宙空間的微波傳播特性、為確保故障時安全的保安系統等都是亟待解決的技術問題。日本擬于2020年建造試驗型太空太陽能發電站SPS2000，2050年進入規模運行[6]。

3 結束語

無線電力傳輸作為最前沿的電力傳輸技術，會給人們的生活帶來巨大的便利，并將帶來電力工業的創新和重大變革，具有廣泛的應用前景。未來無線輸電技術有望解決電動汽車充電難題，可以給一些難以架設線路或危險的地區供應電能，并且解決新能源電站的電能輸送問題。目前在國內，無線輸電研究還處于起步階段，應該認清形勢，總結國內外一些已取得的研究成果，在此基礎上開展更為深入的研究工作。

[1]李 照.無線電力傳輸技術的基本原理與應用前景[J].信息技術教學與研究，2011（57）：148-150.

[2]KARALIS A,JOANNOPOULOS J D,SOLJACIC M.Efficient Wireless Non-radiative Mid-range Energy Rransfer[J].Annals of Physics,2008，03(23)：34-48.

[3]LEYH G,KENNAN M.Efficient Wireless Transmission of Power Using Resonators with Coupled Electric Fields[J].Power Symposium,2008.NAPS’08.40th North Amercian.2008 September:1-4.

[4]曾 翔.無線電力傳輸技術研究[J].硅谷，2010（10）：82，162.

[5]GLASER P E.Power From the Sun：Its Future[J].Science，1968(62)：857-861.

[6]松浦虔士.電力傳輸工程[M].曹廣益譯.北京：科學出版社，2001.