淺議中程距離無線輸電的實現方法

摘 要：無線輸電方式是現代電力輸送過程之中十分重要的輸電方式，對于提高電能輸送效率，減少電力輸送過程中的能源損耗有著十分重要的價值和意義，中程距離無線輸電方式是無線輸電中核心組成部分，引起了人們廣泛的關注，本文正是基于這種情況對中程距離無線輸電的實現方法進行了論述，希望可以對我國中程距離無線輸電方式的發展起到一定的啟發作用。

關鍵詞：輸電；無線輸電；實現方法

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 12-0000-02

隨著現代社會的不斷發展與進步，人們對于電的依賴程度在逐步的增加，正是由于這種情況越來越多的人開始了積極對電力的輸送進行研究，尤其是近幾年來，對于電力輸送的研究可以說是日新月異。在電力輸送研究過程之中最為熱門的方面就是無線輸電方式，這種方式在實際的電力輸送進行過程受環境影響較小，不用架設電線，節省了大量的人力與物力，因此受到了人們廣泛的關注，并對其進行了系統的研究。中程無線輸電是無線輸電過程中較為先進和實用的輸電方式，本文正是基于中程距離輸電方法的實現方法與途徑進行了有效的研究，希望為促進中程距離無線輸電的發展帶來積極的意義和價值。

一、中程無線輸電的技術原理

中程無線輸電方案的基本原理是電磁共振耦合理論，最早是由Powercast公司提出的，其基本原理是一種電磁波線圈技術，應用非輻射磁場進行的高效無線傳輸方式。中程無線輸電技術中中程距離的定義為感應線圈半徑8倍距離，這是中程無線輸電的最遠距離，如果電力傳輸的距離超出了這個限制，就會由于感應磁場強度較低，造成接受線圈無法準確高效的接受相應的電能。

具體而言，中程無線輸電技術的整個裝置主要包括兩個線圈，一般這種線圈都是由銅制成的，每一個線圈都是一個相對獨立的自振系統。但是這兩個線圈在實際的工作之中各有分工。其中一個作為放射裝置，另一個則為接收裝置。發射裝置與電源相連，也就是和傳統的能量源相連，改線圈的主要功能是在其周圍形成一個非輻射磁場，通過這種方式實現電能向場能的轉換；另一個線圈的自振蕩頻率，主要作用是接受相應的電能，當然接收的就是非磁場輻射的能量，實現場能向電能的轉換，中程無線輸電技術的基本原理就是這樣。

二、無線輸電的分類

無線輸電的研究相對較早，其歷史可以追溯到上世紀初期，當時的主要研究者為Nicola Tesla。經過一個多世紀的不斷研究與發展，現階段無線輸電的主要類型有三種：

（一）電磁波無線輸電

短距離無線輸電是最早產生的無線輸電方式，該方式主要的借助電磁波來進行電能傳播的，其主要的實現形式為電磁場。由于電磁場本身對能量就具有損耗，因此這中無線輸電方式在實際的傳輸過程之中存在傳播距離短，能量損耗大的弱點。但是，這種無線傳輸方式無源通信等方面卻有著獨特的功能，近些年，其主要的應用方向為無源RFID卡等。

（二）微波、激光無線輸電

微波與激光在進行無線輸電的過程中存在一個很大的有點就是方向性很強，另一個特點就是傳輸能量相對較為集中，在實際傳輸過程之中對于發射源的功率要求較小，即使很小的發射源也能實現這種無線輸電的實現。目前已廣泛應用于微波爐、氣象雷達、導航和移動通信等。

（三）非輻射性諧振“磁耦合”等形式中程傳輸

這種無線電能輸送方式就是傳統的中程傳輸，這種無線電能傳輸方式的主要特點為傳輸距離較遠，能耗較低，尤其是近幾年來，隨著無線輸電技術的不斷發展與進步，人們在針對手機、筆記本等小型用電產品的同時也在積極拓展其他領域，其中較為熱門的領域就是醫療用具的輸電問題，該方向已經成為現代電力無線傳輸的主要研究與發展方向。如果可以將這種無線中程傳輸技術進一步的挖掘和開發必將促進人類社會的極大進步。比如人造衛星、航天器之間的能量傳輸等，在太空的太陽光線沒有地球大氣層的影響，輻射能量十分穩定，是“取之不盡”的潔凈能源。如果在靜止軌道上建設太陽能電站，一年有99%的時間是白天，其利用效率比在地面上要高出6倍～15倍。隨著全球環境污染和能源短缺問題日趨緊張，向太空要能源的需求愈發迫切。

三、中程無線輸電的方案實現

電磁感應的基礎理論和基本原理對于無線輸電方案的實現有著十分重要的意義和價值，在實際的中程無線輸電方案實現中最為基礎的的支撐原理為畢奧–薩伐爾定律：回路電流產生的磁感應強度與回路電流I成正比，故穿過回路的磁通也與回路電流I成正比；而磁通量的變化率和感應電勢成正比，所以回路電流的變化率直接影響感應電勢。

（一）諧振線圈

諧振線圈是中程距離無線輸電的發射裝置，這種線圈的半徑決定了非輻射磁場的輻射能力，從而控制了有效磁耦合的發生半徑。在實際的諧振線圈的選擇與工作之中應該盡可能的提高電路的耦合度，為了實現該目標，我們通常是在傳輸線圈兩端直接用市電通過整流穩壓得到的高壓直流電源，同時使用多管驅動，這種方式有效的提高了電路的耦合度，有效的提高了無線傳輸電能的效率。

在驅動信號的頻率這方面，Powercast公司的電力傳輸研究結果表明只有當頻率為900MHz左右時接收到的能量最強；在實際運用過程中，高的頻率對電路、器件要求太高，所以一般10MHz的震蕩頻率比較合適；在位置上，兩個振子的中軸線盡可能在同一條直線上，這樣次耦合系數更高。

（二）線圈有效長度

線圈的長度對于電力傳輸的效率有著十分明顯的影響，研究表明，當線圈的有效長度接近其工作頻率半波（1/2波長）的正整數倍時，這時候的線圈效率相對最高，實現最佳的輸電功率，進一步的實驗表明當這個倍數增加時，線圈的效率還會進一步提高，但波長數（傳輸線圈長度）的增加與效率的提高不是成正比關系。環型線圈的直徑增加時，線圈效率會提高，環型線圈的圈數增加時，線圈的效率也會進一步提高。

在電路中，線圈上的電壓和電流會隨電路負載的變化而變化，為此電路使用基本的補償拓中的電容串聯補償電路，有效的補償了繞組上的電壓，從而降低了電源的電壓定額；同時要實現傳輸電路的諧振，就要使傳輸電的阻抗顯純電阻性，對于串聯的電路有Z=R+JWL-J1/WC，當JWL-J1/WC=0才會發生諧振，對于感性線圈的傳輸電路來說，當補償電容C取值滿足與電感在系統工作頻率處諧振時，傳輸網絡感納與容納抵消，為純電導，從而盡可能的提高能量的傳輸效率。

（三）接收電力的設計與實現

接收電路是整個中程距離無線輸電的最后環節，也是十分關鍵的環節。接收裝置主要依靠接收線圈完成，在接收電路之中主要是應用變化的磁場轉化為變化的電廠，閉合接收線圈的磁通量發生變化之后便會再回路之中產生感應電動勢，繼而產生電流，從而實現電能的接收，完成無線輸電過程。在接收設備與負載之間經常會連接電容并聯補償電路，有效的補償了繞組中的電流，從而穩定了電源的電流額定值。

四、結束語

中程距離無線輸電具有傳輸方便，能耗較低，施工簡單等特點，是電力輸送過程的一項革命，對于現代電力輸送有著十分重大的意義和價值，引起了人們廣泛的關注與重視。在實際的電力輸送過程之中應用充分注重這種方式的應用與實現，促進現代電力輸送工作的發展，降低電力輸送過程中的能源損耗。

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[作者簡介]趙志剛（1979.11-），男，山東濟南人，碩士，助理工程師，研究方向：計算機語言實驗室。