電磁輻射能量轉換和收集技術初探

王雪辰 魯先法 湯磊

摘 要：隨著微電子技術和通信技術飛速發展，電磁輻射充斥了自然空間。針對當前無處不在的具有能量的電磁輻射，探討了一種電磁輻射能量轉換和收集技術，一方面提示人們主動地遠離電磁輻射污染源，另一方面將電磁輻射傳播的能量轉換成有價值的電能，并收集和保存在超能存儲器中，使之變廢為寶。

關鍵詞：電磁輻射；能量轉換；能量收集；能量存儲

引言

電場和磁場的交互變化產生電磁波，電磁波向空中發射或泄露的現象，叫電磁輻射。電磁輻射由自然電磁輻射源和人為電磁輻射源組成，其中自然界電磁輻射源包括雷電、太陽黑子活動和宇宙射線等；人類社會形成的電磁輻射源則包括電腦、電視、音響、微波爐、電冰箱、手機、傳真機、通訊站、高壓電線、電動機、航空、電氣鐵路、廣播、電視發射臺、移動通信基站、雷達系統、電力產業的機房、衛星地面工作站、調度指揮中心等。電磁輻射覆蓋了所有頻段，幾乎無處不在，且電磁波在傳播時有一個電場和磁場分量的振蕩，分別在兩個相互垂直的方向傳播能量，具有能量的電磁輻射充斥整個宇宙空間。這種電磁輻射能量積累到一定的程度，將會對人體造成永久不可逆的傷害。

因此，設計一個能夠將電磁輻射變廢為寶的能量轉換和收集裝置顯得尤為迫切和重要，一方面可警示人們主動地遠離電磁輻射源，另一方面使具有巨大累積能量的電磁輻射能夠為社會服務。

關于將自然界中存在的能量進行轉換和存儲的文獻、專利和應用多見于風能轉換、太陽能轉換和機車類等能量回收。目前尚未見將電磁輻射能量進行轉換和存儲的相關文獻，因此，展開該技術的研究和探索具有極為重要的意義和價值。

1 系統模型

1.1 電磁輻射的特點

在復雜電磁環境下，通常在某一接收感應點會聚集各個頻段各種能量的空中無線信號，包括直達波、發射波和繞射波等。系統模型如圖1所示。

圖1 電磁輻射模型

雖然電磁信號在傳播時存在著能量損耗，如自由空間損耗公式為：

（1）

其中f單位為MHz；d的單位為千米。考慮城區應用模型，則損耗公式為：

（2）

其中L50為傳播路徑損耗值的50%（即中值）；Amu（f，d）為自由空間中值損耗；G（hte）為發射站天線高度增益因子；G（hre）為接收天線高度增益因子；GAREA為環境類型的增益。

如果f取1000MHz，d取1千米，則LS為92.45dB，可見電磁信號空中傳播雖然存在一定的衰減，但由于信號眾多，空間仍然具有極大的電磁波能量。

由此可見，完全有必要展開電磁能量感應、轉換、收集和存儲技術的研究。

1.2 系統架構

針對電磁輻射的特點，設計了圖2所示的電磁輻射能量轉換和存儲電路。

圖2 電磁輻射能量轉換和收集存儲電路

整個電路包括天線、無源能量轉換和存儲電路、能量指示電路、開關電路以及充電電路。電路中的天線用以感應和接收空中的電磁輻射波。無源能量轉換和存儲電路由電磁感應轉換模塊和能量存儲模塊兩部分組成，電磁感應轉換模塊可根據實際需求采用寬帶化射頻接收通道設計，首先電磁感應轉換模塊將天線感應的電信號進行能量累積，并通過T型無源高阻抗電路將電信號轉換成電壓型電信號后送到能量存儲模塊，能量存儲模塊采用超能存儲器件設計，感應的電磁能量進行存儲，其中超能存儲器采用超級電容實現微弱能量的快速回收。能量指示電路則實時將感應到的信號強度進行計算，并進行結果顯示和警示。

開關電路為低耗能電路，當能量存儲模塊存儲的電能達到一定的幅值后，將觸發開關電路，通過開關電路及充電電路將能量存儲電路存儲的能量轉換為電池所需的額定電壓和電流對可充電電池進行充電。

1.3 能量轉換和存儲原理

能量轉換和存儲電路的核心部件為超能存儲器件，研究時采用超級電容作為超能存儲器件。單體超級電容外觀如圖3所示。而實際使用時，往往采用超級電容系統來實現能量的轉換和存儲，超級電容系統由單體超級電容串并聯組成，如圖4所示。

超級電容的基本原理是通過極化電解質來實現能量轉換和存儲。超級電容在儲能的過程中并不發生化學反應，并且這種儲能過程可逆，即可以進行放電處理，也就是說，超級電容可以反復充放電。其儲能過程可以被視為電解質中的兩個無反應的活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，從而形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。

超級電容的表面積采用多孔碳材料，多孔碳的材料結構使其面積可達2000m2/g，與電解液接觸的面積大大增加。超級電容的電荷之間的距離是由被吸引到帶電電極的電解質離子尺寸決定的，這個距離相當小，僅為幾個納米。足夠大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容較傳統電容器而言有驚人的靜電容量，這也是超級電容的“超級”所在。其內部結構如圖5所示。

圖5 超級電容內部結構

當超級電容內部兩個電極板間電勢低于電解液的氧化還原電位時，電解液界面上的電荷則被吸附，超級電容處在正常充電工作狀態。當超級電容兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，處于非正常狀態。隨著超級電容的放電，正負極板上的電荷被外電路泄放。由此可以看出超級電容的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應，因此性能是穩定的。

電容器存儲的電勢能為E=■CU2，再利用庫侖定律Q=CU可得：

E=■ （3）

其中C是電容器容量；U是電壓；Q是電容器的總電荷量，只要影響電壓和總電荷量就會影響能量密度，電解液的變化是影響能量密度的重要原因之一。

在本項目中利用超級電容上述的特性來實現能量存儲，其過程如同“移峰填谷”，如圖6所示。

圖6 能量轉換和存儲原理

其實質就是將波動的能量變成較平滑的能量輸入，在達到一定的電壓值后進行能量釋放，如為附屬充電電路進行充電。

2 試驗和分析

2.1 電磁輻射能量可收集性測試

為了進一步驗證論文研究的必要性和測試的直觀簡單，采用800～3000MHz的移動通信板型天線對移動通信信號進行了測試，因為該頻段信號較為密集，依據國家信工部對移動通信頻率的劃分，可以得到表1所示的頻率分配表。

首先借助800MHz～3000MHz寬帶接收機對頻率范圍的信號進行了搜索，然后采用FFT算法將實際測試的信號進行了頻譜顯示，得到如圖7所示的頻譜圖和圖8所示的頻譜占用圖。

圖7 實測頻譜圖 圖8 城區頻譜占用情況

由圖可見，移動通信信號輻射無處不在、無時不有，密集存在且強度較大，實際最大值可達-39dBm，如距離移動通信基站50米左右，平均值約-65dBm。可見將這些能量累積并收集具有重大的社會和現實意義。

2.2 能量轉換可行性測試

試驗首先測試了電磁輻射能量轉換和收集存儲電路的能量和轉換收集能力。試驗時在電磁輻射能量轉換和收集存儲電路前方5米處利用手機屏蔽器發射掃頻干擾信號。電磁輻射能量轉換和收集存儲電路則可以將干擾信號的能量進行累積并感應和轉換，為了驗證有無能量轉換和存儲，采用了微功耗的LED指示燈進行了試驗，如圖9所示。

圖9 能量轉換能力測試

測試過程中可見LED燈處于時亮時滅的狀態，這表明的確有能量轉換且被存儲，并可以用來驅動LED指示燈。

2.3 能量轉換能力測試

為了驗證能量轉換的可行性，驗證能量存儲模塊的能量存儲能力，試驗時實時監測和描繪了轉換的效率波形，即實時記錄能量存儲模塊的電壓波動情況，并進行圖形描繪，如圖10所示。

圖10 能量轉換速率

由圖10可見，整體轉換速率較為緩慢的。主要原因在于：測試過程沒有采用全頻段天線，僅僅對800～3000MHz范圍內的信號進行了感應，而且天線效率極低，大量的電磁能量沒有得到有效的轉換；超級電容較為簡單。但也可以看出，文章研究的能量轉換、收集和存儲技術是可行的。

如果經過進一步的軟硬件優化和修改，尤其是高性能的感應天線和大容量的超級電容，則可將該技術應用于各種小電壓可充電電池的充電，也可廣泛應用于其他場合。

3 結束語

文章研究了一種全頻段電磁輻射感應電路的設計，初步探討了電磁波能量的轉換、收集和存儲技術，一方面進行了能量顯示和提示，另一方面也是最為重要的一個方面是實現了能量的轉換和變廢為寶。該研究成果還可應用于人體健康防護、居住環境電磁監測、精密儀器儀表電磁泄漏檢測。