無(wú)線輸電技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用3頁(yè)

1、無(wú)線輸電技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用從2007 年美國(guó)麻省理工學(xué)院成功完成無(wú)線電力傳輸實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，人類(lèi)更加深刻地認(rèn)識(shí)到了無(wú)線輸電已不再是夢(mèng)想。無(wú)線輸電這項(xiàng)前沿技術(shù)被認(rèn)為是今后電力科技的發(fā)展方向，必將帶來(lái)人類(lèi)生活和生產(chǎn)方式的重大變革，有著巨大的市場(chǎng)和發(fā)展前景。其中一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電，短期內(nèi)，靜態(tài)無(wú)線充電技術(shù)有望應(yīng)用于泊車(chē)自動(dòng)充電。從長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)無(wú)線充電可以為電動(dòng)汽車(chē)在行駛途中進(jìn)行充電，使得電動(dòng)汽車(chē)可以邊行駛邊充電。這將從根本上解決電動(dòng)汽車(chē)充電難題，加速電動(dòng)汽車(chē)普及。另外無(wú)線輸電技術(shù)還有許多其他應(yīng)用領(lǐng)域，如家用電器、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械、航空航天、油田礦井、水下作業(yè)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及RFID 等

2、方面。1 國(guó)內(nèi)外無(wú)線輸電技術(shù)研究現(xiàn)狀1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀19 世紀(jì)末被譽(yù)為“迎來(lái)電力時(shí)代的天才”的尼古拉·特斯拉， 在電氣與無(wú)線電技術(shù)方面做出了突出貢獻(xiàn)， 他也曾致力于研究無(wú)線傳輸信號(hào)及能量的可能性，早在1899 年，特斯拉在紐約長(zhǎng)島建造了無(wú)線電能發(fā)射塔（沃登克里弗塔），設(shè)想利用地球本身和大氣電離層為導(dǎo)體來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率長(zhǎng)距離的無(wú)線電能傳輸，該塔矗立在紐約長(zhǎng)島的特斯拉無(wú)線電力傳輸實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，塔高57 m，球形塔頂直徑為21 m。特斯拉想用它來(lái)實(shí)現(xiàn)全球無(wú)線電力傳輸，可惜由于資金缺乏，這個(gè)塔最終并未建成。2001 年5 月， 國(guó)際無(wú)線電力傳輸技術(shù)會(huì)議在法屬留尼汪島召開(kāi)期間，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心

3、的皮格努萊特， 利用微波無(wú)線傳輸電能點(diǎn)亮40 m 外一個(gè)200 W 的燈泡。其后，2003 年在島上建造的10 kW 試驗(yàn)型微波輸電裝置，已開(kāi)始以2.45 GHz 頻率向接近lkm 的格朗巴桑村進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線供電。2007 年6 月， 美國(guó)麻省理工學(xué)院宣布利用電磁共振技術(shù)成功地點(diǎn)亮了一個(gè)離電源約2 m 遠(yuǎn)的60 W電燈泡，該研究小組在實(shí)驗(yàn)中使用了2 個(gè)直徑為60 cm的銅線圈， 銅線半徑為3 mm， 通過(guò)調(diào)整發(fā)射頻率使2個(gè)線圈在10.56±0.3 MHz 產(chǎn)生共振，效率達(dá)到40。該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)布引起了世界范圍內(nèi)諧振耦合式無(wú)線輸電裝置的研發(fā)熱潮。2008 年9 月，北美電力研討會(huì)發(fā)布的論

4、文顯示，美國(guó)內(nèi)華達(dá)州雷電實(shí)驗(yàn)室的G.E.Leyh 等繼承了Tesla 的衣缽，成功研制電場(chǎng)耦合諧振無(wú)線能量傳輸實(shí)驗(yàn)裝置，利用2 個(gè)空心變壓器作為無(wú)線能量傳輸?shù)陌l(fā)射與接收端，變壓器與電極連接，成功地將800 W 電力用無(wú)線的方式傳輸?shù)? m 遠(yuǎn)的距離。在日本，“非接觸充電”方式的巴士已于2008 年2 月在羽田機(jī)場(chǎng)、2009 年10 月在奈良分別進(jìn)行了試行駛。供電線圈埋入充電臺(tái)的混凝土中，汽車(chē)駛上充電臺(tái)，將車(chē)載線圈對(duì)準(zhǔn)供電線圈就能開(kāi)始充電。充電方式采用了基于電磁感應(yīng)的方式。2012 年，美國(guó)斯坦福大學(xué)首次提出了“駕駛充電”這一概念，為電動(dòng)汽車(chē)充電提出了新的解決方案，這意味著電動(dòng)汽車(chē)可以不必停下來(lái)

5、充電而無(wú)限地跑下去。據(jù)項(xiàng)目組人員介紹，“當(dāng)你到達(dá)目的地時(shí)， 可能電池里的電比你出發(fā)時(shí)還要多?！保固垢４髮W(xué)正在設(shè)計(jì)的無(wú)線充電系統(tǒng)有望解決電動(dòng)汽車(chē)接線充電的難題， 其長(zhǎng)期目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出一種全電動(dòng)高速公路， 能給行駛在路面上的汽車(chē)和貨車(chē)無(wú)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(chǎng)以無(wú)線方式傳輸大量電力。1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)在無(wú)線輸電技術(shù)方面研究還處于起步階段，主要進(jìn)行一些基礎(chǔ)性研究工作， 還未曾開(kāi)展大規(guī)模的研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱春波教授采用直徑50 cm 螺旋銅線圈串接電容的方式構(gòu)成諧振器，實(shí)現(xiàn)在0.7 m 距離傳輸23 W 的能量，在傳輸距離為55 cm 時(shí)負(fù)載電壓獲得最大

6、值，其最高傳輸效率接近50。重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院孫躍教授帶領(lǐng)的課題組， 攻克了無(wú)線電力傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)難題，建立了完整的理論體系，研制出的無(wú)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(gè)用電設(shè)備同時(shí)供電，即使用電設(shè)備頻繁增加，也不會(huì)影響其供電的穩(wěn)定性。香港理工大學(xué)傅為農(nóng)教授帶領(lǐng)的課題組對(duì)感應(yīng)耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)和磁諧振耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并對(duì)2 種無(wú)線輸電方式進(jìn)行了比較。他們采用平面薄膜諧振器，實(shí)驗(yàn)中，在發(fā)射諧振器和接收諧振器相距20 cm 時(shí)，傳輸效率為46，諧振頻率為5.5 MHz。華南理工大學(xué)張波教授帶領(lǐng)的課題組從電路角度分析諧振

7、耦合無(wú)線輸電系統(tǒng)傳輸效率與距離、線圈尺寸等之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)制作了多種不同線圈參數(shù)的諧振耦合無(wú)線輸電裝置，進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)頻率跟蹤系統(tǒng)，解決了由于諧振效率失諧帶來(lái)的傳輸效率低下問(wèn)題。另外，南京航空航天大學(xué)航天電源實(shí)驗(yàn)室也對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線能量傳輸技術(shù)的幾種模式進(jìn)行了研究。2 無(wú)線輸電技術(shù)簡(jiǎn)介無(wú)線電力傳輸是一種無(wú)需通過(guò)插座和電線提供電能的技術(shù)。根據(jù)無(wú)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(yīng)短程傳輸、電磁耦合共振中程傳輸和微波激光遠(yuǎn)程傳輸。2.1 電磁感應(yīng)利用電磁感應(yīng)可以進(jìn)行短程的電力傳輸， 其基本工作原理如圖1 所示， 發(fā)射線圈L1和接收線圈L2之間利用磁耦合

8、來(lái)傳遞能量。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，若在線圈L1中通以交變電流，該電流將在周?chē)橘|(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，線圈L2中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可供電給外部用電設(shè)備。-最早使用電磁感應(yīng)原理傳輸能量的是電動(dòng)牙刷。由于經(jīng)常和水接觸，直接充電比較危險(xiǎn)，所以電動(dòng)牙刷一般使用的是感應(yīng)式充電。發(fā)射線圈位于充電底座，接收線圈在牙刷內(nèi)部，整個(gè)電路消耗的功率約3 W。目前該技術(shù)可用于多種電子產(chǎn)品，如對(duì)手機(jī)、相機(jī)、MP3 等進(jìn)行無(wú)線充電，由于充電墊產(chǎn)生的磁場(chǎng)很弱，所以不會(huì)對(duì)附近的信用卡、錄像帶等利用磁性記錄數(shù)據(jù)的物品造成不良影響。該解決方案提供商包括英國(guó)Splashpower、美國(guó)wild Charge 等公司。這種接觸式無(wú)線電力傳

9、輸方式的優(yōu)點(diǎn)是制造成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)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(shè)備供電。2.2 電磁耦合共振基于電磁共振耦合原理的整個(gè)裝置必須包含2 個(gè)線圈，每一個(gè)線圈都是一個(gè)自振系統(tǒng)。其中一個(gè)是發(fā)射裝置， 與能量源相連， 它利用振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流，通過(guò)發(fā)射線圈向外發(fā)射電磁波，在周?chē)纬闪艘粋€(gè)非輻射磁場(chǎng)，即將電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)；當(dāng)接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時(shí)， 接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，完成磁場(chǎng)到電能的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。在日本，2009 年8 月長(zhǎng)野日本無(wú)線也宣布開(kāi)發(fā)出基于磁共振的送電系統(tǒng)，如圖2 所示。當(dāng)送電受電部之間的傳輸距離為40

10、 cm 時(shí)， 傳輸?shù)男蔬_(dá)到了95。-在美國(guó)舉行的2010 年國(guó)際消費(fèi)電子產(chǎn)品展（CES）上，海爾展出了利用無(wú)線供電技術(shù)的高清電視，該電視采用美國(guó)無(wú)線電力公司（Witricity）的電磁共振耦合技術(shù)，電視的背面內(nèi)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(yīng)100 W 的電力?？晒╇姷木嚯x取決于線圈的大小， 最遠(yuǎn)能以線圈直徑的3 至5 倍距離供電。另外，Powercast，F(xiàn)ulton，Visteon等公司也利用該技術(shù)為手機(jī)、MP3、汽車(chē)配件、體溫表、助聽(tīng)器及人體植入儀器、電動(dòng)汽車(chē)等廠商提供無(wú)線輸電的解決方案。2.3 微波/激光理論上，無(wú)線電波波長(zhǎng)越短，其定向性越好

11、，彌散越小，所以，可利用微波或激光形式來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳輸，這對(duì)于新能源的開(kāi)發(fā)和利用，解決未來(lái)能源短缺等問(wèn)題也有著重要意義。因此，許多國(guó)家都沒(méi)有放棄這方面的研究。1968 年美國(guó)學(xué)者Glaser 提出了無(wú)線傳輸空間利用太陽(yáng)能的“Powerbeaming”的概念，利用電磁波接收裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能。1979 年，美國(guó)航空航天局NASA 和美國(guó)能源部聯(lián)合提出太陽(yáng)能計(jì)劃，建立“SPS 太陽(yáng)能衛(wèi)星基準(zhǔn)系統(tǒng)”，SPS （Solar Powersatellite）是太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星，處在地球約36 000 km 的靜止軌道上，那里太陽(yáng)的能量約為地球上的1.4 倍。據(jù)預(yù)測(cè)，一個(gè)SPS 所裝載的太陽(yáng)電池的直流輸出功率為10 GW，電池輸出的電力通過(guò)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(wú)線送電。地球上的接收天線由半波長(zhǎng)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。目前，SPS 的建設(shè)方法、天線的放射特性、微波發(fā)送裝置的姿態(tài)控制、宇宙空間的微波傳播特性、為確保故障時(shí)安全的保安系統(tǒng)等都是亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。日本擬于2020 年建造試驗(yàn)型太空太陽(yáng)能發(fā)電站SPS2000，2050 年進(jìn)入規(guī)模運(yùn)行。3 結(jié)束語(yǔ)