論無(wú)線技術(shù)在電能傳輸中的應(yīng)用

1、論無(wú)線技術(shù)在電能傳輸中的應(yīng)用摘要：本文綜述了無(wú)線電技術(shù)、電力傳輸技術(shù)的概況和其在電能傳輸應(yīng)用中的現(xiàn)狀和發(fā)展關(guān)鍵詞：無(wú)線通信 電能 傳輸 責(zé)無(wú)線輸電的想法很早就有人提出過(guò)，但是卻被很多科學(xué)家認(rèn)為根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榘l(fā)射器發(fā)出的電磁能向四周分散傳送，人類無(wú)法對(duì)電磁能進(jìn)行集中控制，就更談不到加以利用。2006 年11月，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)物理系助理教授索爾賈?？耍∕arin Soljacic）提出一種可以通過(guò)無(wú)線電能傳輸技術(shù)利用電磁能的新理論。按照索爾賈希克的理論，只要讓電磁能發(fā)射器同接收設(shè)備在相同頻率上產(chǎn)生共振，它們之間就可以進(jìn)行能量互換。其領(lǐng)導(dǎo)的6人小組在這一理論基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。利用兩個(gè)

2、銅絲線圈充當(dāng)共振器，一個(gè)線圈與電源相連，作為發(fā)射器；另一個(gè)與臺(tái)燈相連，充當(dāng)接收器。結(jié)果，他們成功地把一盞距發(fā)射器2.13米開外的60瓦電燈點(diǎn)亮。向全球首次宣布了將電場(chǎng)或者磁場(chǎng)應(yīng)用于供電技術(shù)的可能性，這一消息在科學(xué)（Science）網(wǎng)絡(luò)版“科學(xué)快訊（Science Express）”上一經(jīng)刊登，歐美各大新聞媒體即表現(xiàn)出濃厚的興趣，“Goodbye Wires”、“Wireless Power Transfer”的標(biāo)題在全球媒體隨處可見(jiàn)。“這就像劇院的歌星可以將玻璃杯震碎一樣，” 索爾賈?？苏f(shuō)，“條件是歌星和玻璃杯二者的聲波要形成共振。”。 本文就這一技術(shù)進(jìn)行初步的探討。 一、無(wú)線通信和電能傳輸技

3、術(shù)的現(xiàn)況“電能無(wú)線傳輸”是利用一種特殊設(shè)備將電源的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榭蔁o(wú)線傳播的能量，其基本原理是無(wú)線電發(fā)射傳輸和接收技術(shù)。在發(fā)射端把電源能量轉(zhuǎn)變成無(wú)線電磁能，在接受端又將次此能量轉(zhuǎn)變回電能，從而到達(dá)對(duì)用電器的無(wú)線供電。1、電能傳輸技術(shù)概況電力網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今世界覆蓋面最廣、涉及面最大、技術(shù)先進(jìn)和裝備復(fù)雜的人造系統(tǒng)。分為交流和直流電力傳輸。（1）、交流輸電 在發(fā)電和變壓上，交流有明顯的優(yōu)越性?；炯夹g(shù)是運(yùn)用變壓器傳輸原理（圖1）。圖1 變壓輸電近年來(lái)為了提高傳輸效率，圍繞提高傳輸?shù)墓β拾l(fā)展了很多新的技術(shù)：、多相輸電 在1972 年由美國(guó)學(xué)者提出。在輸電過(guò)程中采用三相輸電的整倍數(shù)相，如6、9 、12 相輸電以

4、大幅度地提高輸送功率極限。、緊湊型輸電在1980年代由前蘇聯(lián)學(xué)者提出。它從優(yōu)化輸電線和桿塔結(jié)構(gòu)著手，通過(guò)增加分裂導(dǎo)線的根數(shù)，優(yōu)化導(dǎo)線排列，盡力使輸電線附近的電場(chǎng)均勻，從而減小線路的線間距離，提高線路的自然功率。、超導(dǎo)輸電 是超導(dǎo)技術(shù)在電力工業(yè)中的應(yīng)用，目前在國(guó)際上已能制造小容量的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)變壓器和超導(dǎo)電纜，但是距離工業(yè)應(yīng)用還有一段距離。 、無(wú)線輸電現(xiàn)代主要研究和有希望在未來(lái)實(shí)理工業(yè)化應(yīng)用的無(wú)線輸電方式包括微波輸電、激光輸電和真空管道輸電。目前還處于實(shí)驗(yàn)室理論研究階段。、柔性輸電 柔性交流輸電系統(tǒng)Flexible AC Transmission Systems（FACTS），是綜合電力電子

5、技術(shù)、微處理和微電子技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術(shù)（圖2）。圖2（2）、直流輸電技術(shù)和交流輸電相比，直流輸電有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：一是當(dāng)輸電距離足夠長(zhǎng)時(shí)，直流輸電的經(jīng)濟(jì)性將優(yōu)于交流輸電。其次直流輸電通過(guò)對(duì)換流器的控制可以快速地（時(shí)間為毫秒級(jí)）調(diào)整直流線路上的功率，從而提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后可以聯(lián)接兩個(gè)不同步或頻率不同的交流系統(tǒng)。一直以來(lái)，直流輸電的發(fā)展與換流技術(shù)（特別是高電壓、大功率換流設(shè)備）的發(fā)展有密切的關(guān)系。但是近年來(lái)，除了有電力電子技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)外，由于大量直流工程的投入運(yùn)行，直流輸電的控制、保護(hù)、故障、可靠性等多種問(wèn)題也越發(fā)顯得重要。因此多種新技術(shù)的綜合

6、應(yīng)用使得直流輸電技術(shù)有了新進(jìn)展。1982 年我國(guó)開始對(duì)葛洲壩水電站向華東送電進(jìn)行可行性研究，由于直流輸電在遠(yuǎn)距離輸電和聯(lián)網(wǎng)方面的優(yōu)點(diǎn)，最終選擇了直流輸電方案。該工程既解決了葛洲壩電站向華東上海地區(qū)的送電問(wèn)題，又實(shí)現(xiàn)了華中與華東兩大電網(wǎng)的非同期聯(lián)網(wǎng)，它具有輸電和聯(lián)網(wǎng)的雙重性質(zhì)。 其原理是，將發(fā)電廠發(fā)出的交流電，經(jīng)整流器變換成直流電輸送至受電端，再用逆變器將直流電變換成交流電送到交流電網(wǎng)的一種輸電方式。直流輸電系統(tǒng)組成主要由：換流站（整流站和逆變站）、直流線路、交流側(cè)和直流側(cè)的電力濾波器、無(wú)功補(bǔ)償裝置、換流變壓器、直流電抗器以及保護(hù)、控制裝置等構(gòu)成（圖3）。其中換流站是直流輸電系統(tǒng)的核心，它完成交

7、流和直流之間的變換。 圖3 直流輸電系統(tǒng)的基本構(gòu)成2、無(wú)線電技術(shù)概況導(dǎo)體中電流強(qiáng)弱的改變會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電波，利用這一現(xiàn)象，通過(guò)調(diào)制可將信息加載于無(wú)線電波之上。當(dāng)電波通過(guò)空間傳播到達(dá)收信端，電波引起的電磁場(chǎng)變化又會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。 1864年，英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁波理論。1887年德國(guó)物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。之后，人們又進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，不僅證明光是一種電磁波，而且發(fā)現(xiàn)了更多形式的電磁波，它們的本質(zhì)完全相同，只是波長(zhǎng)和頻率有很大的差別。海因里希·魯?shù)婪?#183;赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）在1886年至18

8、88年間首先通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了麥克斯韋的理論。他證明了無(wú)線電輻射具有波的所有特性，并發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)方程可以用偏微分方程表達(dá)，即波動(dòng)方程。 麥克斯韋方程組揭示了電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互轉(zhuǎn)化中產(chǎn)生的對(duì)稱，電場(chǎng)和磁場(chǎng)已經(jīng)成為一個(gè)不可分割的整體。該方程組系統(tǒng)而完整地概括了電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，變化的磁場(chǎng)可以激發(fā)渦旋電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)可以激發(fā)渦旋磁場(chǎng)；電場(chǎng)和磁場(chǎng)不是彼此孤立的，它們相互聯(lián)系、相互激發(fā)組成一個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)（圖4）。麥克斯韋進(jìn)一步將電場(chǎng)和磁場(chǎng)的所有規(guī)律綜合起來(lái)，建立了完整的電磁場(chǎng)理論體系。這個(gè)電磁場(chǎng)理論體系的核心就是麥克斯韋方程組。圖4無(wú)線電的最早應(yīng)用于航海中，使用摩爾斯電報(bào)在船與陸地間傳遞信息。現(xiàn)在，無(wú)線電有著多

9、種應(yīng)用形式，包括無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)，各種移動(dòng)通信以及無(wú)線電廣播等。如電話、電視、數(shù)據(jù)傳輸、雷達(dá)識(shí)別、衛(wèi)星導(dǎo)航GPS等。近年來(lái)，特別是高頻、數(shù)字、頻分、時(shí)分等無(wú)線技術(shù)越來(lái)越成熟，這一應(yīng)用已深入到人們生活和工作的各個(gè)方面。其中3G、WLAN、UWB、藍(lán)牙、寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)都是21世紀(jì)最熱門的無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用。再者，無(wú)線電在電力傳輸和動(dòng)力方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，如日本科學(xué)家提出了在太空中建立大型的太陽(yáng)能電站，將電能轉(zhuǎn)化為微波送回地球；無(wú)線電波可以產(chǎn)生微弱的靜電力和磁力，在微重力條件下，這可以被用來(lái)固定物體的位置；有方案提出可以使用高強(qiáng)度微波輻射產(chǎn)生的壓力作為星際探測(cè)器的宇航動(dòng)力。二、電能無(wú)線傳輸技術(shù)也叫非接觸輸電

10、技術(shù)，利用基于線圈的電磁感應(yīng)原理。1、原理閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。這種現(xiàn)象叫法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象。即磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。2、電能無(wú)線傳輸技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)問(wèn)世的無(wú)線供電技術(shù)，根據(jù)其電能傳輸原理，大致上可以分為三類： 、非接觸式無(wú)線輸電技術(shù)所采用的是電磁感應(yīng)原理（圖5），這種非接觸式輸電技術(shù)在許多便攜式終端里應(yīng)用日益廣泛。這種類型中，將兩個(gè)線圈放置于鄰近位置上，當(dāng)電流在一個(gè)線圈中流動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的磁通量成為媒介，導(dǎo)致另一個(gè)線圈中也產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。其應(yīng)用也比較見(jiàn)（圖6、圖7）圖5 圖6圖7、天線發(fā)送和接收無(wú)線輸電射頻能量（圖8）通過(guò)天線

11、接發(fā)射和接收電磁波能量是最接近實(shí)際應(yīng)用的一種技術(shù)（圖9）。這和100年前的收音機(jī)原理基本相同：直接在整流電路中將電波的交流波形變換成直流后加以利用，但不使用放大電路等。同以前相比，利用電磁透鏡的集束電磁波天線是傳輸效率得到提高（圖10、圖11、圖12），并正在推動(dòng)廠商將其投入實(shí)際應(yīng)用。圖8 圖10圖11圖12、利用電磁場(chǎng)諧振方法。諧振技術(shù)在電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但是，在供電技術(shù)中應(yīng)用的不是電磁波或者電流，而只是利用電場(chǎng)或者磁場(chǎng)。就是著名的特斯拉的無(wú)線輸電技術(shù)“特斯拉線圈”（圖13、圖14），通俗一點(diǎn)說(shuō),它是一個(gè)人工閃電制造器，即所謂的“放大發(fā)射機(jī)”，現(xiàn)在稱之為大功率高頻傳輸線共振變壓器，用于無(wú)線輸

12、電試驗(yàn)。由兩組（有時(shí)用三組）偶合的共振電路組成，是一種分布參數(shù)高頻共振變壓器，可以獲得上百萬(wàn)伏的高頻電壓。特斯拉線圈使用變壓器使普通電壓升壓，然后經(jīng)由兩極線圈，從放電終端放電的設(shè)備。特斯拉把地球作為內(nèi)導(dǎo)體，地球電離層作為外導(dǎo)體，通過(guò)他的放大發(fā)射機(jī)，使用這種放大發(fā)射機(jī)特有的徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起大約8赫茲的低頻共振，利用環(huán)繞地球的表面電磁波來(lái)傳輸能量。這一系統(tǒng) 與現(xiàn)代無(wú)線電廣播的能量發(fā)射機(jī)制不同，而與交流電力網(wǎng)中的交流發(fā)電機(jī)與輸電線的關(guān)系類似，當(dāng)沒(méi)有電力接收端的時(shí)候，發(fā)射機(jī)只與天地諧振腔交換無(wú)功能量，整個(gè)系統(tǒng)只有很少的有功損耗，而如果是一般的無(wú)線電廣播，發(fā)射的能量則全部在空

13、間中損耗掉了。 圖13圖14目前，索爾賈希克領(lǐng)導(dǎo)的研究小組正在設(shè)法改進(jìn)“無(wú)線電能傳輸”技術(shù)，以達(dá)到實(shí)用目的。在索爾賈希克領(lǐng)導(dǎo)的臺(tái)燈實(shí)驗(yàn)中（圖15、圖16），電磁能發(fā)射器的能量只有百分之四十到百分之五十被臺(tái)燈吸收，如果要想對(duì)化學(xué)電池進(jìn)行無(wú)線充電，電池的接收率必須提高到百分之七十以上。為了點(diǎn)亮一盞60瓦的燈，研究人員使用的發(fā)射器就必須配置直徑約0.6米的銅絲線圈。如果要想實(shí)現(xiàn)整座房間內(nèi)的電器都能自動(dòng)充電，銅絲線圈的直徑預(yù)計(jì)將達(dá)2.1米。 此外，電磁能發(fā)射器工作的有效距離最遠(yuǎn)僅為2.74米。要想提高這一有效距離，電腦、電話等設(shè)備還必須配置一個(gè)同樣帶有銅絲線圈的接受器。 圖15圖16在2008年9月，

14、他們已經(jīng)在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州的雷電實(shí)驗(yàn)室成功的將800W電力用無(wú)線的方式傳輸?shù)?米遠(yuǎn)的距離（圖17）。圖17試驗(yàn)顯示無(wú)線電能傳輸技術(shù)對(duì)人類無(wú)害。電磁場(chǎng)只對(duì)與之產(chǎn)生共振的物品有影響，而諸如人類、桌子、毛毯等物品對(duì)電磁場(chǎng)幾乎都沒(méi)有反應(yīng)。下一步，研究小組要進(jìn)行的則是設(shè)法增大發(fā)射器功率，以及接受器的接收效率。到那時(shí)，手機(jī)、筆記本電腦就可以在配置有發(fā)射器的屋子里自動(dòng)充電，甚至不需要電池，也不需要通過(guò)插座與電源相連就可以直接使用。 三、結(jié)論現(xiàn)代家庭充斥著各式各樣的電線、插座，無(wú)線輸電技術(shù)讓人看到了擺脫這些煩惱的希望。盡管如此，由于電力傳輸效率不夠，應(yīng)用范圍還沒(méi)有涉及到需要大電力的手機(jī)。而且在安全方面也存在效率低導(dǎo)致發(fā)熱量大的問(wèn)題，無(wú)線電能傳輸技術(shù)還需改進(jìn)，才能走進(jìn)老百姓家中。時(shí)至今日，對(duì)于電力傳輸效率較高的線圈、非接觸充電系統(tǒng)的開發(fā)日趨活躍。 其中防止錯(cuò)誤輸電的ID認(rèn)證方法及在輸電的同時(shí)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǔ蔀榱岁P(guān)注的焦點(diǎn)。Power Over 802.11a/b/g出來(lái)后，將改變現(xiàn)在的智能小電器的輸電方式，是革命性的進(jìn)步。尤其是智能手機(jī)和省電型PDA等口袋設(shè)備，當(dāng)置于改進(jìn)的802.11a/b/g網(wǎng)絡(luò)范