無線電能傳輸技術(shù)

1、所謂無線電能傳輸，就是借助于電磁場或電磁波進(jìn)行能量傳遞的一種技術(shù)。無線輸電分為：電磁感應(yīng)式、電磁共振式和電磁輻射式。電磁感應(yīng)可用于低功率、近距離傳輸；電磁共振適于中等功率、中等距離傳輸；電磁輻射則可用于大功率、遠(yuǎn)距離傳輸。近年來，一些便攜式電器如筆記本電腦、手機(jī)、音樂播放器等移動設(shè)備都需要電池和充電。電源電線頻繁地拔插，既不安全，也容易磨損。一些充電器、電線、插座標(biāo)準(zhǔn)也并不完全統(tǒng)一，這樣即造成了浪費，也形成了對環(huán)境的污染。而在特殊場合下，譬如礦井和石油開采中，傳統(tǒng)輸電方式在安全上存在隱患。孤立的島嶼、工作于山頭的基站，很困難采用架設(shè)電線的傳統(tǒng)配電方式。在上述情形下，無線輸電便愈發(fā)顯得重要和迫切

2、，因而它被美國技術(shù)評論雜志評選為未來十大科研方向之一。在此旨在闡述當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)展，分析無線輸電原理。1 無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展歷程最早產(chǎn)生無線輸能設(shè)想的是尼古拉特斯拉(NikolaTesla)，因而有人稱之為無線電能傳輸之父。1890年，特斯拉就做了無線電能傳輸試驗。特斯拉構(gòu)想的無線電能傳輸方法是把地球作為內(nèi)導(dǎo)體，把地球電離層作為外導(dǎo)體，通過放大發(fā)射機(jī)以徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振，利用環(huán)繞地球的表面電磁波來傳輸能量。最終因財力不足，特斯拉的大膽構(gòu)想沒能實現(xiàn)。其后，古博(Goubau)、施瓦固(Sohweing)等人從理論上推算了自由空間波束導(dǎo)波可達(dá)到近10

3、0的傳輸效率，并隨后在反射波束導(dǎo)波系統(tǒng)上得到了驗證。20世紀(jì)20年代中期，日本的H.Yagi和S.Uda發(fā)明了可用于無線電能傳輸?shù)亩ㄏ蛱炀€，又稱為八木一宇田天線。20世紀(jì)60年代初期雷聲公司(Raytheon)的布朗(W.C.Brown)做了大量的無線電能傳輸研究工作，從而奠定了無線電能傳輸?shù)膶嶒灮A(chǔ)，使這一概念變成了現(xiàn)實。在實驗中設(shè)計了一種效率高、結(jié)構(gòu)簡單的半波電偶極子半導(dǎo)體二極管整流天線，將頻率2.45GHz的微波能量轉(zhuǎn)換為了直流電。1977年在實驗中使用GaAsPt肖特基勢壘二極管，用鋁條構(gòu)造半波電偶極子和傳輸線，輸入微波的功率為8W,獲得了90.6%的微波一一直流電整流效率。后來改用印

4、刷薄膜，在頻率2.45GHz時效率達(dá)到了85。自從Brown實驗獲得成功以后，人們開始對無線電能傳輸技術(shù)產(chǎn)生了興趣。1975年，在美國宇航局的支持下，開始了無線電能傳輸?shù)孛鎸嶒灥?a計劃。噴氣發(fā)動機(jī)實驗室和Lewis科研中心曾將30kW的微波無線輸送1.6km,微波一一直流的轉(zhuǎn)換效率達(dá)83%。1991年，華盛頓ARCO電力技術(shù)公司使用頻率35GHz的毫米波，整流天線的轉(zhuǎn)換效率為72%。1998年，5.8GHz印刷電偶極子整流天線陣轉(zhuǎn)換效率為82%。前蘇聯(lián)在無線電能傳輸方面也進(jìn)行了大量的研究。莫斯科大學(xué)與微波公司合作，研制出了一系列無線電能傳輸器件，其中包括無線電能傳輸?shù)年P(guān)鍵器件快回旋電子束波微

5、波整流器。近幾年，無線電能傳輸發(fā)展更是迅速。Wildcharge、Powercast、SplashPower、東京大學(xué)，相繼開發(fā)出非接觸式充電器。MIT在2007年6月宣布，利用電磁共振成功地點亮了一個離電源約2m遠(yuǎn)的60w電燈泡，這項技術(shù)被稱為WiTricity。該研究小組在實驗中使用了兩個直徑為50cm的銅線圈，通過調(diào)整發(fā)射頻率使兩個線圈在10MHz產(chǎn)生共振，從而成功點亮了距離電力發(fā)射端2m以外的一盞60w燈泡。2 無線電能傳輸?shù)脑恚?）非接觸電能傳輸系統(tǒng)利用疏松感應(yīng)耦合系統(tǒng)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了電能的無物理連接傳輸。它將系統(tǒng)的變壓器緊密型耦合磁路分開，初、次級繞組分別繞在具

6、有不同磁性的結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)在電源和負(fù)載單元之間進(jìn)行能量傳遞而不需物理連接。其一次側(cè)、二次側(cè)之間通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)電能傳輸，因氣隙導(dǎo)致的耦合系數(shù)的降低由提高一次側(cè)輸入電源的頻率加以補(bǔ)償。理論和經(jīng)驗都表明：當(dāng)原邊電流頻率、幅值越高，原、副邊距離越小，與空氣相比，磁心周圍介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率越大時，可分離式變壓器的傳輸效率越高。但實際應(yīng)用當(dāng)中原副邊距離不可能無限小，必須對原副邊采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，這種無線電能傳輸效率較低。（2）對無線電能傳輸來說，能量傳遞的效率是最重要的。因此，方向性強(qiáng)、能量集中的激光與具有類似性質(zhì)的微波束是值得考慮的選擇。但激光光束在空間傳輸易受到空氣和塵埃的散射，非線性效應(yīng)明顯，且輸出

7、功率小，因此微波輸能成為首選。微波輸能，就是將微波聚焦后定向發(fā)射出去，在接收端通過整流天線（rectenna）把接收到的微波能量轉(zhuǎn)化為直流電能。布朗的微波輸電系統(tǒng)。上世紀(jì)60年代，WilliamC.Brown向世人展示的微波傳輸電能示意圖。該微波傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接受天線3部分。微波源內(nèi)有磁控管，能控制源在2.45GHz頻段輸出5200W的功率；微波源輸出的能量通過同軸電纜連接至和波導(dǎo)管之間的適配器上；亞鐵酸鹽的循環(huán)器連接在波導(dǎo)管上，使波導(dǎo)管和發(fā)射天線相匹配。發(fā)射天線包含8個部分，每個部分上都有8個縫隙。這64個縫隙均勻的向外發(fā)射電磁波。這種開孔的波導(dǎo)天線很適合用于無線電能傳輸，因

8、微波并把它轉(zhuǎn)換成直流電，在布朗展示的系統(tǒng)中該接收天線擁有25%的收集和轉(zhuǎn)換效率，這種天線在2.45GHz測試時曾經(jīng)達(dá)到甚至超過90%的效率。傳輸距離較遠(yuǎn)之后，增強(qiáng)天線的方向性和效率會十分困難。微波輸能的傳輸效率。若D代表微波在自由空間傳輸?shù)木嚯x，At、Ar分別代表發(fā)射天線和接收天線的面積，入表示工作波長，則微波在自由空間的傳輸效率n是參數(shù)的函數(shù)。由公式知傳輸效率和傳輸距離沒有直接的聯(lián)系，而是由決定。故距離D增大的效應(yīng)V可由At、Ar的增加或入的減小來補(bǔ)償。微波輸能的總效率等于直流到微波、微波傳輸和接收整流三部分效率之積。故可知當(dāng)前微波傳輸能量的效率還不高，但是還是很有發(fā)展?jié)摿Φ摹＃?）輻射性傳

9、輸，雖然完全適合于傳輸信息，但是將其應(yīng)用于電能傳輸卻會引起很多的困難：如果輻射是全方向性的，則電能傳輸效率會十分的低；如果是定向輻射，也要求具有不間斷可視的方位和十分復(fù)雜的追蹤儀器設(shè)備，而磁諧振卻沒有這么復(fù)雜。自諧振線圈的模型描述。A是一個半徑為25cm的單匝銅環(huán)，它是激勵電路的一部分，輸出頻率為9.9MHz的正弦波。S和D是自諧振線圈。B是連接到負(fù)載（燈泡）的單匝導(dǎo)線環(huán)。不同的K代表箭頭表示的對象之間的直接耦合。調(diào)整線圈D和A之間的角度，保證它們之間的直接耦合等于零。線圈S和D同軸排列。線圈B和A以及B和s的直接耦合是可以忽略不計的。強(qiáng)耦合磁諧振下的電能傳輸效率。在耦合諧振系統(tǒng)（如聲音、電磁

10、、磁、核等）里，經(jīng)常會產(chǎn)生“強(qiáng)耦合”運行狀態(tài)。如果處于給定系統(tǒng)中的這種狀態(tài)，諧振體之間的能量交換則可期望達(dá)到很高的效率。如果不考慮周圍空間的結(jié)構(gòu)，并且在干涉損耗和散失在周圍環(huán)境中的損耗很低時，中等距離的能量傳輸用這種方法可以在接近全方向的狀態(tài)下實現(xiàn)并達(dá)到很高的效率。3 結(jié)束語一些邊遠(yuǎn)山區(qū)、牧區(qū)、高原、海島，人口稀少，居住分散，交通不便，經(jīng)濟(jì)落后，那兒缺乏常規(guī)能源，又遠(yuǎn)離大電網(wǎng)，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。這種情況下，利用微波輸能技術(shù)，可以解決電網(wǎng)的死角。輸電工程最關(guān)心的是效率和經(jīng)濟(jì)性。無線電能傳輸?shù)男嗜Q于微波源的效率、發(fā)射接收天線的效率和微波整流器的效率；其經(jīng)濟(jì)性如何，依賴于所用頻段的微波元器件

11、的價格與有線輸電系統(tǒng)所用器材價格的比較，也與具體的輸電網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)有關(guān)系。除了關(guān)心經(jīng)濟(jì)和效率以外，還要對大功率微波對環(huán)境和身體健康可能造成的影響進(jìn)行研究，需保證如下方面：（1）傳輸微波能流密度不能對電離層產(chǎn)生明顯擾動；（2）必須保證不干擾Et常通信；（3）地面整流接收站不能對飛機(jī)等交通工具及周圍的生物體（如鳥類、居民等）產(chǎn)生不良作用。來自：科學(xué)技術(shù)附英文原文：WirelessTransmissionTechniquesTheso-calledradiotransmissiontechnologyisanenergytransfertechniquebymeansofelectromagnetic

12、fieldsorelectromagneticwave.Thewirelesstransmissionisdividedinto:electromagneticinduction-type,electrictypeandmagneticresonanceelectromagneticradiationtype.Electromagneticinductioncanbeusedforlow-power,shortdistancetransmission;electricmagneticresonanceissuitableformedium-power,medium-distancetransm

13、ission;electromagneticradiationcanbeusedforhigh-power,long-distancetransmission.Inrecentyears,anumberofportableelectricalappliancessuchasnotebookcomputers,mobilephones,musicplayersandothermobiledeviceswillneedbatteriesandcharger.Powercableplugfrequently,thatisneithersafe,noreasytowearandtear.Somecha

14、rgers,cables,socketstandardsarenotentirelyunified.Thatwouldresultinawasteandenvironmentalpollution.Andinspecialoccasions,suchasminingandoilexploration,thetraditionaltransmissionapproachintermsofsecurityrisksexist.Isolatedislands,theworkofthehillsofthebasestation,itisdifficulttosetupcablesusingthetra

15、ditionaldistributionmethods.Inthesecases,thewirelesstransmissionwillbeincreasinglymoreimportantandurgent,soitistheUnitedStates,"TechnologyReview"magazinetoptenforthefutureresearchdirections.Inwirelesstransmissionareas,ourresearchhasonlyjuststarted,comparedwithEuropeandtheUnitedStateslaggin

16、gbehind.Thissetsoutthecurrenttechnologicalprogress,analyzethewirelesstransmissionprinciples.1 ThedevelopmentprocessofradiotransmissiontechnologyProducethefirstwirelesstransmissioncanbeenvisagedis?NikolaTesla(NikolaTesla),whichwasknownasthefatheroftheradiocantransmit.In1890,Teslamadearadioisabletocar

17、ryontheexperiment.Teslaideaofradiotransmissionmethodistobeableto,withintheearthasaconductor,theEarth'sionosphereastheouterconductor,throughtheamplificationofelectromagneticwavestransmittertotheradialoscillationmode,setupbetweentheEarthandionosphereofabout8Hzlow-frequencyresonancetheuseofelectrom

18、agneticwavesaroundtheEarth'ssurfacetotransmittheenergy.Theendofinsufficientfinancialresources,Teslafailedtoachieveaboldvision.Subsequently,theGoubau,Sohweing,whocalculatedthetheoreticalfree-spacebeamguidedwavecanreachnearly100%transmissionefficiency,andsubsequentlyreflectedbeamwaveguidesystemhas

19、beenverified.20mid-20thcentury,Japan'sH.Yagi,andS.Udainventioncanbeusedtotransmitradiodirectionalantenna,alsoknownasaYagiUdaantenna.60intheearly20thcentury,RaytheonCompany,w.C.Brownhavedonealotofradioisabletocarryresearchwork,whichlaidthefoundationofradiotransmissionexperimentscanbethebasistomak

20、ethisconceptbecomeareality.Intheexperimentdesignedahighefficiency,simplestructure,thehalf-waverectifierdiodeelectricdipoleantenna,thefrequencyof2.45GHzmicrowaveenergyconversiontoDC.1977,usedinexperimentsGaAs-PtSchottkybarrierdiode,constructedofaluminumhalf-waveelectricdipoleandtransmissionlines,inpu

21、tmicrowavepowerof8W,won90.6%ofthemicrowave-theefficiencyofDCrectifier.Thenuseprintfilm,inthefrequencyof2.45GHzwhentheefficiencyreaches85%.SincetheBrownexperimentasuccess,peoplebegantoradiotransmissiontechnologycanproduceinterest.In1975,NASA'ssupport,beganaradiotransmissiononthegroundcanexperimen

22、t5aplan.JetEngineLaboratoryandLewisResearchCenterwhowillbe30kWofmicrowaveradiotransmission1.6km,microwave-DCconversionefficiencyofupto83%.In1991,Washington,ARCOPowerTechnologies,Inc.35GHzmillimeter-wavefrequency,theconversionefficiencyofrectenna72%.In1998,5.8GHzprinteddipolerectennaarrayconversionef

23、ficiencyis82%.RadioisabletocarrytheformerSovietUnionalsocarriedoutalotofresearch.MoscowStateUniversityandmicrowavecompanies,developedaseriesofradioisabletocarrydevices,includingradiocantransmitakeydevice-fastcyclotronwaveofe-beammicrowaverectifiers.Inrecentyears,radioisabletocarrythedevelopmentofeve

24、nmorerapid.Wildcharge,Powercast,SplashPower,UniversityofTokyohavedevelopedanon-contacttypecharger.MITinJune2007,announcedthesuccessfuluseofelectricmagneticresonanceofaplaceoflightfromthepowersupplyofabout2maway60wlightbulb,thetechnologyisknownasWiTricity.Theresearchteaminexperimentsusingtwo50cmdiame

25、tercoppercoils,byadjustingthetransmissionfrequencytothetwocoilsresonateat10MHz,thussuccessfullylitthedistance2mawayfromthetransmitterpowerofa60wbulb.2 Thepirncipleofradiotransmission（1）Non-contactpowertransmissionsystem,theuseofloosecouplingsystemandpowerelectronicinductionmethodofcombiningtechnolog

26、iestoachievethenon-physicalconnectionofthepowertransmission.Itwillcompactthesystemtransformer-coupledmagneticcircuittoseparatetheprimaryandsecondarywindings,respectivelyaroundwithdifferentmagneticstructure,achievethepowerandenergytransferbetweentheloadcellwithouttheneedforphysicalconnection.Itsprima

27、rysideandsecondarysidethroughelectromagneticinductionbetweentherealizationofpowertransmissionandcouplingcoefficientsduetoairgapcausedbythereductionbyanincreaseinthefrequencyofonesidetocompensateforinputpower.Theoryandexperienceindicatethat:Whentheprimarysidecurrentfrequency,amplitudeofthehigherofbot

28、hsidesofthesmallerdistance,andtheaircomparedtothesurroundingmediumcorerelativepermeabilitygreaterwhenthedetachabletransformertransferefficiencymorehigh.However,whentheCentralPlainsofbothsidesofthepracticalapplicationofthedistancecannotbeinfinitelysmall,formerdeputysidemusttakeappropriatecompensatory

29、measures,whichtheradioisabletocarrylessefficient.（2）Ontheradiocantransmit,theenergytransferefficiencyisthemostimportant.Therefore,theorientationstrongenergyconcentrationinlaserandmicrowavebeamsofasimilarnatureisworthconsideringoptions.However,inthespacelaserbeamtransmissionvulnerabletoairanddustscat

30、tering,nonlineareffectsaremoreobvious,andtheoutputpowerissmall,socanbecomethefirstchoiceofmicrowavetransmission.Microwaveinputenergy,thatis,afterthedirectionalmicrowavefocusinglaunched,atthereceivingendthroughtherectifierantenna（rect-enna）thereceivedmicrowaveenergyintoDCcanbe.Brown'smicrowavetra

31、nsmissionsystem.Thelastcentury,60years,WilliamC.Browntoshowtheworldthemicrowavetransmissionpowerdiagram.Themicrowavetransmissionsystem,includingmicrowavesource,transmittingantenna,receivingantennapart3.Therearemagnetronmicrowavesourcecancontrolthesourceinthe2.45GHzfrequencybandoutputof5200Wofpower;m

32、icrowavesourceoutputpowerthroughthecoaxialcableconnectedtoandbetweenthewaveguideadapter;FerrousSaltsloopdeviceconnectedtothewaveguide,thewaveguidetubeandthetransmittingantennatomatch.Transmittingantennacontainseightparts,eachpartofthegaponboth8.Thisisauniformgapof64outemitelectromagneticwave.Suchope

33、ningswaveguideantennacanbeverysuitableforradiotransmission,becauseithasupto95%oftheapertureefficiencyandhighenergycapturecapabilitiesSilicon-controlledrectifierdiodemicrowaveantennasusedforthecollectionandputitintoDC,Browndemonstratedthatthereceivingantennasystemhasa25%collectionandconversionefficie

34、ncy,thisantennahas2.45GHztestedtomeetorexceed90%efficiency.Afterthetransmissiondistaneeandenhancetheantennadirectivityandefficiencywillbeverydifficult.Microwavetransmissionenergytransmissionefficiency.IftheDonbehalfofmicrowavetransmissiondistaneeinfreespace,At、Arrepresentingthetransmittingantennaand

35、receivingantennaarea,intothesaidoperatingwavelength,thenthemicrowaveinfreespacetransmissionefficiencynistheparameterfunction.DDByaformulaknowntransmissionefficiencyandtransmissiondistanceisnodirectlink,butbythedecision.Therefore,thedistanceDincreasestheeffectofVcanbeAt、Aroftheincreaseorthedecreaseof

36、incometocompensate.TheoverallefficiencyofmicrowaveenergyinputisequaltoDCtomicrowave,microwavetransmissionandreceptionefficiencyrectifierthree-partproduct.Therefore,wecanseethecurrentmicrowavetransmissionofenergyefficiencyisnothigh,butitisstillgreatpotentialfordevelopment.(3)Radiativetransfer,thoughp

37、erfectlysuitedtotransmitinformation,butitwillbeappliedtoenergytransferbutitwillgiverisetomanyproblems:Iftheradiationisafull-directional,thentheenergytransferefficiencywillbeverylow;ifitisdirectionalradiation,butalsorequiresacontinuousvisualorientationandverycomplextrackingequipment,andmagneticresona

38、ncebutnotsocomplicated.Self-resonantcoilmodeldescription.Aisaradiusof25cmsingle-turncopperring,whichistostimulateapartofthecircuit,theoutputfrequencyof9.9MHzsinewave.SandDisaself-resonantcoils.Bisconnectedtotheload(lightbulbs)inasingleturnwireloop.RepresentativeofthedifferentK-arrowsdirectcouplingbetweentheobjects.AdjustthecoiltheanglebetweenDandAtoensurethatthedirectcouplingbetweenthemiszero.SandDcoaxialcoilarrangement.CoilBandAandB,s,thedirectcouplingi