無線輸電技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

張翼

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

從2007年美國麻省理工學(xué)院成功完成無線電力傳輸實(shí)驗(yàn)開始，人類更加深刻地認(rèn)識到了無線輸電已不再是夢想。無線輸電這項(xiàng)前沿技術(shù)被認(rèn)為是今后電力科技的發(fā)展方向，必將帶來人類生活和生產(chǎn)方式的重大變革，有著巨大的市場和發(fā)展前景。其中一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是電動汽車無線充電，短期內(nèi)，靜態(tài)無線充電技術(shù)有望應(yīng)用于泊車自動充電。從長期來說，動態(tài)無線充電可以為電動汽車在行駛途中進(jìn)行充電，使得電動汽車可以邊行駛邊充電。這將從根本上解決電動汽車充電難題，加速電動汽車普及。另外無線輸電技術(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)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及RFID等方面。

1 國內(nèi)外無線輸電技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

19世紀(jì)末被譽(yù)為“迎來電力時(shí)代的天才”的尼古拉·特斯拉，在電氣與無線電技術(shù)方面做出了突出貢獻(xiàn)，他也曾致力于研究無線傳輸信號及能量的可能性，早在1899年，特斯拉在紐約長島建造了無線電能發(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)體來實(shí)現(xiàn)大功率長距離的無線電能傳輸，該塔矗立在紐約長島的特斯拉無線電力傳輸實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，塔高57 m，球形塔頂直徑為21 m[1]。特斯拉想用它來實(shí)現(xiàn)全球無線電力傳輸，可惜由于資金缺乏，這個(gè)塔最終并未建成。

2001年5月，國際無線電力傳輸技術(shù)會議在法屬留尼汪島召開期間，法國國家科學(xué)研究中心的皮格努萊特，利用微波無線傳輸電能點(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，已開始以2.45 GHz頻率向接近l km的格朗巴桑村進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)無線供電[2]。

2007年6月，美國麻省理工學(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%[3]。該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)布引起了世界范圍內(nèi)諧振耦合式無線輸電裝置的研發(fā)熱潮。

2008年9月，北美電力研討會發(fā)布的論文顯示，美國內(nèi)華達(dá)州雷電實(shí)驗(yàn)室的G.E.Leyh等繼承了Tesla的衣缽，成功研制電場耦合諧振無線能量傳輸實(shí)驗(yàn)裝置，利用2個(gè)空心變壓器作為無線能量傳輸?shù)陌l(fā)射與接收端，變壓器與電極連接，成功地將800 W電力用無線的方式傳輸?shù)? m遠(yuǎn)的距離[4]。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、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的混凝土中，汽車駛上充電臺，將車載線圈對準(zhǔn)供電線圈就能開始充電。充電方式采用了基于電磁感應(yīng)的方式。

2012年，美國斯坦福大學(xué)首次提出了“駕駛充電”這一概念，為電動汽車充電提出了新的解決方案，這意味著電動汽車可以不必停下來充電而無限地跑下去。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。”，斯坦福大學(xué)正在設(shè)計(jì)的無線充電系統(tǒng)有望解決電動汽車接線充電的難題，其長期目標(biāo)是開發(fā)出一種全電動高速公路，能給行駛在路面上的汽車和貨車無線充電，只要在路面下每隔幾英尺埋一段金屬線圈，就能利用磁場以無線方式傳輸大量電力。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在無線輸電技術(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)載電壓獲得最大值，其最高傳輸效率接近50%。重慶大學(xué)自動化學(xué)院孫躍教授帶領(lǐng)的課題組，攻克了無線電力傳輸?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)的課題組對感應(yīng)耦合無線電能傳輸技術(shù)和磁諧振耦合無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并對2種無線輸電方式進(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耦合無線輸電系統(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的傳輸效率低下問題。另外，南京航空航天大學(xué)航天電源實(shí)驗(yàn)室也對電動汽車的無線能量傳輸技術(shù)的幾種模式進(jìn)行了研究。

2 無線輸電技術(shù)簡介

無線電力傳輸是一種無需通過插座和電線提供電能的技術(shù)。根據(jù)無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之間利用磁耦合來傳遞能量。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，若在線圈L1中通以交變電流，該電流將在周圍介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)交變磁場，線圈L2中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，可供電給外部用電設(shè)備。

圖1 電磁耦合電力傳輸系統(tǒng)原理

最早使用電磁感應(yīng)原理傳輸能量的是電動牙刷。由于經(jīng)常和水接觸，直接充電比較危險(xiǎn)，所以電動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，如對手機(jī)、相機(jī)、MP3等進(jìn)行無線充電，由于充電墊產(chǎn)生的磁場很弱，所以不會對附近的信用卡、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Splash power、美國wild Charge等公司。這種接觸式無線電力傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是制造成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、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[4]。

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，通過發(fā)射線圈向外發(fā)射電磁波，在周圍形成了一個(gè)非輻射磁場，即將電能轉(zhuǎn)換成磁場；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月長野日本無線也宣布開發(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 cm時(shí)，傳輸?shù)男蔬_(dá)到了95%。

圖2 基于磁共振的電力傳輸系統(tǒng)

在美國舉行的2010年國際消費(fèi)電子產(chǎn)品展（CES）上，海爾展出了利用無線供電技術(shù)的高清電視，該電視采用美國無線電力公司（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、汽車配件、體溫表、助聽器及人體植入儀器、電動汽車等廠商提供無線輸電的解決方案[5]。

2.3 微波/激光

理論上，無線電波波長越短，其定向性越好，彌散越小，所以，可利用微波或激光形式來實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳輸，這對于新能源的開發(fā)和利用，解決未來能源短缺等問題也有著重要意義。因此，許多國家都沒有放棄這方面的研究。1968年美國學(xué)者Glaser提出了無線傳輸空間利用太陽能的“Powerbeaming”的概念，利用電磁波接收裝置將太陽能轉(zhuǎn)換成電能[6]。1979年，美國航空航天局NASA和美國能源部聯(lián)合提出太陽能計(jì)劃，建立 “SPS太陽能衛(wèi)星基準(zhǔn)系統(tǒng)”，SPS（Solar Power satellite）是太陽能發(fā)電衛(wèi)星，處在地球約36 000 km的靜止軌道上，那里太陽的能量約為地球上的1.4倍。據(jù)預(yù)測，一個(gè)SPS所裝載的太陽電池的直流輸出功率為10 GW，電池輸出的電力通過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）形式無線送電。地球上的接收天線由半波長的偶極天線、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[5]。

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)問題。日本擬于2020年建造試驗(yàn)型太空太陽能發(fā)電站SPS2000，2050年進(jìn)入規(guī)模運(yùn)行[6]。

3 結(jié)束語

無線電力傳輸作為最前沿的電力傳輸技術(shù)，會給人們的生活帶來巨大的便利，并將帶來電力工業(yè)的創(chuàng)新和重大變革，具有廣泛的應(yīng)用前景。未來無線輸電技術(shù)有望解決電動汽車充電難題，可以給一些難以架設(shè)線路或危險(xiǎn)的地區(qū)供應(yīng)電能，并且解決新能源電站的電能輸送問題。目前在國內(nèi)，無線輸電研究還處于起步階段，應(yīng)該認(rèn)清形勢，總結(jié)國內(nèi)外一些已取得的研究成果，在此基礎(chǔ)上開展更為深入的研究工作。

[1]李 照.無線電力傳輸技術(shù)的基本原理與應(yīng)用前景[J].信息技術(shù)教學(xué)與研究，2011（57）：148-150.

[2]KARALIS A,JOANNOPOULOS J D,SOLJACIC M.Efficient Wireless Non-radiative Mid-range Energy Rransfer[J].Annals of Physics,2008，03(23)：34-48.

[3]LEYH G,KENNAN M.Efficient Wireless Transmission of Power Using Resonators with Coupled Electric Fields[J].Power Symposium,2008.NAPS’08.40th North Amercian.2008 September:1-4.

[4]曾 翔.無線電力傳輸技術(shù)研究[J].硅谷，2010（10）：82，162.

[5]GLASER P E.Power From the Sun：Its Future[J].Science，1968(62)：857-861.

[6]松浦虔士.電力傳輸工程[M].曹廣益譯.北京：科學(xué)出版社，2001.