電力系統(tǒng)中無線電能傳輸?shù)募夹g(shù)分析

郭華

摘要：通常，電能都是通過電力系統(tǒng)的輸電線路來傳輸?shù)?。由于輸電線路比較繁多，會存在交織錯雜現(xiàn)象，因此經(jīng)常會出現(xiàn)一些事故，有的甚至?xí)绊懙絿駥徲嫷姆€(wěn)定問題，而我國新型無線輸電技術(shù)在一定程度上可以減少甚至避免對電力系統(tǒng)的影響。本文就對電力系統(tǒng)中無線電能傳輸技術(shù)的現(xiàn)狀進行分析，提出了電力系統(tǒng)中無線電能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，并對其未來的研究方向進行了論述，希望對我國電力系統(tǒng)中的發(fā)展有一定幫助。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)：無線電傳輸；技術(shù)；分析

本文總結(jié)了無線電傳輸（WPT）技術(shù)在電力系統(tǒng)的運行過程中出現(xiàn)的問題，電磁感應(yīng)以及近場諧振式無線電能的最大弊端就是傳輸?shù)木嚯x過于接近，輻射式無線電能的傳輸距離比較遠，就必須有極高的方向性的天線以及高功率微波一電能轉(zhuǎn)換單元及高性能天線，來作為WPT未來的傳輸研究方向，與此同時更要考慮無線電能傳輸與環(huán)境的兼容性。

1電力系統(tǒng)WPT研究現(xiàn)狀

1.1電磁感應(yīng)WPT

由于變壓器的原副供電線圈都在一個鐵芯上纏繞著，因此供電就不靈活。因此為了改變其靈活性，國內(nèi)外都對變壓器的副邊繞組間的鐵芯部分同其他有效介質(zhì)代替了，而且這些介質(zhì)可以在很多不同的場合進行應(yīng)用。就目前來看，電力系統(tǒng)中的電磁感應(yīng)式WPT是最為常用的非接觸式電能傳輸。如圖1所示

這種非接觸式的電能傳輸使用的就是電磁感應(yīng)耦合技術(shù)以及現(xiàn)代控制技術(shù)，這種技術(shù)實現(xiàn)了負(fù)載側(cè)與電源側(cè)的完全分離電能傳輸技術(shù)，這種技術(shù)避免了舊的電能傳輸方式中接電火花以及裸露導(dǎo)體的產(chǎn)生。使舊的電能傳輸方式在一些特殊環(huán)境下降低了危險，使電能能夠安全地進行傳送。

這種技術(shù)比較成熟，因此可以在傳輸功率上進行突破，只是傳輸率不夠高，并且傳輸距離較短，一般都是要貼在一起，由此可見只能運用在局部電網(wǎng)中。這種輸電方式實際上是從線圈通入電流、使其產(chǎn)生變化的磁通，也就是利用了變壓器磁耦合原理，在副線圈上激起感應(yīng)電動勢，從而使電能的無線化傳輸能夠順利進行。

1.2近場諧振式WPT

近場諧振技術(shù)是WPT中最新研究出來的成果，電場E的強度隨著電荷之間的距離平方的增加而減小。這里設(shè)想的僅僅是“點狀電荷”發(fā)出放射狀電力線時的簡單模型，這對于實際的電子，點狀電荷的設(shè)想一般是不能夠成立的，一般情況下，電荷是從一個確定的范圍迸發(fā)出來的。此時的電場成分中含有多個成分，例如與距離的高次方成反比的成分、強度與距離的平方成反比等。電荷分布的形狀以及復(fù)雜性決定了高次方成分的比例，同時偶爾會受到角度的影響，這一系列場的高次方就形成了近場。場立方以上的高次方成分與電荷距離之間成反比的關(guān)系。但是如果在距電荷較近的位置，就會比平方成分強。一般情況下天線的電荷分布是隨著時間的變化而變化的，由此而產(chǎn)生電磁波，電磁波與磁場中的平方成分的時間變化有非常密切的關(guān)系。近場的高次方不會向遠處傳播，但是會隨著時間的變化而變化，換句話說就是在天線的周圍，存在無線介質(zhì)，但不是電磁波的磁場和電場。

在我國電磁波和諧振技術(shù)都早已達到實用水平，并且兩者聯(lián)合用語通信技術(shù)。但是近場以及時間的變化沒有得到充分利用。而且被當(dāng)做電磁干擾的主要原因，成為人們的抑制對象之一。但是去掉電磁感應(yīng)使用的線圈產(chǎn)生的磁場，從電子學(xué)的角度來講，也是一個盲點。MIT的主力教授馬林·索爾賈希克以及其研究小組對于電磁近場的理論實驗成功，在實驗過程中通過使用和調(diào)整發(fā)射兩個直徑50cm的銅線圈，使其在IOMHZ產(chǎn)生諧振，這樣來將距離電力發(fā)射端2m意外的一盞60w燈泡成功點亮。MIT的電力傳輸系統(tǒng)第一眼看上去是一種源于電感應(yīng)的電力傳輸，但是事實上結(jié)合了近場諧振技術(shù)，與電磁感有很大差別。這種電力傳輸系統(tǒng)所發(fā)出強度與貫穿線圈內(nèi)部的磁通變化幅度成正比。所傳輸?shù)碾娏h超過法拉第電磁感應(yīng)定律。使非接觸電力利用圈數(shù)為數(shù)百的線圈進行傳輸時，才能在數(shù)毫米的距離上的傳輸效率超越60%。但是索爾賈?？说南禂?shù)在進行2m傳輸過程中的傳輸效率為40%，在進行距離為1m傳輸時可以得到超越90%的高傳輸效率。線圈作為天線也只能是隨意將5圈粗銅線進行纏繞。由此可以看出，近場諧振技術(shù)與電磁感應(yīng)的不同之處在于：不僅僅靠磁通量的強度來進行工作。

1.3輻射式WPT

輻射式WPT技術(shù)在收發(fā)微波束能量是靠先進的定向天線來進行的，一般在接收端憑借整流技術(shù)以及高性能接收技術(shù)，進行較遠距離的無線電能的傳輸，這種WPT要想應(yīng)用到實際工作和生活當(dāng)中還不太現(xiàn)實。也就是應(yīng)用這種WPT的時代距離我們還很遠，其在現(xiàn)代空間太陽能發(fā)電的構(gòu)想一太陽能發(fā)電衛(wèi)星中應(yīng)用得非常好。包括在高空能量輸送平臺中也可以很好的進行利用，這種技術(shù)將會被應(yīng)用到使用微波輻射將太空中的太陽能發(fā)射會地球。然后使用接收天線將其進行轉(zhuǎn)換。并進行二次輻射給另外的基站，這樣一來太空中的太陽能就可以永久地為人類提供能源。由此可見我們所研究的焦點就是怎樣才能使輻射式WPT能夠進行遠距離的電能傳輸。

2電力系統(tǒng)中WPT的關(guān)鍵技術(shù)

從上述觀點中可以看出，我們研究的電力系統(tǒng)中的WPT技術(shù)主的重點就是是要考慮效率、功效等因素。只有在信號的傳輸距離很遠、抗干擾性能很強、且保證發(fā)射天線能夠發(fā)射方向性非常集中、可以進行遠距離點對點傳輸?shù)奈⒉ǖ那闆r下，微波才能進行有效地傳輸。對于電力系統(tǒng)中的WPT來說。不僅需要大功率的微波源更需要優(yōu)良的天線性能，這樣才能使用發(fā)射天線把大功率微波能量發(fā)射出去。除此之外，高頻率微波被接受天線接收到之后，必須具有高效設(shè)備將微波轉(zhuǎn)化成為基礎(chǔ)的直流電。

2.1近場天線

在對近場諧振WPT理論進行談?wù)摗⒀芯恐蟀l(fā)現(xiàn)兩個線圈有時候會出現(xiàn)不向外輻射的高方磁場，也就是形成漸消的磁場形式。磁場強耦合可以在接收線圈與發(fā)射線圈兩者相對距離比較接近的情況下形成，這樣產(chǎn)生的磁場強耦合比電感應(yīng)式WPT的效率更高，靈活性能比較高。通過電磁場的理論，輻射天線的尺寸對近場的范圍有一定的限制，具體來說兩者成正比關(guān)系，天線的尺寸和近場諧振式的無線電能傳輸距離也成正比關(guān)系。

2.1.2八木宇田天線

也可以稱之為八木天線，其主要組成部分有反射器、引向器以及有源振子等。如圖2所示。一般情況下八木天線的增益只有短短的10～20db。由于其發(fā)散性能比較強，因此就目前看來還沒不能進行遠距離的無線電能傳輸。

2.3反射面天線

如圖3，其是利用拋物反射面的聚焦特性，其中的原理與光學(xué)反光鏡極為相似。都是波束隨著拋物面直徑和工作波長之間的比例的增加，而逐漸變窄，并且天線增益與波長的平方成反比，但與天線開口面幾何面積成正比關(guān)系。其公式為（1）反射面天線的增益G一般情況下可以做到30～40db，還可以更高，據(jù)有關(guān)的資料顯示，現(xiàn)在可將反射面的天線中的輻射功率的90%還可以更多包含在天線輻射方向土的主瓣中，由此可見，這種天線完全符合我們對WPT的要求，其可以作為我們需要的遠程WPT天線。接收天線的功率公式為公式（2），這里需要注意的是天線的物理口徑必須大與無線的有效口徑。（2）式可以稱為Friis傳輸公式，由此可知，發(fā)射天線的功率與接收天線受到的功率成正比，也與天線的增益成正比關(guān)系，而其與距離的平方成反比。這種情況下。我們可以通過提高增益來使接收到的功率得到提升，而且接收的功率會受發(fā)射和接收天線的影響。這樣的天線在應(yīng)用過程中，只能尋找和運用極大增加天下增益的辦法才能將天線的主瓣寬度限制得很狹窄。達到預(yù)定的要求。

3微波源

就目前來看我國常用的大功率微波源有以下器件：（1）射頻放大管：正交場管、行波管與速調(diào)管都屬于比較成功的管型，其中速調(diào)管是最為可靠的一種管型，因為其平均功率最大可達25--50kw，而且效率一般保持在30-40%。（2）固態(tài)微波放大器：因為一個固態(tài)器件所輸出的功率是有一定局限性的，因此在發(fā)射機中從正交場放大管和磁控管、從高功率的速調(diào)管、行波管等到固態(tài)器件的轉(zhuǎn)換速度不是很快。經(jīng)過有關(guān)計算，其功率只有20%。因此從上述器件可以看出，我國目前的微波源的效率以及功率等都還滿足不了電力系統(tǒng)的掛網(wǎng)經(jīng)濟的運行要求。

4結(jié)語

本文研究結(jié)果表明。雖然WPT技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用具備基本理論和實踐條件，但是要想運用到實際當(dāng)中來，尚有距離。

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