電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和收集技術(shù)初探

王雪辰 魯先法 湯磊

摘 要：隨著微電子技術(shù)和通信技術(shù)飛速發(fā)展，電磁輻射充斥了自然空間。針對當(dāng)前無處不在的具有能量的電磁輻射，探討了一種電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和收集技術(shù)，一方面提示人們主動地遠離電磁輻射污染源，另一方面將電磁輻射傳播的能量轉(zhuǎn)換成有價值的電能，并收集和保存在超能存儲器中，使之變廢為寶。

關(guān)鍵詞：電磁輻射；能量轉(zhuǎn)換；能量收集；能量存儲

引言

電場和磁場的交互變化產(chǎn)生電磁波，電磁波向空中發(fā)射或泄露的現(xiàn)象，叫電磁輻射。電磁輻射由自然電磁輻射源和人為電磁輻射源組成，其中自然界電磁輻射源包括雷電、太陽黑子活動和宇宙射線等；人類社會形成的電磁輻射源則包括電腦、電視、音響、微波爐、電冰箱、手機、傳真機、通訊站、高壓電線、電動機、航空、電氣鐵路、廣播、電視發(fā)射臺、移動通信基站、雷達系統(tǒng)、電力產(chǎn)業(yè)的機房、衛(wèi)星地面工作站、調(diào)度指揮中心等。電磁輻射覆蓋了所有頻段，幾乎無處不在，且電磁波在傳播時有一個電場和磁場分量的振蕩，分別在兩個相互垂直的方向傳播能量，具有能量的電磁輻射充斥整個宇宙空間。這種電磁輻射能量積累到一定的程度，將會對人體造成永久不可逆的傷害。

因此，設(shè)計一個能夠?qū)㈦姶泡椛渥儚U為寶的能量轉(zhuǎn)換和收集裝置顯得尤為迫切和重要，一方面可警示人們主動地遠離電磁輻射源，另一方面使具有巨大累積能量的電磁輻射能夠為社會服務(wù)。

關(guān)于將自然界中存在的能量進行轉(zhuǎn)換和存儲的文獻、專利和應(yīng)用多見于風(fēng)能轉(zhuǎn)換、太陽能轉(zhuǎn)換和機車類等能量回收。目前尚未見將電磁輻射能量進行轉(zhuǎn)換和存儲的相關(guān)文獻，因此，展開該技術(shù)的研究和探索具有極為重要的意義和價值。

1 系統(tǒng)模型

1.1 電磁輻射的特點

在復(fù)雜電磁環(huán)境下，通常在某一接收感應(yīng)點會聚集各個頻段各種能量的空中無線信號，包括直達波、發(fā)射波和繞射波等。系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 電磁輻射模型

雖然電磁信號在傳播時存在著能量損耗，如自由空間損耗公式為：

（1）

其中f單位為MHz；d的單位為千米?？紤]城區(qū)應(yīng)用模型，則損耗公式為：

（2）

其中L50為傳播路徑損耗值的50%（即中值）；Amu（f，d）為自由空間中值損耗；G（hte）為發(fā)射站天線高度增益因子；G（hre）為接收天線高度增益因子；GAREA為環(huán)境類型的增益。

如果f取1000MHz，d取1千米，則LS為92.45dB，可見電磁信號空中傳播雖然存在一定的衰減，但由于信號眾多，空間仍然具有極大的電磁波能量。

由此可見，完全有必要展開電磁能量感應(yīng)、轉(zhuǎn)換、收集和存儲技術(shù)的研究。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

針對電磁輻射的特點，設(shè)計了圖2所示的電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和存儲電路。

圖2 電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和收集存儲電路

整個電路包括天線、無源能量轉(zhuǎn)換和存儲電路、能量指示電路、開關(guān)電路以及充電電路。電路中的天線用以感應(yīng)和接收空中的電磁輻射波。無源能量轉(zhuǎn)換和存儲電路由電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換模塊和能量存儲模塊兩部分組成，電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換模塊可根據(jù)實際需求采用寬帶化射頻接收通道設(shè)計，首先電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換模塊將天線感應(yīng)的電信號進行能量累積，并通過T型無源高阻抗電路將電信號轉(zhuǎn)換成電壓型電信號后送到能量存儲模塊，能量存儲模塊采用超能存儲器件設(shè)計，感應(yīng)的電磁能量進行存儲，其中超能存儲器采用超級電容實現(xiàn)微弱能量的快速回收。能量指示電路則實時將感應(yīng)到的信號強度進行計算，并進行結(jié)果顯示和警示。

開關(guān)電路為低耗能電路，當(dāng)能量存儲模塊存儲的電能達到一定的幅值后，將觸發(fā)開關(guān)電路，通過開關(guān)電路及充電電路將能量存儲電路存儲的能量轉(zhuǎn)換為電池所需的額定電壓和電流對可充電電池進行充電。

1.3 能量轉(zhuǎn)換和存儲原理

能量轉(zhuǎn)換和存儲電路的核心部件為超能存儲器件，研究時采用超級電容作為超能存儲器件。單體超級電容外觀如圖3所示。而實際使用時，往往采用超級電容系統(tǒng)來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和存儲，超級電容系統(tǒng)由單體超級電容串并聯(lián)組成，如圖4所示。

超級電容的基本原理是通過極化電解質(zhì)來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和存儲。超級電容在儲能的過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且這種儲能過程可逆，即可以進行放電處理，也就是說，超級電容可以反復(fù)充放電。其儲能過程可以被視為電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)的活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負離子，負極板吸引正離子，從而形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。

超級電容的表面積采用多孔碳材料，多孔碳的材料結(jié)構(gòu)使其面積可達2000m2/g，與電解液接觸的面積大大增加。超級電容的電荷之間的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的，這個距離相當(dāng)小，僅為幾個納米。足夠大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容較傳統(tǒng)電容器而言有驚人的靜電容量，這也是超級電容的“超級”所在。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 超級電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當(dāng)超級電容內(nèi)部兩個電極板間電勢低于電解液的氧化還原電位時，電解液界面上的電荷則被吸附，超級電容處在正常充電工作狀態(tài)。當(dāng)超級電容兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，處于非正常狀態(tài)。隨著超級電容的放電，正負極板上的電荷被外電路泄放。由此可以看出超級電容的充放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)，因此性能是穩(wěn)定的。

電容器存儲的電勢能為E=■CU2，再利用庫侖定律Q=CU可得：

E=■ （3）

其中C是電容器容量；U是電壓；Q是電容器的總電荷量，只要影響電壓和總電荷量就會影響能量密度，電解液的變化是影響能量密度的重要原因之一。

在本項目中利用超級電容上述的特性來實現(xiàn)能量存儲，其過程如同“移峰填谷”，如圖6所示。

圖6 能量轉(zhuǎn)換和存儲原理

其實質(zhì)就是將波動的能量變成較平滑的能量輸入，在達到一定的電壓值后進行能量釋放，如為附屬充電電路進行充電。

2 試驗和分析

2.1 電磁輻射能量可收集性測試

為了進一步驗證論文研究的必要性和測試的直觀簡單，采用800～3000MHz的移動通信板型天線對移動通信信號進行了測試，因為該頻段信號較為密集，依據(jù)國家信工部對移動通信頻率的劃分，可以得到表1所示的頻率分配表。

首先借助800MHz～3000MHz寬帶接收機對頻率范圍的信號進行了搜索，然后采用FFT算法將實際測試的信號進行了頻譜顯示，得到如圖7所示的頻譜圖和圖8所示的頻譜占用圖。

圖7 實測頻譜圖 圖8 城區(qū)頻譜占用情況

由圖可見，移動通信信號輻射無處不在、無時不有，密集存在且強度較大，實際最大值可達-39dBm，如距離移動通信基站50米左右，平均值約-65dBm?？梢妼⑦@些能量累積并收集具有重大的社會和現(xiàn)實意義。

2.2 能量轉(zhuǎn)換可行性測試

試驗首先測試了電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和收集存儲電路的能量和轉(zhuǎn)換收集能力。試驗時在電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和收集存儲電路前方5米處利用手機屏蔽器發(fā)射掃頻干擾信號。電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和收集存儲電路則可以將干擾信號的能量進行累積并感應(yīng)和轉(zhuǎn)換，為了驗證有無能量轉(zhuǎn)換和存儲，采用了微功耗的LED指示燈進行了試驗，如圖9所示。

圖9 能量轉(zhuǎn)換能力測試

測試過程中可見LED燈處于時亮?xí)r滅的狀態(tài)，這表明的確有能量轉(zhuǎn)換且被存儲，并可以用來驅(qū)動LED指示燈。

2.3 能量轉(zhuǎn)換能力測試

為了驗證能量轉(zhuǎn)換的可行性，驗證能量存儲模塊的能量存儲能力，試驗時實時監(jiān)測和描繪了轉(zhuǎn)換的效率波形，即實時記錄能量存儲模塊的電壓波動情況，并進行圖形描繪，如圖10所示。

圖10 能量轉(zhuǎn)換速率

由圖10可見，整體轉(zhuǎn)換速率較為緩慢的。主要原因在于：測試過程沒有采用全頻段天線，僅僅對800～3000MHz范圍內(nèi)的信號進行了感應(yīng)，而且天線效率極低，大量的電磁能量沒有得到有效的轉(zhuǎn)換；超級電容較為簡單。但也可以看出，文章研究的能量轉(zhuǎn)換、收集和存儲技術(shù)是可行的。

如果經(jīng)過進一步的軟硬件優(yōu)化和修改，尤其是高性能的感應(yīng)天線和大容量的超級電容，則可將該技術(shù)應(yīng)用于各種小電壓可充電電池的充電，也可廣泛應(yīng)用于其他場合。

3 結(jié)束語

文章研究了一種全頻段電磁輻射感應(yīng)電路的設(shè)計，初步探討了電磁波能量的轉(zhuǎn)換、收集和存儲技術(shù)，一方面進行了能量顯示和提示，另一方面也是最為重要的一個方面是實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換和變廢為寶。該研究成果還可應(yīng)用于人體健康防護、居住環(huán)境電磁監(jiān)測、精密儀器儀表電磁泄漏檢測。