無線電力傳輸系統(tǒng)的發(fā)展與展望

王萍++楊錦寧++崔舜華

摘 要：由近期無線輸電的發(fā)展來看，微波無線輸電的成功實(shí)驗(yàn)有效推動(dòng)了太空太陽能發(fā)電領(lǐng)域的進(jìn)步。無線輸電技術(shù)受到世界各國的普遍重視，正式因?yàn)槿祟悅ゴ蟮陌l(fā)明和創(chuàng)造能力，才能推動(dòng)科技的不斷進(jìn)步。盡管在無線輸電技術(shù)的發(fā)展道路上必然會存在各種需要攻破的難題，但正是因?yàn)榍熬暗膹V泛性，才推動(dòng)我們不斷探索，相信無線輸電技術(shù)在未來能有長足的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：無線輸電；磁耦合諧振；太空太陽能

1. 無線輸電技術(shù)發(fā)展背景

第二次工業(yè)革命后，人們邁入電氣時(shí)代，電力廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)與社會生活中，極大地促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和提高了人們的生活水平。現(xiàn)如今在日常生活中，我們隨處可以見到電力系統(tǒng)的輸電線路，但在新聞報(bào)道中我們也會聽到有關(guān)于廢棄電線桿以及過密輸電線路給城市美觀造成的不良影響，甚至老化的輸電線路由于摩擦、磨損和部分裸露的問題，導(dǎo)致很容易產(chǎn)生接觸火花，嚴(yán)重影響到供電系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)給整個(gè)用電系統(tǒng)的正常運(yùn)行也造成了極大的隱患。同時(shí)無線通信技術(shù)作為一個(gè)全新的科學(xué)技術(shù)在迅猛的發(fā)展，拜托有形的介質(zhì)的束縛，實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)哪康?，在信號傳輸方面已?jīng)取得很大進(jìn)展，如果能量即電能也可以像信號那樣不再依靠于介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)非接觸的電能傳輸，這一技術(shù)在科技革命中也應(yīng)運(yùn)而生。[1]

國內(nèi)外在無線電能傳輸這方面展開了深入的研究，也取得了很大進(jìn)展，但是還有很多問題尚未解決，無線電能傳輸理論有待突破，傳輸功率和效率有待提高等。

提出并研究無線輸電的新原理，這不僅減少了輸電導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保的要求，并且解決了回路輸電中存在的一些問題，最重要的是無線電力傳輸系統(tǒng)大大提高了輸電的方便性，為電力系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的契機(jī)。

2. 無線電能傳輸發(fā)展

早在1889年無線電之父尼古拉·特斯拉就提出了無線輸電的想法，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對無線傳電技術(shù)進(jìn)行開發(fā)與研究，即將低頻高壓電流轉(zhuǎn)化為高頻電流，在僅有空氣作為媒介的情況下來輸電。在1891年7月30日35歲的特斯拉在紐約的休斯頓街的實(shí)驗(yàn)室用機(jī)電振蕩器進(jìn)行了機(jī)械共振實(shí)驗(yàn)，這一實(shí)驗(yàn)使周圍的一些建筑物產(chǎn)生了共振，由于實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性，他被迫強(qiáng)拆自己的房子來終止實(shí)驗(yàn)，但期間他在紐約一些地方無線點(diǎn)亮了那里的電燈，為無線傳輸?shù)目赡苄蕴峁┝俗C據(jù)

2006年麻省理工學(xué)院科研小組首次提出磁耦合諧振式無線電能兩傳輸技術(shù)的理論，其通過最尖端的技術(shù)可以利用“諧振式電磁感應(yīng)”將無線電力傳輸?shù)饺?，隔空點(diǎn)亮了60瓦的燈泡，超過三公尺距離就點(diǎn)不亮了，超過十公尺就沒電了。

2007年8月，在日本召開的“無線電源革命研究會-單元小時(shí)之日”研究會上，專家們著重討論了無線電能傳輸發(fā)展的前沿動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀，他們語言：無線電能傳輸時(shí)代即將到來。

2009年8月日本長野無線公司宣布開發(fā)出了基于磁共振的無線充電系統(tǒng)，可以確保短距離內(nèi)較高的輸電效率。

日本東京大學(xué)Takehiro Imura 課題組針對 kHz 至GHz 頻帶內(nèi)不同點(diǎn)的電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真，并對螺旋線圈諧振器的傳輸效率與相對位置之間建立函數(shù)關(guān)系和實(shí)驗(yàn)研究。

2015年3月8日，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）聲明，其研究人員利用微波，將1.8千瓦電力以無線方式，精準(zhǔn)地傳輸?shù)?5米距離外的一個(gè)接收裝置。[1]

2015年3月12日，日本三菱重工也宣布，科研人員將10千瓦電力轉(zhuǎn)換成微波后輸送，其中的部分電能成功點(diǎn)亮了500米外接收裝置上的LED燈。這也是迄今為止日本在國內(nèi)成功實(shí)驗(yàn)中距離最長、電力最大的一次。

由近期無線輸電的發(fā)展來看，微波無線輸電的成功實(shí)驗(yàn)有效推動(dòng)了太空太陽能發(fā)電領(lǐng)域的進(jìn)步。這一技術(shù)需要雄厚的技術(shù)支持和實(shí)驗(yàn)研究作為基礎(chǔ)，又由于其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和廣泛的應(yīng)用前景，無線輸電技術(shù)受到世界各國的普遍重視，正式因?yàn)槿祟悅ゴ蟮陌l(fā)明和創(chuàng)造能力，才能推動(dòng)科技的不斷進(jìn)步。

3. 無線電能傳輸展望

作為一個(gè)新興的理論，無線電能傳輸自出現(xiàn)之日就備受關(guān)注，同時(shí)國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者在此方面都展開了積極的研究，這也證明了無線電能傳輸發(fā)展的重要性和必要性，側(cè)面的反映了無線電能傳輸?shù)膶?shí)用價(jià)值性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

假若我們在不破壞環(huán)境的前提下，在陸地上將無線輸電的發(fā)射器和接受器與我們所處的自然環(huán)境相融合，在無介質(zhì)的情況下將電能有方向性的進(jìn)行傳輸，這將會解決一系列電力系統(tǒng)中現(xiàn)存的一些問題。

從國內(nèi)方面來看，無線輸電技術(shù)對我國這樣地理環(huán)境復(fù)雜的能源大國來說就像一道曙光，照亮經(jīng)濟(jì)發(fā)展的道路。我們可以利用無線輸電技術(shù)作為中轉(zhuǎn)，將人煙稀少、地形復(fù)雜、施工困難的西部地區(qū)的太陽能資源輸送到便于架線的地方后，將接收到的電能投入電網(wǎng)使用。又例如我國南方部分地區(qū)，水能、風(fēng)能資源豐富，但這些地區(qū)的地勢地形對電力系統(tǒng)的構(gòu)建造成很大困擾，這時(shí)候無線輸電便派上了用場。

大的方面來看，由于地球上的人口在不斷增長，地球上的自然資源也在不斷被消耗，人類在通過各種途徑開發(fā)新的能源，當(dāng)我們把目光從地球轉(zhuǎn)向地球外的世界時(shí)，神秘廣袤的宇宙中蘊(yùn)含著無窮的能量，太空中的光能資源可謂異常充足，因?yàn)槠渫耆幌裨诘厍蛏夏菢邮艿綍円?、陰晴和季?jié)的變化，我們可以在太空建一座太陽能發(fā)電站，同時(shí)還可以利用月球上豐富的SiO2資源，制造太陽能電池，將太陽能電站建在月球上，然后借助無線電能傳輸技術(shù)將電能發(fā)送到地球。[2]

盡管在無線輸電技術(shù)的發(fā)展道路上必然會存在各種需要攻破的難題，但正是因?yàn)榍熬暗膹V泛性，才推動(dòng)我們不斷探索，相信無線輸電技術(shù)在未來能有長足的發(fā)展。■

參考文獻(xiàn)

[1] 趙爭鳴，張藝明，陳凱楠. 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)新進(jìn)展[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（3）：1-13.

[2] 王秩雄，胡勁蕾，梁俊，王長華. 無線輸電技術(shù)的應(yīng)用前景[J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，4（1）：82-04.endprint