電磁輻射式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究綜述

蘇蒙，潘侃，李杰

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transmission，簡(jiǎn)稱(chēng)WPT）技術(shù)是通過(guò)發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的中繼能量（如電磁場(chǎng)能、激光、微波及機(jī)械波等），隔空傳輸一段距離后，再通過(guò)接收器將中繼能量轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸[1]。根據(jù)中繼能量的類(lèi)型可將當(dāng)前主流的WPT技術(shù)分為磁場(chǎng)耦合式、電場(chǎng)耦合式和電磁輻射式三個(gè)大類(lèi)[2-3]。其中磁場(chǎng)耦合式又可以分為電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸(Inductively Power Transmission，簡(jiǎn)稱(chēng)IPT)技術(shù)和磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸（Magnetic Resonance Power Transmission，簡(jiǎn)稱(chēng)MRPT）技術(shù)，這兩項(xiàng)技術(shù)都利用的是電磁感應(yīng)原理進(jìn)行電能傳輸，在傳輸距離方面MRPT是優(yōu)于IPT的，但是也僅僅只是達(dá)到了數(shù)米的距離。電場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)（Capacitive Power Transmission，簡(jiǎn)稱(chēng)CPT）以交變電場(chǎng)作為能量無(wú)線傳遞的載體，通常以原邊和副邊的多個(gè)板狀電極構(gòu)成的多個(gè)耦合電容作為能量傳輸路徑。CPT技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于耦合機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、空載損耗低以及對(duì)周?chē)慕饘佼愇锊幻舾械龋谔囟ǖ臈l件下甚至能夠?qū)崿F(xiàn)穿過(guò)金屬的無(wú)線電能傳輸。但是，CPT技術(shù)也有其局限性，例如電壓應(yīng)力高、傳輸距離短等。相比較于IPT、MRPT、CPT等技術(shù)，電磁輻射式無(wú)線電能傳輸技術(shù)在遠(yuǎn)距離的傳輸功率和傳輸效率上有明顯優(yōu)勢(shì)[4]。

1 電磁輻射式無(wú)線電能傳輸技術(shù)

當(dāng)前，電磁輻射式無(wú)線電能傳輸技術(shù)主要有微波無(wú)線電能傳輸（Microwave Power Transmission，簡(jiǎn)稱(chēng)MWPT)技術(shù)和激光無(wú)線電能傳輸技術(shù)（Laser Power Transmission，簡(jiǎn)稱(chēng)LPT）兩類(lèi)技術(shù)。

1.1 MWPT技術(shù)

MWPT技術(shù)利用電磁波中的微波來(lái)隔空進(jìn)行能量傳輸，MWPT技術(shù)示意圖如圖1所示。微波功率源將直流電轉(zhuǎn)換為微波之后，由發(fā)射天線將其發(fā)送到自由空間，傳輸一段距離之后，由接收天線將其接收并通過(guò)整流電路還原為直流電能，進(jìn)行后續(xù)的輸出。MWPT通過(guò)自由空間將電能直接從發(fā)射端天線傳送到接收端天線，傳輸過(guò)程中損耗相對(duì)較小，僅會(huì)在遮擋物、大氣浮塵等環(huán)境作用下產(chǎn)生少量損耗，傳輸效率較高；同時(shí)微波波束的方向和強(qiáng)度更易于控制，功率密度也符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)，非常適合中遠(yuǎn)距離的電能傳輸[5]。

圖1 MWPT技術(shù)示意圖

1.2 LPT技術(shù)

LPT技術(shù)依托激光作為能量傳輸載體，可以在中遠(yuǎn)距離下進(jìn)行無(wú)線能量傳輸，LPT技術(shù)示意圖如圖2所示。LPT技術(shù)的原理是電源為激光器供電，激光器將電能轉(zhuǎn)換成激光并由光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直并發(fā)射，通過(guò)瞄準(zhǔn)與追蹤系統(tǒng)獲取目標(biāo)位置并進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，控制發(fā)射機(jī)將激光束照射到光伏陣列上，再由光伏變換器將激光光能轉(zhuǎn)換成電能，驅(qū)動(dòng)目標(biāo)動(dòng)力裝置及電子設(shè)備或?qū)δ繕?biāo)上的儲(chǔ)能裝置充電。LPT系統(tǒng)具有收發(fā)口徑小、靈活性高、能量密度高、方向性好以及無(wú)EMI干擾等優(yōu)勢(shì)，但是，受跟瞄精度和大氣環(huán)境等因素的影響，系統(tǒng)整體效率不高[6]。

圖2 LPT技術(shù)示意圖

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)外的科學(xué)家就已經(jīng)開(kāi)始研究MWPT相關(guān)技術(shù)。1964年雷神公司斯賓塞實(shí)驗(yàn)室就通過(guò)MWPT技術(shù)實(shí)現(xiàn)200 W的直流傳輸功率，并最終驅(qū)動(dòng)2.38 kg的直升機(jī)飛行了10小時(shí)。之后，該公司在此基礎(chǔ)上不斷研究，1975年實(shí)現(xiàn)了傳輸距離1.7 m、直流輸出功率495 W、傳輸效率54%左右的MWPT實(shí)驗(yàn)。同年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室在莫哈韋沙漠的金石試驗(yàn)場(chǎng)，通過(guò)26 m口徑的拋物反射面天線實(shí)現(xiàn)了傳輸距離1.54 km，直流輸出功率30k W的MWPT實(shí)驗(yàn)。日本、加拿大等國(guó)家也在WPT上進(jìn)行過(guò)很多研究。在2015年，日本企業(yè)三菱重工公司通過(guò)眾多相控陣列天線進(jìn)行微波無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)，第一次利用微波能對(duì)1.8 kW的電能進(jìn)行無(wú)線傳輸，傳輸距離為55 m，而幾天后又將電量提升至10 kW，并成功的將約500 m外的接收裝置上安裝的LED燈點(diǎn)亮[7-9]。

相比較與MWPT技術(shù)，科學(xué)家對(duì)LPT的研究要晚一些。雖然，LPT技術(shù)早在1965年就被提出來(lái)，但是受限于關(guān)鍵器件的發(fā)展，LPT技術(shù)的研究進(jìn)度較慢。直到21世紀(jì)，隨著高功率激光器等技術(shù)的出現(xiàn)，LPT技術(shù)的技術(shù)研究才取得了巨大進(jìn)步[10-11]。

表1 21世紀(jì)國(guó)外LPT技術(shù)關(guān)鍵發(fā)展歷程

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)WMPT技術(shù)的研究起步較晚。1994年，電子科技大學(xué)林為干院士首次介紹了MWPT技術(shù)，從此國(guó)內(nèi)各高校及科研機(jī)構(gòu)的科研人員開(kāi)始了對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的深入研究。1999年，上海大學(xué)開(kāi)展了一系列的相關(guān)研究，在高效整流天線陣列、微波發(fā)射裝置的優(yōu)化等方面的實(shí)驗(yàn)研究取得了明顯的成果。2009年，四川大學(xué)科研組完成了國(guó)內(nèi)首個(gè)遠(yuǎn)距離MWPT實(shí)驗(yàn)。該科研組使用的是5.8 GHz的微波，實(shí)現(xiàn)了200 m的遠(yuǎn)距離無(wú)線電能傳輸。2018年，電子科技大學(xué)設(shè)計(jì)了三級(jí)功率放大器系統(tǒng)，保障了在輸出功率大于30 W的時(shí)候，傳輸效率為30 %[12-13]。2021年1月29日，小米公司公布自己的隔空充電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能手機(jī)的遠(yuǎn)距離無(wú)線充電，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電。

相比國(guó)外的科學(xué)研究，國(guó)內(nèi)對(duì)于LPT技術(shù)的研究較少，而且大部分還處于理論研究和初期實(shí)驗(yàn)階段。2014年北京理工大學(xué)基于優(yōu)化的GaAs光伏電池搭建了傳輸距離為100 m的LPT系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了9.7 W的傳輸功率，整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率大概為40 %。2018年，武漢大學(xué)成功實(shí)現(xiàn)了200 m范圍內(nèi)使用LPT技術(shù)為無(wú)人機(jī)供能，整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率大概為12%。2019年，山東航天電子技術(shù)研究所通過(guò)自行設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)激光無(wú)線電能傳輸捕獲瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在300-500 m范圍內(nèi)精準(zhǔn)跟蹤無(wú)人機(jī)，并保持400 W的傳輸功率。

3 技術(shù)特性及未來(lái)展望

當(dāng)前各項(xiàng)無(wú)線輸電技術(shù)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用情況如表2所示。

表2 不同無(wú)線輸電技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ?/p>

可以看出，IPT和MRPT技術(shù)無(wú)論是在技術(shù)成熟度還是應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛程度上都是要優(yōu)于MWPT和LPT的。這一方面是得益于IPT和MRPT技術(shù)發(fā)展較早，相關(guān)的研究投入較多；另一方面是得益于IPT和MRPT在技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度低以及配套的硬件設(shè)備較為成熟（相比較于MWPT和LPT技術(shù)）。但是，目前IPT和MRPT技術(shù)主要還是應(yīng)用在一些近距離的充電場(chǎng)景中（IPT主要是接觸式的無(wú)線電能傳輸，MRPT的最遠(yuǎn)應(yīng)用距離也不超過(guò)10m），這是因?yàn)镮PT和MRPT技術(shù)的傳輸功率會(huì)隨著距離的增加發(fā)生指數(shù)級(jí)的衰減，一旦超過(guò)一定的距離，充電的功率就會(huì)急劇衰減至接近于0。雖然MWPT和LPT技術(shù)也存在隨著距離增加功率衰減的問(wèn)題，但是，MWPT和LPT僅僅只是對(duì)數(shù)級(jí)別的衰減，在遠(yuǎn)距離無(wú)線電能傳輸上還是有明顯優(yōu)勢(shì)的[14-17]。

表3對(duì)比了IPT、MRPT、MWPT、LPT等技術(shù)在空氣中的主要特性區(qū)別。包含以下幾項(xiàng)：傳輸效率，傳輸距離，Rtr——傳輸距離及接收器直徑（即接收器大小）之比，傳輸最高功率及是否具有潛在危害性[18-22]。

表3 在空氣中不同無(wú)線輸電技術(shù)的對(duì)比

目前，在遠(yuǎn)距離無(wú)線電能傳輸方面，主流的研究方向還是MWPT和LPT技術(shù)。MWPT技術(shù)中，微波和電能的相互轉(zhuǎn)換效率尤其重要，微波發(fā)射端的定向發(fā)射能力和接收端的整流效率是提高整個(gè)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵，目前微波發(fā)射裝置的天線陣列定向輻射差，接收端整流裝置中的二極管存在能量損失等問(wèn)題都亟待解決。在LPT技術(shù)中同樣存在能量轉(zhuǎn)化效率低的問(wèn)題，LPT系統(tǒng)中激光發(fā)射器的功率、接收端光伏陣列的光-電轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前制約LPT技術(shù)發(fā)展的最大障礙。對(duì)于大功率、遠(yuǎn)距離傳送電能的微波或激光輸電來(lái)說(shuō)，傳輸效率是其必須要考慮的重要因素，但是目前由于受到設(shè)備、技術(shù)以及資金等各方面的限制，傳輸效率仍然很低。巨大的能量損耗及浪費(fèi)無(wú)疑與傳輸電能的初衷背道而馳，因此設(shè)法提高大功率無(wú)線輸電傳輸效率是很有前景的一個(gè)研究課題，其對(duì)于電力行業(yè)的發(fā)展以及改善目前全球面臨的資源短缺問(wèn)題都有十分重要的意義。