無(wú)線電力傳輸?shù)脑砑皯?yīng)用

楊海森

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東　廣州　510663）

無(wú)線電力傳輸?shù)脑砑皯?yīng)用

楊海森

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州510663）

電能現(xiàn)在已經(jīng)成為人類(lèi)賴以生存不可或缺的能源，在傳統(tǒng)的電能傳輸領(lǐng)域中，電能是通過(guò)導(dǎo)線作為載體來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移的，而無(wú)線電力傳輸技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)導(dǎo)線的束縛，因此得以在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的電能傳輸領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。所以，文章通過(guò)闡述無(wú)線電力傳輸技術(shù)在不同距離下的工作原理，結(jié)合當(dāng)代電力系統(tǒng)分析說(shuō)明了其在人類(lèi)生活不同層面的發(fā)展情況。

無(wú)線電力傳輸技術(shù)；電磁感應(yīng)；電磁耦合共振；無(wú)線波；原理及應(yīng)用

電力系統(tǒng)發(fā)展的步伐在隨著時(shí)代的潮流不斷前進(jìn)，那么電能的生產(chǎn)和輸送網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)電力技術(shù)自然也得到了很好的發(fā)展，例如無(wú)線電力傳輸技術(shù)。金屬電線作為電能傳輸載體早已遍布于高樓林立的現(xiàn)代城市供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，但是繁重冗余的傳統(tǒng)電線使得復(fù)雜便捷的電力網(wǎng)絡(luò)難堪重負(fù)，故障頻發(fā)引起火災(zāi)等重大事故，于是，無(wú)線電力傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為人類(lèi)多姿多彩的生活帶來(lái)了極大的便利性。

1　無(wú)線電力傳輸?shù)脑?/h2>

1.1電磁感應(yīng)—短程傳輸

19世紀(jì)30年代，法拉第以兩個(gè)線圈和一個(gè)鐵環(huán)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象以來(lái)，電與磁現(xiàn)象之間的秘密得以揭開(kāi)。電磁感應(yīng)現(xiàn)象的運(yùn)用可以使電能的輸送不再依賴于物體間直接傳輸，而是可以借助磁場(chǎng)來(lái)將電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化再進(jìn)行傳輸，變壓器正是基于此來(lái)實(shí)現(xiàn)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈中電能的變轉(zhuǎn)工作的。無(wú)線電力傳輸中的短程傳輸則是根據(jù)電磁耦合的規(guī)律而進(jìn)行的。

短距離無(wú)線電力傳輸?shù)碾姶篷詈显韴D，如圖1所示，其中，B為勻強(qiáng)磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)強(qiáng)度，L1和L2為兩個(gè)在不同平面的線圈，L1稱(chēng)為發(fā)射線圈，L2稱(chēng)為接收線圈，Z和D分別代表線圈間的距離和線圈L1的直徑距離，帶箭頭曲線代表磁感線。根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象分析可知，當(dāng)發(fā)射線圈L1中通以交變電流時(shí)，那么，這個(gè)交變電流便在周?chē)臻g范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)，由于回路是閉合的，于是隨著磁感線切割發(fā)射線圈L1周?chē)拇艌?chǎng)，使得該閉合回路的磁通量發(fā)生變化，最后在接收線圈L2中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=BLV·sinA（其中sinA為V或L與磁感線的夾角）。實(shí)際應(yīng)用中，L2端可接負(fù)載或接收電能的設(shè)備如電池，圖2所示為基于電磁感應(yīng)的無(wú)線充電原理，這一產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)能量便能傳輸?shù)蕉味嗽O(shè)備，例如以色列的Powermat（無(wú)線電源科技公司）公司推出的“電源墊”便是典型的應(yīng)用電磁感應(yīng)現(xiàn)象的裝置。

圖1　短距離無(wú)線電力傳輸電磁耦合原理

圖2　電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電

1.2電磁耦合共振—中程傳輸

類(lèi)似于物體在相同頻率下發(fā)生聲音共振的現(xiàn)象，電磁共振耦合現(xiàn)象則是指兩個(gè)裝置在相同頻率下發(fā)生能量傳輸?shù)倪^(guò)程，如圖3所示為利用磁共振原理實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電的示意圖，在中遠(yuǎn)距離無(wú)線電力傳輸中得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電方式正是基于這一原理而得以實(shí)現(xiàn)的。

圖3　磁共振原理實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電

中程距離的電磁共振耦合裝置由兩個(gè)線圈構(gòu)成，同樣地分為發(fā)射裝置和接收裝置。但與短程傳輸不同的是，該系統(tǒng)中的發(fā)射與接收裝置不分彼此，也就是說(shuō)，發(fā)射裝置既可作為發(fā)送能量端也可作為接收能量端，這是因?yàn)閮蓚€(gè)線圈都各自有相應(yīng)的自振系統(tǒng)，而且發(fā)送端中的直接能量傳輸形式不再是電磁波，而是振蕩電流，電磁波則是由振蕩電流產(chǎn)生的。于是，能量的傳輸過(guò)程則成為：發(fā)送裝置振蕩器（與能量相連）→振蕩電流→電磁波→磁場(chǎng)→接收裝置，圖4是基于電磁共振的無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)框圖，很好地描述了電路裝置中能量的傳輸過(guò)程。值得注意的是，當(dāng)接收裝置中的自身頻率與傳輸過(guò)來(lái)的電磁波頻率相同時(shí)，電路中的能量傳輸效率最高，中遠(yuǎn)距離的無(wú)線電力傳輸形式也是無(wú)線電力傳輸技術(shù)中傳輸效率較高的。

圖4　基于電磁共振的無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)框圖

1.3微波/激光—遠(yuǎn)程傳輸

根據(jù)無(wú)線電波的波長(zhǎng)與定向性程反比的電波理論，所以在電能的無(wú)線電力在遠(yuǎn)程距離傳輸時(shí)便采用波長(zhǎng)很短的微波或激光的形式來(lái)完成，微波頻率介于300MHz～300GHz之間，0.1cm～1m之間，是傳輸能量較高的電磁波。無(wú)線電波傳輸電能的原理和所謂的礦石收音機(jī)相似，以微波形式為例，由微波發(fā)送裝置和微波接收裝置組成，微波源可由直流電或頻率為50Hz的交流電經(jīng)半導(dǎo)體器件組成。如圖5所示是無(wú)線電波式的電能傳輸示意圖，由此可以看出微波電力傳輸裝置可分為微波源、發(fā)射天線和接收天線3部分，以此實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。

圖5　運(yùn)用無(wú)線電波實(shí)現(xiàn)電能傳輸示意

2　無(wú)線電力傳輸?shù)膽?yīng)用與發(fā)展前景

2.1解決電力線路架設(shè)困難地區(qū)的電能輸送問(wèn)題

傳統(tǒng)的電能傳輸是通過(guò)架設(shè)電力線路而完成的，然而在高原、沙漠這些地方往往很難鋪設(shè)，并且由于某些需要建立如科研工作站、衛(wèi)星監(jiān)控站等場(chǎng)所而必須保證其正常供電，那么，無(wú)線電力傳輸技術(shù)在這些地方的運(yùn)用就顯得很有必要了。此外，為充分利用自然能源，電力企業(yè)會(huì)因?yàn)殛?yáng)光充足而選擇在西北地區(qū)如新疆、西藏等地發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電，在南方雨水量充足的地方如長(zhǎng)江三角洲、風(fēng)力能源充足的沿海地帶發(fā)展水力和風(fēng)力發(fā)電，同樣的因?yàn)榘l(fā)電站電力線路鋪設(shè)和電能傳輸困難的原因，電力部門(mén)往往選擇無(wú)線電力傳輸技術(shù)解決這一難題，如此一來(lái)不僅實(shí)現(xiàn)了電能的穩(wěn)定運(yùn)輸，還減低了電力系統(tǒng)運(yùn)行的電纜鋪設(shè)成本。

2.2輸送衛(wèi)星太陽(yáng)能電站的電能返回地面

衛(wèi)星太陽(yáng)能電站是實(shí)現(xiàn)將太空中的太陽(yáng)能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的裝置，再運(yùn)用無(wú)線電傳輸技術(shù)將太空電站轉(zhuǎn)化而來(lái)的電能以電磁波的方式返回地面，地面工作站再將這些返回的能量進(jìn)行變化、調(diào)度，最終通過(guò)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)給用戶供電。衛(wèi)星太陽(yáng)能電站電能回傳地面主要是運(yùn)用了無(wú)線電傳輸技術(shù)中的遠(yuǎn)距離傳輸（無(wú)線波式傳輸）的特點(diǎn)，將大氣層外的太空所接收的不竭能源—太陽(yáng)能充分利用，這種能源既環(huán)保又充足，不失為資源逐漸消耗的工業(yè)社會(huì)時(shí)期的重要能量來(lái)源。

2.3在家用電器、手機(jī)、汽車(chē)等產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電

隨著無(wú)線電力傳輸技術(shù)的大力發(fā)展，這一技術(shù)不單只在浩大的電力系統(tǒng)工程中得到廣泛的應(yīng)用，在我們的生活周邊中隨處可見(jiàn)的電器產(chǎn)品如手機(jī)、電腦、平板等身上，也有望在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電技術(shù)的大規(guī)模普及。目前，海爾、LG等公司在無(wú)線充電領(lǐng)域也實(shí)現(xiàn)了新的突破，例如海爾應(yīng)用在大功率家用電器上的無(wú)線充電進(jìn)程中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)效率高達(dá)90%，充電功率接近1kW，可實(shí)現(xiàn)隔墻充電的突破；還有LG公司的推磁共振充電技術(shù)，可以做到手機(jī)和充電器距離遠(yuǎn)達(dá)7厘米的程度，也就是說(shuō)隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷深入研發(fā)，未來(lái)只要在房間中裝設(shè)無(wú)線充電器，手機(jī)在口袋中就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)續(xù)航了。

3　結(jié)語(yǔ)

盡管無(wú)線電力傳輸技術(shù)當(dāng)前在傳輸效率、健康問(wèn)題等方面還存在許多待解決的問(wèn)題，但是依然不能阻擋它前進(jìn)的步伐。目前來(lái)看，無(wú)線電力傳輸技術(shù)不管是在地面長(zhǎng)距離輸電領(lǐng)域、太空太陽(yáng)能電站回傳電能技術(shù)，還是智能社會(huì)中如家用電器、汽車(chē)無(wú)線充電領(lǐng)域中都將得到廣泛的應(yīng)用，是未來(lái)引領(lǐng)新技術(shù)革命中最有潛力的一項(xiàng)技術(shù)。

［1］王秩雄，胡勁蕾，梁俊，等.無(wú)線輸電技術(shù)的應(yīng)用前景［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（1）：82.

［2］劉永軍.無(wú)線電力傳輸技術(shù)：創(chuàng)造未來(lái)空間神話［J］.中國(guó)電子商情（基礎(chǔ)電子），2008（11）：70-75.

［3］曾翔.無(wú)線電力傳輸技術(shù)的研究［J］.硅谷，2010（10）：25-27.

［4］楊成英，陳勇.中程距離無(wú)線輸電的實(shí)現(xiàn)［J］.科技信息，2009（3）：45-47.

Principle and application of wireless power transmission

Yang Haisen
（Guangdong Electric Power Design Institute Corporation Limited of China Energy Engineering
Corporation Limited， Guangzhou 510663， China）

Power has now become the indispensable energy to the survival of human， in the traditional power transmission field， power realized the energy transfer through the wire as a carrier， and wireless power transmission technology gets rid of the shackles of the traditional wire， so that it can be widely used in the power transmission field of modern power system. So， based on working principle of wireless power transmission technology in different distance and combining with modern power system analysis， this paper explained the development situation in different levels of human life.

wireless power transmission technology； electromagnetic induction； electromagnetic coupling resonance； wireless wave

楊海森（1984— ），男，湖北宜昌，本科；研究方向：配電網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)。