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无线输电基本原理及应用研究
无线输电基本原理及应用研究
摘要:
文章对基于电磁感应、谐振、磁耦合共振和微波四种基本原理的无线输电技术进行了介绍和分析,展望了其在生活、医学、偏远地区供电、军事以及太阳能空间发电站等多种特殊场合的应用,用数据说明了无线输电存在的传输效率低等亟待解决的问题。
虽然无线输电的普及应用目前受到各方面因素的限制,但其仍然具有广阔的发展前景。
关键词:
无线输电磁耦合共振微波空间太阳能发电站传输效率
Abstract:
Inthispaper,fourbasicprinciplesofwirelesspowertransmission,electromagneticinduction,harmonicvibration,magneticallycoupledresonanceandmicrowave,areoverviewedandanalyzed.Thistechnologyhasnumbersofapplicationsinsomespecialcasessuchasdailylife,iatrology,powersupplyinremotearea,militaryandsolarpowerfromspace.Somedataisrecommendedtodemonstratetherelativelylowtransmissionefficiencyandotherproblemsthatshouldberesolvedinstantly.Thewirelesspowertransmissiontechnologywillhavebroaddevelopmentprospectsalthoughsomefactorshasrestricteditsapplication.
KeyWords:
Wirelesspowertransmission;Magneticallycoupledresonance;Microwave;Solarpowerfromspace;Transmissionefficiency
电能的输送是电力系统中发电和用电的中间环节,目前比较成熟的输电方式有交流输电和传统的高压直流输电。
无线输电作为一种特殊的输电方式,利用无线电传输电力能量,相对于传统的输电在特定的场合有其突出的优势,发展前景十分美好。
1无线输电基本原理
无线输电技术根据其应用场合的变化有不同的原理,技术方案也不尽相同。
1.1电磁感应原理
此原理与电力系统中常用的变压器原理类似。
在变压器的原边通入交变电流,副边会由于电磁感应原理感应出电动势,若副边电路连通,即可出现感应电流,其方向的确定遵从楞次定律,大小可由麦克斯韦电磁理论解出。
电力系统中的电压、电流互感器也是采用了类似的原理。
相对于无线输电而言,变压器的原边相当于电能发射线圈,副边相当于电能接收线圈,这样就可以实现电能从发射线圈到接收线圈的无线传输。
虽然电磁感应原理在电力系统中应用的初衷并不侧重于电能的传输,而是利用能量的转化改变电压、电流的数量级,但其对无线输电确实产生了一定的启发作用,尤其是电能的小功率、短距离传送。
目前使用电磁感应传递电能的主要有电动牙刷,以及手机、相机、MP3等小型便携式电子设备,由充电底座对其进行无线充电。
电能发射线圈安装在充电底座内,接收线圈则安装在电子设备中。
这种原理的无线输电方式市场上已经存在[1]。
1.2谐振式无线输电
这种无线输电方式与无线通信原理有点类似,其发送端谐振回路的电磁波全方位开放式弥漫于整个空间,在接收端回路谐振在该特定的频率上,从而实现能量的传递[3]。
这种输电方式在接收端输出功率比较小时可以得到较高的传输效率。
但其存在电磁辐射,传输功率越大,距离越远,效率越低,辐射就越严重。
因此这种方式也是只适用于小功率、短距离的场合。
1.3磁耦合共振原理
这种方式需要发射和接收两个共振系统,可分别由感应线圈制成。
通过调整发射频率使发射端以某一频率振动,其产生的不是弥漫于各处的普通电磁波,而是一种非辐射磁场,即把电能转换成磁场,在两个线圈间形成一种能量通道。
接收端的固有频率与发射端频率相同,因而发生了共振。
随着每一次共振,接收端感应器中会有更多的电压产生。
经过产生多次共振,感应器表面就会集聚足够的能量,这样接收端在此非辐射磁场中接收能量,从而完成了磁能到电能的转换,实现了电能的无线传输。
未被接收的能量被发射端重新吸收。
这种非辐射电磁场的范围比较有限,不适用于长距离,要求发射端与接收端在感应线圈半径的8倍的距离之内[1]。
2007年,以美国麻省理工学院物理学家MarinSoljacic为首的研究小组利用此原理,以两个直径60cm的铜线感应线圈作为共振器,一个与电源相连,作为发射器,另一个与台灯相连,作为接收器。
他们成功把一盏距发射器2.13m开外的60W灯泡点亮。
从而在实验上说明了此原理的可行性。
1.4微波无线输电
前几种无线输电方式适用的距离、传输的功率都比较小,要想实现长距离、大功率的电能无线传输,则可采用微波或激光的传输方式。
由于微波或激光的波长比较短,故其定向性好,弥散小,可用于实现电能的远程传输。
这种传输系统由电源、电磁波发生器、发射天线、接收天线、高频电磁波整流器、变电设备和有线电网组成,其大致流程如下。
电源→电磁波发生器→发射天线→
接收天线→整流器→变电→有线电网
电磁波发生器是微波源或激光器,把电源传送的电能转变为大功率、高频的电磁波,馈送给发射天线。
发射天线将电磁波发送出去。
接收天线收集电磁波的能量并输入高频电磁波整流器,产生的高压直流电经逆变后送入有线电网。
整流器是无线输电的关键器件。
适用于大功率、高电压的是回旋波微波整流器,而小功率、低电压的是半导体微波整流器。
两者单管的整流效率均接近85%[4]。
回旋波微波整流器的基本原理是快回旋电子束波在谐振腔中共振吸收微波能量,其本质上是直流电源,负载过载时一般能够快速自我保护,并在过载消失时能快速自动恢复正常工作。
在使用中,输入微波频率、谐振腔频率和回旋频率三者应尽可能接近。
对于半导体微波整流器可使用肖特基二极管整流器。
微波接收整流天线可使用微带贴片天线,其重量轻,体积小,接收面积大,很容易实现极化形式以及设计和加工,适合于微波飞机、高空平台、轨道输电等对天线质量要求严格的场合,但其需要钻孔。
还有几种具有平行结构的共面带线整流天线,避免了钻孔,但其接收面积小,增益低,系统接收功率有限。
目前我国有人设计了一种新型5.8GHz混合结构的接收整流天线,兼备两种天线的优点,便于大规模推广。
2无线输电应用展望
在一些特殊场合,无线输电技术可以大显神通,从普通生活常用电子设备到宇宙空间,无线输电的应用前景十分广阔。
2.1在日常生活中的应用
如果无线输电技术能够得以成熟应用,可能会引起一场家居革命。
将发射端隐藏在天花板上,房间里的各种电气设备便可接收无线电能。
杂乱如麻的电线和插板将不复存在,而且一次性非充电电池的使用量也会大为减少,对节约资源和保护环境都非常有利。
各大公共场所都会安装无线充电设备,就不会出现没带充电器而不知所措的问题。
电车也不必到充电站进行充电,而且也会减少因蓄电池没电而停止运行的情况。
2.2医学上的应用
目前很多疾病的治疗需要在人体中植入电子设备,比如心脏起搏器等。
但如果这些电子设备在运行过程中电能被消耗完,病人再去做手术取出来或是换电池将是一件非常麻烦而且危险的事情。
无线输电技术在这方面可以大显身手。
利用无线输电技术,不用对病人做手术即可对人体内的电子设备充电,从而延长其使用期限,减少了不必要的麻烦。
2.3给难以架设输电线路的地方输送电能
在高山、海岛、沙漠等地方架设输电线路是非常困难和危险的,而且日后的线路检修以及故障修复等都障碍重重,将电能以无线的形式输送到这些地方是十分合理的。
还有一些用电量比较小的分散的村落,用无线输电可以提高总体的经济效益。
长期工作在恶劣环境中的机器人采用无线输电就可以解决其电池电量耗完而停止工作的问题。
庞大系统中某些需要单独供电的精密设备,用无线形式对其进行充电,也能避免因给设备换电池带来的繁琐工作。
2.4应用于空间太阳能发电
空间太阳能发电,即在地球外层空间建立太阳能发电基地,通过微波将电能送回地球。
一般有两种方式,一种是太阳能电池把阳光直接转变为电能,另一种是用太阳能聚光镜把阳光聚起来作为热源,类似于热电厂发电。
空间太阳能发电站有很多优势,比如,距地球约36000km的轨道上的太阳能约为地球上的1.4倍[1],而且其发电没有昼夜交替的问题,一天24h可以持续发电。
日本拟于2020年建造试验型太阳能发电站SPS2000,2050年进入规模运行。
3亟待解决的问题
种种无线输电方式,都有其自身的局限性以及需要解决的技术问题。
其中无线输电的传输效率以及装置投入运行的可行性是非常值得研究的课题,尤其是对于微波输电。
有研究表明,将离地面35800km、容量5106kW的卫星太阳能电站的电能送入地面电网,微波发射天线的口径约为1km,在纬度35°地域安装的接收天线阵的面积约为10×13km2,其占地面积之广,在实际中是很难真正投入使用的。
如果使用波长10.6的激光器,其发射和接收天线的尺寸分别为31m和31×40.3m2,但是传输效率很低,只有18%~30%[4]。
如果单单考虑微波输电器件的效率,在毫米波段,回旋管的实际效率只有40%,在光波波段,阳光直接泵浦的激光器的效率只有20%;如果再考虑传输过程中的损耗等其他因素,空间太阳能电站无线传输电能的效率将会更低,这也成为限制其应用的一个主要问题。
另外,微波发射装置的姿态控制、宇宙空间中射线、陨石、航天垃圾以及为确保故障时安全的保安系统等都是需要解决的技术问题。
除此之外,电力公司的收费和计费也需要更先进的装置来解决。
无线输电弥漫在空间中的磁场对人的身体健康是否存在潜在威胁也需要严格论证。
4最新动态
2003年,欧盟在非洲的留尼汪岛建造了一座10万千瓦的试验型微波输电装置并已向当地村庄送电。
2010年,海尔在CES(国际消费电子产品展)上展出了无线供电的高清电视,其原理是美国无线电力公司的电磁耦合共振技术,最远供电距离达到线圈直径的3~5倍。
另外,俄罗斯、美国、法国和日本正在进行着从空间站向地面传输电能的试验。
我国进行无线输电方面研究的主要有由空军工程大学王秩雄博士为首的研究小组,其对回旋波微波整流器、肖特基二极管等器件有比较全面的研究。
另外,中科院电工研究所的邓红雷博士对接收整流天线有一定探索。
5结语
无线输电作为一种特殊的输电方式,在某些必要的场合能够发挥其无可比拟的优势。
基于电磁感应、谐振和磁耦合共振原理的无线输电技术可用于小功率、短距离的电能传送,而且其对传输效率的要求不是很高,即使效率很低也能实现其功能,因而其应用较广,发展也较快,从普通的电子设备如MP3、手机到电视、笔记本电脑、人体植入仪器等。
而对于大功率、远距离传送电能的微波或激光输电来说,传输效率是其必须要考虑的重要因素,但是目前由于受到器材、技术以及资金等多方面因素的限制,传输效率很低,通常在20%以内。
如此大的能量损耗及浪费无疑与传输电能的初衷背道而驰,因此设法提高大功率无线输电传输效率是很有前景的一个研究课题,其对于电力行业的发展以及改善目前全球面临的资源短缺问题都有十分重要的意义。
无线输电难度大,技术要求高,距离是关键,效率是问题,但随着人类科学技术的不断进步,其传输的效率将会越来越大,成本也会逐渐降低,从而使其在一些特殊场合具有无可比拟的优势,而且这一技术一旦普及,会给人们的生活带来极大便利。
总之,从长远来看,无线输电技术具有非常大的潜在应用价值。
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