分析无线电力传递的历史发展原理

分析无线电力传递的历史发展原理引言科学家认为,人类能源消耗量巨大,全球未来将面临能源危机.从目前看，核能和太阳能等将成为未来的主要能源，但它们都主要转化为电力之后进一步加以传输和利用.由于电力自身的两大缺点：不易储存和不易传输，因此有人认为，即使未来大量使用太阳能发电,人们也难以将沙漠中太阳能板产生的电能用电线输送到遥远的人类居住区.针对上述情况,科学家在20世纪的后十几年着手研究无线电力传输技术.1无线电力传输的发展历史19世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”的特斯拉在电气与无线电技术方面做出了突出贡献.1881年发现了旋转磁场原理,并用于制造感应电动机,次年进行试制且运转成功.1888年发明多相交流传输及配电系统；18891990年制成赫兹振荡器.1891年发明高频变压器（特斯拉线圈），现仍广泛用于无线电、电视机及其他电子设备.他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，并在1899年演示了不用导线采用高频电流的电动机.但由于效率低和对安全方面的担忧，无线电力传输的技术无突破性进展[1].2001年5月，国际无线电力传输技术会议在法属留尼汪岛召开期间，法国国家科学研究中心的皮格努莱特,利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡[1].其后，2003年在岛上建造的10kW试验型微波输电装置，已开始以2.45GHz频率向接近1km的格朗巴桑村进行点对点无线供电[1].2006年10月日本展出了无线电力传输系统.此系统输出端电力为7V、400mA,收发线圈间距为4mm时,输电效率最大为50%,用于手机快速充电.2007年6月麻省理工学院的研究人员已经实现了在短距离内的无线电力传输,他们通过电磁感应利用磁耦合共振原理成功地点亮了离电源2m多远处的一个60w灯泡.2008年9月，北美电力研讨会最新发布的论文显示，他们已经在美国内华达州的雷电实验室成功的将800W电力用无线的方式传输到5nl远的距离.2无线电力传输的基本原理对在空间实现无线电力传输的形式,大致有3类:第1类是通过电磁感应的“磁耦合”进行传输（短程传输）.现在已经广泛应用的变压器是基于电磁感应原理来进行工作的：由一个磁芯以及二个线圈（初级线圈和次级线圈）组成；当初级线圈的两端加上一个交变电压时，磁芯中会产生一个交变磁场,从而在次级线圈上感应出一个相同频率的交流电压，电能就从输入传输至输出.第2类实现无线电力传输的形式是以电磁波“射频”或者非辐射性谐振“磁耦合”等形式将电能进行传输（中程传输）.射频是一种高频交流变化电磁波的简称.在电子学的理论中，当电流流过导体,导体得周围会形成磁场，当交变电流通过导体,导体的周围会形成交变的电磁场,称为电磁波.在电磁波的频率低于lOOkhz时，电磁波就会被地表吸收,不能形成有效的传输,但电磁波频率高于lOOkhz时，电磁波便可以在空气中传播,并且经大气层外缘的电离层反射，形成较远距离传输能力，人们把具有较远距离传输能力的高频电磁波称为射频，（即:RF）.将电信息源（模拟或者数字）用高频电流进行调制（调幅或者调频），形成射频信号后,经过天线发射到空中；较远的距离将射频信号接收后需要进行反调制，再还原成电信息源,这一过程称为无线传输.中程传输是利用电磁波损失小的天线技术,并借助二极管、非接触IC卡和无线电子标签等,实现效率较高的无线电力传输.第3类是将电能以微波或激光形式远程传输:发射到远端的接收天线,然后通过整流、调制，作用于负载等处理后使用（远程传输）.微波的穿透性,激光单向性,亮度高等特性使得大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度极高.以微波或激光的形式将电能远程传输的发送设备主要由光源、光调制器、光学发射天线（透镜）等组成;接收设备主要由光学接收天线、光检测器等组成.信息发送时,先转换成电信号,再由光调制器将其调制在光源产生激光束上,经光学天线发射出去.信息接收时,光学接收天线将接收到的光信号聚焦后,送至光检测器恢复成电信号,再还原为信息.故一般用于大气层外的卫星间通信和深空通信或太空太阳能电站将太阳能传输到地面.3无线电力传输的应用3.1多功能家用电器无线供电“膜片”日本东京大学的樱井贵康教授在2006年主持并开发出一种家用电器无线供电方式，是用一片图书大小的柔软塑料膜片便可对家电进行无线供电:该特制塑料膜上面嵌有半导体感应线圈，厚度约是1mm、面积约为20cm、重约50g[2],可以将其贴在桌子、地板、墙壁上,能够为圣诞树上的LED、装饰灯、鱼缸水中的灯泡或小型电机供电.使用前家用电器需要装上可接收电能的感应线圈即可得到无线供电.此种薄膜电源由四层塑料薄膜组成,从下到上的顺序依次是：电导可控的有机晶体管，感测兼容电子设备接近的铜线圈、接通或断开电源的MEMS开关、传送电能的铜线圈.当电器进入薄膜2.5cm范围内，最靠近的MEMS开关接通电源，电感线圈就利用电磁感应向设备供电.试验验证，扣除发热损耗的情况下能量转换率可达62.3%,可转送30W电力（如果加大膜片尺寸可达100W）.该无线供电膜片会自行判断电器的所在位置,在居室空间的较大范围内可随意放置[2].3.2MIT隔空无线点灯实验MIT的索尔贾希克研究团队认为:非辐射电磁能谐振隧道效应，称作“Witricity”的无线供电技术是采用“不发出电磁波的天线”而实现非幅射共振能量传输.实验中,MIT的研究者使用两个直径60cm的特殊铜线圈，一个线圈作为送电方接在了电源上，作另一个线圈作为受电方置于2m外并连接一个灯泡.当送电方接通电源后,两个线圈均以10M赫兹的频率振动,产生强大的电磁场,通过“共振”的方式使得电能传递，即隔空供电使灯泡发光.即使在电源与灯泡的中间放置木料、金属或其他物体等,灯泡仍然会发光.MIT的研究者表示,并没有发现这一系统会影响人体健康,现在的电磁辐射水平大概和核磁共振仪类似,在安全范围之内[2].此无线供电技术也称为共振感应耦合技术,技术的核心在于采用了非辐射性磁耦合:两个具有相同频率的谐振物体会产生很强的相互耦合.一般情况下，基于普通电磁感应耦合的非接触电力传输，是利用数百圈紧密缠绕的线圈，只能在数毫米的范围才得到60%以上的传输效率.而共振感应耦合技术中只是缠绕了5圈粗铜线作为天线的线圈,在进行的2m传输时效率约为40%,距离为1m时效率高达约90%,可见这种融合了电磁共振的无线供电技术为无线电力传输翻开了崭新的一页.3.3关于微波和激光远程传输电能微波送电是全世界的研究热点,微波的波长介于无线电波和红外线辐射之间，指频率为300MHz-300GHz的电磁波，微波对于玻璃、塑料和瓷器等介质几乎是穿越不被吸收.1967年美国空军同雷神公司合作成功地通过微波向模拟直升机提供电力，完成了世界上首次电力微波传输试验.1994年，科学家利用微波成功地将5kW的电力送达42m远.2003年,无线供电技术使在留尼汪岛上位于千米深的峡谷底格朗巴桑村成为世界上第一个利用微波技术供电的乡村[2].激光具有定向发光、颜色极纯、亮度极高、能量密度极大等特点,利用激光可以携带大量的能量,用较小的发射功率便可实现较远距离的输电.无线传输之所以选择激光在于,所需的传输和接收设备是微波所需的1/10[2],激光不存在干扰通信卫星的风险,使用微波却存在这种问题.4结语作为地面长距离输电或者所有家用电器的长期供电，除铺设输电线路困难的地区之外，无线供电可能未必实用.但有一个特殊科技领域的发展非常倚重无线电力传输技术,那就是太空领域,如人造卫星、航天器之间的能量传输等,首当其冲的是未来太空太阳能发电站“隔空”给地球无线供电的研究摆在人们面前.没有地球大气层影响的太阳光线的辐射能量十分稳定，是“取之不尽”的洁净能源.如果在静止轨道上建设太阳能电站,一年有99%的时间是白天,其利用效率比在地面上要高出6倍〜15倍.随着全球环境污染和能源短缺问题日趋紧张，向太空要能源的需求愈发迫切.无线电力传输这种特殊的供电方式,是人类的梦想之