论无线技术在电能传输中的应用.docx

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论无线技术在电能传输中的应用

论无线技术在电能传输中的应用

摘要：

本文综述了无线电技术、电力传输技术的概况和其在电能传输应用中的现状和发展

关键词：

无线通信电能传输①②③④⑤⑥责⑦⑧

无线输电的想法很早就有人提出过，但是却被很多科学家认为根本无法实现。

因为发射器发出的电磁能向四周分散传送，人类无法对电磁能进行集中控制，就更谈不到加以利用。

2006年11月，美国麻省理工学院（MIT）物理系助理教授索尔贾希克（MarinSoljacic）提出一种可以通过无线电能传输技术利用电磁能的新理论。

按照索尔贾希克的理论，只要让电磁能发射器同接收设备在相同频率上产生共振，它们之间就可以进行能量互换。

其领导的6人小组在这一理论基础上进行了实验。

利用两个铜丝线圈充当共振器，一个线圈与电源相连，作为发射器；另一个与台灯相连，充当接收器。

结果，他们成功地把一盏距发射器2.13米开外的60瓦电灯点亮。

向全球首次宣布了将电场或者磁场应用于供电技术的可能性，这一消息在《科学（Science）》网络版——“《科学快讯（ScienceExpress）》”上一经刊登，欧美各大新闻媒体即表现出浓厚的兴趣，“GoodbyeWires”、“WirelessPowerTransfer”的标题在全球媒体随处可见。

“这就像剧院的歌星可以将玻璃杯震碎一样，”索尔贾希克说，“条件是歌星和玻璃杯二者的声波要形成共振。

”。

本文就这一技术进行初步的探讨。

一、无线通信和电能传输技术的现况

“电能无线传输”是利用一种特殊设备将电源的电能转变为可无线传播的能量，其基本原理是无线电发射传输和接收技术。

在发射端把电源能量转变成无线电磁能，在接受端又将次此能量转变回电能，从而到达对用电器的无线供电。

1、电能传输技术概况

电力网络是当今世界覆盖面最广、涉及面最大、技术先进和装备复杂的人造系统。

分为交流和直流电力传输。

（1）、交流输电

在发电和变压上，交流有明显的优越性。

基本技术是运用变压器传输原理（图1）。

图1变压输电

近年来为了提高传输效率，围绕提高传输的功率发展了很多新的技术：

①、多相输电

在1972年由美国学者提出。

在输电过程中采用三相输电的整倍数相，如6、9、12相输电以大幅度地提高输送功率极限。

②、紧凑型输电

在1980年代由前苏联学者提出。

它从优化输电线和杆塔结构着手，通过增加分裂导线的根数，优化导线排列，尽力使输电线附近的电场均匀，从而减小线路的线间距离，提高线路的自然功率。

③、超导输电

是超导技术在电力工业中的应用，目前在国际上已能制造小容量的超导发电机、超导变压器和超导电缆，但是距离工业应用还有一段距离。

④、无线输电

现代主要研究和有希望在未来实理工业化应用的无线输电方式包括微波输电、激光输电和真空管道输电。

目前还处于实验室理论研究阶段。

、柔性输电

柔性交流输电系统FlexibleACTransmissionSystems（FACTS），是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术（图2）。

图2

（2）、直流输电技术

和交流输电相比，直流输电有三个主要优点：

一是当输电距离足够长时，直流输电的经济性将优于交流输电。

其次直流输电通过对换流器的控制可以快速地（时间为毫秒级）调整直流线路上的功率，从而提高交流系统的稳定性。

最后可以联接两个不同步或频率不同的交流系统。

一直以来，直流输电的发展与换流技术（特别是高电压、大功率换流设备）的发展有密切的关系。

但是近年来，除了有电力电子技术的进步推动外，由于大量直流工程的投入运行，直流输电的控制、保护、故障、可靠性等多种问题也越发显得重要。

因此多种新技术的综合应用使得直流输电技术有了新进展。

1982年我国开始对葛洲坝水电站向华东送电进行可行性研究，由于直流输电在远距离输电和联网方面的优点，最终选择了直流输电方案。

该工程既解决了葛洲坝电站向华东上海地区的送电问题，又实现了华中与华东两大电网的非同期联网，它具有输电和联网的双重性质。

其原理是，将发电厂发出的交流电，经整流器变换成直流电输送至受电端，再用逆变器将直流电变换成交流电送到交流电网的一种输电方式。

直流输电系统组成主要由：

换流站（整流站和逆变站）、直流线路、交流侧和直流侧的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压器、直流电抗器以及保护、控制装置等构成（图3）。

其中换流站是直流输电系统的核心，它完成交流和直流之间的变换。

图3直流输电系统的基本构成

2、无线电技术概况

导体中电流强弱的改变会产生无线电波，利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。

当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。

1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。

1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。

之后，人们又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。

海因里希·鲁道夫·赫兹（HeinrichRudolfHertz）在1886年至1888年间首先通过试验验证了麦克斯韦的理论。

他证明了无线电辐射具有波的所有特性，并发现电磁场方程可以用偏微分方程表达，即波动方程。

麦克斯韦方程组揭示了电场与磁场相互转化中产生的对称，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。

该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场（图4）。

麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系。

这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。

图4

无线电的最早应用于航海中，使用摩尔斯电报在船与陆地间传递信息。

现在，无线电有着多种应用形式，包括无线数据网，各种移动通信以及无线电广播等。

如电话、电视、数据传输、雷达识别、卫星导航GPS等。

近年来，特别是高频、数字、频分、时分等无线技术越来越成熟，这一应用已深入到人们生活和工作的各个方面。

其中3G、WLAN、UWB、蓝牙、宽带卫星系统都是21世纪最热门的无线通信技术的应用。

再者，无线电在电力传输和动力方面有了长足的进展，如日本科学家提出了在太空中建立大型的太阳能电站，将电能转化为微波送回地球；无线电波可以产生微弱的静电力和磁力，在微重力条件下，这可以被用来固定物体的位置；有方案提出可以使用高强度微波辐射产生的压力作为星际探测器的宇航动力。

二、电能无线传输技术

也叫非接触输电技术，利用基于线圈的电磁感应原理。

1、原理　

闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，产生的电流称为感应电流。

这种现象叫法拉第电磁感应现象。

即磁通量变化产生感应电动势。

2、电能无线传输技术

现在已经问世的无线供电技术，根据其电能传输原理，大致上可以分为三类：

①、非接触式无线输电技术

所采用的是电磁感应原理（图5），这种非接触式输电技术在许多便携式终端里应用日益广泛。

这种类型中，将两个线圈放置于邻近位置上，当电流在一个线圈中流动时，所产生的磁通量成为媒介，导致另一个线圈中也产生电动势。

其应用也比较见（图6、图7）

图5

图6

图7

②、天线发送和接收无线输电

射频能量（图8）通过天线接发射和接收电磁波能量是最接近实际应用的一种技术（图9）。

这和100年前的收音机原理基本相同：

直接在整流电路中将电波的交流波形变换成直流后加以利用，但不使用放大电路等。

同以前相比，利用电磁透镜的集束电磁波天线是传输效率得到提高（图10、图11、图12），并正在推动厂商将其投入实际应用。

图8

图10

图11

图12

③、利用电磁场谐振方法。

谐振技术在电子领域应用广泛，但是，在供电技术中应用的不是电磁波或者电流，而只是利用电场或者磁场。

就是著名的特斯拉的无线输电技术——“特斯拉线圈”（图13、图14），通俗一点说,它是一个人工闪电制造器，即所谓的“放大发射机”，现在称之为大功率高频传输线共振变压器，用于无线输电试验。

由两组（有时用三组）偶合的共振电路组成，是一种分布参数高频共振变压器，可以获得上百万伏的高频电压。

特斯拉线圈使用变压器使普通电压升压，然后经由两极线圈，从放电终端放电的设备。

特斯拉把地球作为内导体，地球电离层作为外导体，通过他的放大发射机，使用这种放大发射机特有的径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8赫兹的低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。

这一系统与现代无线电广播的能量发射机制不同，而与交流电力网中的交流发电机与输电线的关系类似，当没有电力接收端的时候，发射机只与天地谐振腔交换无功能量，整个系统只有很少的有功损耗，而如果是一般的无线电广播，发射的能量则全部在空间中损耗掉了。

图13

图14

目前，索尔贾希克领导的研究小组正在设法改进“无线电能传输”技术，以达到实用目的。

在索尔贾希克领导的台灯实验中（图15、图16），电磁能发射器的能量只有百分之四十到百分之五十被台灯吸收，如果要想对化学电池进行无线充电，电池的接收率必须提高到百分之七十以上。

为了点亮一盏60瓦的灯，研究人员使用的发射器就必须配置直径约0.6米的铜丝线圈。

如果要想实现整座房间内的电器都能自动充电，铜丝线圈的直径预计将达2.1米。

此外，电磁能发射器工作的有效距离最远仅为2.74米。

要想提高这一有效距离，电脑、电话等设备还必须配置一个同样带有铜丝线圈的接受器。

图15

图16

在2008年9月，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5米远的距离（图17）。

图17

试验显示无线电能传输技术对人类无害。

电磁场只对与之产生共振的物品有影响，而诸如人类、桌子、毛毯等物品对电磁场几乎都没有反应。

下一步，研究小组要进行的则是设法增大发射器功率，以及接受器的接收效率。

到那时，手机、笔记本电脑就可以在配置有发射器的屋子里自动充电，甚至不需要电池，也不需要通过插座与电源相连就可以直接使用。

三、结论

现代家庭充斥着各式各样的电线、插座，无线输电技术让人看到了摆脱这些烦恼的希望。

尽管如此，由于电力传输效率不够，应用范围还没有涉及到需要大电力的手机。

而且在安全方面也存在效率低导致发热量大的问题，无线电能传输技术还需改进，才能走进老百姓家中。

时至今日，对于电力传输效率较高的线圈、非接触充电系统的开发日趋活跃。

其中防止错误输电的ID认证方法及在输电的同时进行高速数据传输的方法成为了关注的焦点。

PowerOver802.11a/b/g出来后，将改变现在的智能小电器的输电方式，是革命性的进步。

尤其是智能手机和省电型PDA等口袋设备，当置于改进的802.11a/b/g网络范围内，透过802.11a/b/g网络，可以给手持设备缓慢充电。

对于无线电能传输技术的发展，插座的末日即将到来。

.参考文献

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术（第４版）.北京：

机械工业出版社.2005年

[2]许晓慧.智能电网导论.北京：

中国电力出版社.2009年

[3]：

（美）谢，（美）维斯瓦纳斯.无线通信基础.北京：

人民邮电出版社.2007年

[4]：

（美）莫利斯（Molisch，A.F.）.无线通信.北京：

电子工业出版社.2008年