无线电力传输

【摘要】无线电力传输（WPT）是一种利用无线电配合无线能量转换装置进行电力传输的新型方式。介绍了无线电力传输的原理和三种不同的传输形式，以及在三种不同的形式下相应的应用前景。

【关键词】无线电力输电;WPT;共振;电磁感应

“无线电力”这个全新的概念，在最新出版的《科学》杂志中被提了出来。在文中有提到，如果条件成熟，可以在未来有限的时间内研制出一种新型充电系统，对多种设备如移动电话，ipad进行无线充电。这样的概念的类似于太阳能电池，可以现充电现使用，但是无线电力传输比太阳能更有优势，一是不用考虑阴雨天气的不良影响，二是能去除电池，不仅为设备微型化创造条件，而且从根本上缓解因电池的过度使用与报废而带来的环境问题。

无线电力传输就是利用无线电的方法，将发电厂产生的电力转换成为无线电波发送出去，再由无线能量转换装置将无线电波收集转化为电能，供给用户。其实，无线电力传输与无线通讯有着异曲同工之妙，无线能量转换装置也是根据频率有选择接受电磁波，但不同于无线通讯的是，它通过接受电磁波产生振动直接获得电流，相比之下对传输效率有着较高的要求。

无线电力传输利用了共振原理。早前参与无线电力传输实验的科学家主导的线圈的实验（左右两边相隔两米的线圈点亮了一个功率60瓦的电灯泡）很好了解释了共振这个概念：具有相同振幅的物体间的能量传递效率不受周围事物影响。20世纪在英国曼彻期特发生的因军队过桥步伐整齐造成桥倒塌的事故就是共振的证明。无线电力传输利用的是低频电磁波共振。在实验中，两个感应接受装置都以50HZ的频率震动，形成共振，才得以进行装置间能量的传送。从形成共振到完成能量的传输不是瞬时的，需要一定的时间用于积累。每一次发生共振，感应接受器中便会积累更多的电压，多次共振就会聚集足够的能量使灯泡发亮。

其实早在19世纪就有科学家提出了无线能量转换这个概念。因为从17世纪开始人类发明了发电机并利用有线的方式传输电能，并随着电能的普及至今日，供电网、高压线已遍布世界。随着人们在工作和生活中对电能越来越多的依赖，各式各样的充电线，数据线带来的麻烦也日益显著。所以无线电力传输（Wireless Power Transmission，WPT）的概念应运而生。这得益于WPT的传输特点：在保证安全的条件下，彻底解决插座破坏房间美观、室内电线凌乱分布、电器因电线牵制位置有限等等问题，给人们的生活提供便利和美观。 与此同时，尽管以后可以对铜线圈进行缩减，但电力系统使用的铜线圈还是高达2英尺。一旦WPT技术成熟，各种不可再生资源就可减缓消耗速度，并用于其他领域。所以WPT在节省资源，低碳环保上的意义是十分重大的。

目前有的领域已经开始利用WPT开发出许多新的产品。如手机无线充电、无线电子车锁、无线彩虹灯等。

实现电力无线传输，大致看来有三种形式，分别为电磁感应、电磁耦合共振、微波/激光。上文所提到的线圈实验就是利用电磁感应，也是现实生活中最容易实现也最常见的，通常由一个磁芯和初级线圈、次级线圈组成，当初级线圈加上非恒定的电压时，由于电磁感应现象，磁芯中的交变磁场使得通过两个线圈中的磁通发生变化，从而产生感应电流阻碍磁通的变化，进而将能量从传输端转移到接收端，由于电磁场的频率小，波长较长，可以穿透一切非金属物体，所以可以实现在非金属材料障碍中电力传输，比如，利用电磁感应，可以穿过鱼缸的玻璃，对鱼缸中的供氧装置提供电能；电磁耦合共振是从电磁波传播方式当中衍生而来的，相比后者，前者的能量流失少，一般用于中程传输。而微波/激光形式的电能因为定向性好、能量集中，可发射到较远地区，通过接收装置获取，经过调制，整流，滤波后可以使用，适用于远程传送。

WPT以其自身独特的优势在很多特殊的场合都应用的到，具有丰富的应用价值。

（1）短程无线技术:植入式医学器件的充电。

目前，心脏供血调节器等植入式医疗设备逐渐在大型手术中起到不可或缺的作用，但是一个显著的问题就是充电，因为是植入式，所以有线充电几乎不可能，因为WPT的存在，避免了设备在大型手术中低电量的情况。日本的小柳光教授，曾在2007年举行的SSDM国会议上，向大家展示了以电磁感应为原理的无线电力传输技术，他试图通过控制集成电路向人工视网膜进行充电。

（2）中程无线电力技术：无线充电器。

是从上文中提到的线圈实验（左右两边相隔两米的线圈点亮了一个功率60瓦的电灯泡）所衍生出来的。马林-索尔贾希克教授从线圈实验中总结出了共振的思想，他指出，具有同样频率的物体间会达到共振，就有可能在物体间进行能量传输实现无线的形式。他说：“有时我会忘记给手机充电，所以手机没电时发出让人心烦的低电量提示音很是让我恼火，我在想怎样可以避免这个问题。”这个项目的灵感就来源于此。创造的灵感来源于生活，在提出项目的大体方向后，如果有足够的信心，应立即考虑它的完成时间性和巨大的商业价值。因此之后，他的团队提出了非辐射电磁能谐振隧道效应。但是人们担心，在电磁波传送电力的同时会对人辐射。为此科学家们称，此担心是多余的，对于无线电力传输产生的电磁波，对人类的危害可以说是微乎其微，如果其微波射向宽广的区域，则毫无危险可言。就像电灯一样，若触摸正在工作的灯泡会感到灼热，但在灯下读书的人们却不会感到任何不适。在保证安全性的条件下，一些装置就可以安有发射和接收的装置的室内自动充电，无电池使用。不过目前，关于无线充电的距离问题还在研究当中。

（3）远程无线技术：偏远地区以及太空电能的传送。

在假设电力线路时往往最困难的就是一些偏远的区域，因为路程的遥远、地势的崎岖，电力工作人员难以频繁的进出，架设电线的设备也难以进入。但往往这些地方又不能被忽视，处在这些区域的卫星监控、无线导航等检测和监控工作需要充足的电力。WPT不仅解决了电力不足的问题，而且可以在这些人烟稀少的区域放置机器人，WPT结合远程操控技术让机器人完成监控和采取资源的任务。另外地，国家因地制宜，通过我国各个地区的气候条件采取不同的发电方式。比如我国的边疆地区日照充足但是降雨量不足，所以在边疆地区建造太阳能发电站是最经济的。但是边疆地区人烟稀少，地势崎岖，但WPT很好地消化了这些问题。另外因为WPT，考虑工作人员人身安全而不大力推广的核发电也可以实施，众所周知，核燃料裂变链式反应一直以高利用率以及催化剂的可再利用赢得了电力行业的青睐，但是核电的辐射促使核电厂必须建在偏远地区，一是利于核废料的排放，二是避免核辐射的副作用，但是由于地区的偏远，实现有线电力传输十分困难，WPT使得核电有了用武之力。

WPT还可实现卫星太阳能电站的电能传送。卫星太阳能电站，就是将表面依附有大型太阳能接收转换面板的火箭发送到赤道上空与地球同步静止的轨道上。太空中的空气稀薄，所以太阳光线的折射率比较低，辐射的能量稳定而充足。太阳能接受转换板将太阳能转换成电能，在以激光的形式发送至地球上的接收器，通过整流，滤波，再将电磁波转换成电能，就可以利用。WPT存在使得太阳能这一难以大规模利用的洁净能源的普及化有了可能性。　[科]

【参考文献】

［１］杨成英,陈勇.中程距离无线输电的实现[J].科技信息，2009,(3)：410-411.

［2］刘永军.无线电力传输技术：创造未来空间神话[J].中国电子商情（基础电子），2008，11：70-75.