无线电力传输

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1、无线电力传输技术：发展现状及潜在应用I.简介无线电力传输在过去的几十年中一直是一个热点话题，其讨论的焦点主要集 中在远距离大功率无线微波传输（主要应用于空间太阳能传输以及偏远地区能量 供应）以及短距离小功率传输（主要应用于无线充电系统及医学应用）。对远距 离高功率电能无线传输而言，主要的问题有：大气效应或称之为电离层窗口的影 响、高功率微波的产生、传输天线、整流天线、已有无线系统的电磁干扰以及对 生物的辐射影响。对短距低功率电能无线传输而言，主要关注：电感耦合效应、 电力网络以及医学应用。II. 电力无线传输的历史研究成果历史上对电力无线传输的研究成果列举如下，从中我们不难看出对电力无线(a)

2、 Tesla Coil (b) Wardenclyffe TowerFig. E. Nikola Tesla proposed a gigantic eoil connecting to a high nwt of 20O-ft with a 3 ft-diamctcr ball at its top. He fed 300 kW power to the TcsEa 磷 resonated at 150 kHz and reached the RF potential of 100 MV at the top Sphere,传输的研究在很早以前就已经开始了，然而第一次成功的电力无线传输实验却

3、是由 Nikola Tesla在 1899 年实现的1、2、3、4，如图 1 所示。 1864: James C. Maxwell predicted the existence of radio waves; 1884: John H. Poynting realized the Poynting Vector to quantify electromagnetic energy; 1888: Heinrich Hertz showed experimental evidence of radio waves; 1899: Marchese G. Marconi and Reginald F

4、essenden invented wirelesscommunications via radio waves; 1856-1943: Nikola Tesla conducted the 1st wireless power transmission experiment; 1889: Wardenclyfee Tower was proposed by Tesla; WorldWar II: Microwave Energy Converterwas invented; 1964: Willian C. Brown started the 1st MPT R& D in 1960s; 1

5、940-50s: Photovoltaic Cell was built; 1958: US Solar Power Satellite (SPS) was proposed; 1970s Oil Embargo turned out; 1968: Peter Glaser Proposed SPS System; 1978-1981: US Dept of Energy Program was supported; 1980s: Japanese SPS System started; 1987: Canadian Project started; 1995: NASAs Fresh Loo

6、k was conducted; 1999: NASAs SERT was supported; 1990s: Franch Grand Bassin - La Reunion was built; 2000: Japanese Project and 8 Joint Countries were reported; 2012: Chinese Project to be launched (2 national wide meetings were held and whitepapers were submitted); 2025: Low cost model demonstration

7、 will be expected.很显然，早期对远距离高功率的电力无线传输主要应用于空间太阳能卫星系 统以及其对地面设备的高功率能量传输，如图2所示。电能的传播方式可以分为 两种：微波传输以及激光传输。由于激光传输方式受天气影响严重，且其能量损 失比较大，故而一般采用微波传输的方式。Fig, 2. Sketched illiistration of the space solar power satellite.III. 远距离高功率电力无线传输A. 大气效应（电离层窗口）要建立这样的系统，我们需要确定一个微波频率，使其能在空气中传播。在 现有的研究中，两种频率比较常用：2.45GHz、5.

8、8GHz。然而，许多细节仍然需 要进一步的探索，从而找到一个既能在大气中很好传播又不会使电离层电离形成 阻挡层的合适频率。整个传输系统也应该考虑对流效应和阵雨层效应。尽管在实 验中已经取得了很大的成绩，但由于天气状况风云莫测，还需要更多的研究。B. 高功率微波发生在高功率远距离电力无线传输中常见的两种微波发生器为：微波电子管和半 导体放大器。这两种器件具有相反的电学特性，微波电子管在高电压下（通常为 几千伏特）可以放大较高功率的微波（通常为几千瓦特）。而半导体放大器通常 只放大低功率微波，其所需要的电压也比较低，然而它的成本却较高。在实际应 用中由于微波电子管具有较高的效率（70%），因此常采

9、用它作为高功率微波的发 生装置。C. 传输天线远距离高功率电力无线传输所需要的传输天线通常应该具有高增益、窄带宽 以及极低的侧面和后面叶5。多种传输天线都可以满足要求，例如八木天线、 喇叭形天线、抛物型天线、微带天线以及相控阵天线等。为了获得高增益窄带宽 的效果，我们通常选用较大的抛物型天线，如图3所示：First MPT experiment in 1975 by JPLFig. 3， First ground-to-ground MPT experiment in 1975 at the Venus Site of JPL Goldstotie facility.D.整流天线整流天线是指在

10、整个电力无线传输系统中，用来接收和调整微波信号的组 件，因此整流天线在整个系统中也是十分重要的组成部分，它的好坏直接影响射 频直流电路的转换效率，图4所示的为一个微波吸收效率为85%的硅整流二极管 天线，其覆盖直径为5km。Proposed rectenna of 5 km in diameterF 4, An example of proposed rectenna covering 5 km in diEunctcrE.现有无线系统的电磁干扰现有的无线电力传输所用的频率主要集中于2.45GHz和5.82GHz两个范围， 而这两个频率已经分配给ITUR无线广播使用，不止如此，这两个频率还被用

11、于 工业和医学当中，因此，同频率间的电磁干扰是必须考虑的5。IV. 短距离低功率电力无线传输在特斯拉线圈发明许多年后，电感耦合的思想重新回到科学界和工程界的视 线6。图5所示的为线圈电磁耦合进行电力无线传输，其传输半径可以达到线 圈半径的8倍以上。(b) Inductor-coupling of fieldsFig. 5. Inductive coupling of energy and wireless power trans in issioirA.感应磁共振耦合效应图6为根据上面原理所进行的实验：实验知超过两米后，60W的电能有40% 的传输效率，对应的能量传输效率公式在6中可见。这套系

12、统的实际适用性已 经被证实并且也指明了以后研究的方向，不难看出，通过磁线圈产生的感应磁耦合效应非常强。Inductor-coupling experiinentFig. 6. Inductive coupling experiments,B.医学应用磁耦合共振可以很容易的被应用于医学领域，如医学成像、医学健康检查以 及医学全身传感网络。多样的感应耦合器件可以被设计的将电力通过无线的方式 从一个地方传输到另一个地方。参考文献1 M. F. Iskander, Electromagnetic Fields and Waves, Prentice Hall, 19922 K. Chang, (Ed.

13、), Handbook of Microwave and Optical Components,VOlume 1, Wiley-Interscience, 19893 N. Shinohara, Wireless Power Transmission for Solar Power Satellite(SPS), Internal Report, Kyoto University, Japan 2006.4 Peter Vaessen, Briefing Paper: Wireless Power Transmission, Internal Report, Leonardo Energy, September 20095 White paper on Solar Power Satellite Systems, URSI, September 20066 Andr Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffatt, J. D. Joannopoulos, Peter Fisher, Marin Soljacic, “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”，Science, vol. 317, 83, July, 2007.