宋顯錦,韓如成,宋曉鵬

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院,山西太原030024)

無(wú)線電能傳輸?shù)陌l(fā)展歷史與應(yīng)用現(xiàn)狀

宋顯錦,韓如成,宋曉鵬

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院,山西太原030024)

文章介紹了無(wú)線電能傳輸?shù)母拍?以及方式方法。對(duì)電能傳輸?shù)臍v史做了回顧,尤其對(duì)無(wú)線傳輸在現(xiàn)階段的應(yīng)用重點(diǎn)做了介紹,也對(duì)無(wú)線電能傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)做了簡(jiǎn)要說(shuō)明。

電力電子;無(wú)線電力;能量傳輸;感應(yīng)電能

一、無(wú)線電能傳輸?shù)陌l(fā)展歷史

1820 年 :安培(André-Marie Ampère),安培定理表明電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)。1831年:法拉第(Michael Faraday),法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)的一個(gè)重要的基本規(guī)律。1864年:麥克斯韋(James Clerk Maxwell)建立了統(tǒng)一的電磁場(chǎng)方程,用數(shù)學(xué)的方法描述電磁輻射。1864年:赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)證實(shí)了電磁輻射的存在。赫茲產(chǎn)生電磁波的設(shè)備是VHF和UHF波段的放電發(fā)射機(jī)(spark gap transmitter)。1891年:特斯拉(Nikola Tesla)改善了赫茲的微波發(fā)射器的射頻功率供應(yīng),并申請(qǐng)專(zhuān)利。(專(zhuān)利號(hào):454622 System of Electric Lighting)1893年:特斯拉(Nikola Tesla)在芝加哥的哥倫比亞世界博覽會(huì)展示了他的無(wú)線傳輸?shù)臒晒庹彰鳠簟?894年:勒布朗(Hutin&LeBlanc)相信可以感應(yīng)傳輸電能,并申請(qǐng)了關(guān)于一個(gè)能傳輸3KHz電能的系統(tǒng)的美國(guó)專(zhuān)利。1894年:特斯拉(Nikola Tesla)分別在紐約的第五大道南35號(hào)的實(shí)驗(yàn)室和休斯敦街46號(hào)的實(shí)驗(yàn)室通過(guò)無(wú)線方式點(diǎn)亮了一個(gè)單極白熾燈,實(shí)驗(yàn)手段用到電力感應(yīng)、無(wú)線共振感應(yīng)耦合等技術(shù)。1894年:錢(qián)德拉玻(Jagdish Chandra Bose)使用電磁波信號(hào)遠(yuǎn)距離點(diǎn)燃火藥和觸響鈴鐺,表明不用電線也能傳遞能量。1895年:錢(qián)德拉玻(Jagdish Chandra Bose)無(wú)線傳輸信號(hào)將近一英里遠(yuǎn)的距離。1896年:特斯拉(Nikola Tesla)發(fā)射了約48公里(30英里)距離的信號(hào)。1897年:馬可尼(Guglielmo Marconi)使用超低頻無(wú)線電發(fā)射器傳送6公里的摩爾斯電碼信號(hào)。1897年:特斯拉(Nikola Tesla)申請(qǐng)無(wú)線傳輸?shù)膶?zhuān)利。1900年:馬可尼(Guglielmo Marconi)在美國(guó)未能獲得關(guān)于無(wú)線電的專(zhuān)利。1901年:馬可尼(Guglielmo Marconi)使用特斯拉的裝置傳輸跨越大西洋的信號(hào)。1917年:特斯拉的Wardenclyffe塔被拆除。1926年:Shintaro Uda和Hidetsugu Yagi發(fā)表他們的第一份論文“Tuned High-gain Directional Array”。即現(xiàn)在眾所周知的 Yagi天線。1961年:布朗(William C.Brown)發(fā)表文章探討微波功率傳輸?shù)目赡苄浴?964年:布朗(William C.Brown)在哥倫比亞廣播公司新聞中展示靠微波束提供飛行所需能量的沃爾特克朗凱特(Walter Cronkite)動(dòng)力模型直升機(jī)。1969年到1975年。布朗是JPL Raytheon計(jì)劃的技術(shù)總監(jiān),完成過(guò)1英里的距離傳輸30萬(wàn)千瓦的能量,效率約為84%。1968年:格拉澤(Peter G laser)提出無(wú)線傳輸空間利用太陽(yáng)能的“Powerbeaming”技術(shù)獲得的能量。1971年:新西蘭奧克蘭大學(xué)(The University of Auckland)奧托教授(Don Otto)開(kāi)發(fā)一個(gè)靠感應(yīng)供電的小手推車(chē)。1973年:Los-Alamos National Lab演示了世界第一個(gè)被動(dòng)式RFID系統(tǒng)。1988年:新西蘭奧克蘭大學(xué)的約翰包爾斯教授(John Boys)領(lǐng)導(dǎo)的電力電子小組,開(kāi)發(fā)出采用新的工程材料和電力電子技術(shù)的逆變器。聲稱(chēng)感應(yīng)電能傳輸能夠?qū)崿F(xiàn),第一個(gè)非接觸式電能傳輸模型正在制造。奧克蘭Uniservices公司,是奧克蘭大學(xué)的商業(yè)公司,申請(qǐng)了此項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)。1989年:日本一家公司(Daifuku)聘請(qǐng)奧克蘭的Uniservices有限公司為其汽車(chē)組裝,物料處理開(kāi)發(fā)新技術(shù),提出具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)要求,包括了繁多的車(chē)輛。1990年:約翰包爾斯(John Boys)教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新技術(shù),讓多個(gè)車(chē)輛運(yùn)行在同一感應(yīng)功率回路,并能提供獨(dú)立的控制。1996年:奧克蘭(Auckland)的Uniservices公司開(kāi)發(fā)的采用感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng),開(kāi)始在新西蘭實(shí)施。2001年:英國(guó)的Splashpower公司,采用耦合諧振平墊的方式來(lái)給一些消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品象燈、手機(jī)、PDA、iPod等提供能量。2004年:有10億美金市值的保潔行業(yè),已有90%采用感應(yīng)電能傳輸(IPT)技術(shù),用于半導(dǎo)體制造,液晶,等離子顯示屏制造業(yè)中的搬運(yùn)設(shè)備。2005年:奧克蘭大學(xué)(University of Auckland)的約翰包爾斯教授(John Boys)改善了3相感應(yīng)電能傳輸鐵路(IPT Highway)和拾取系統(tǒng)(pick-up system),在實(shí)驗(yàn)室中能夠通過(guò)無(wú)線方式給移動(dòng)車(chē)輛供電。2007年:麻省理工學(xué)院的索爾賈希克(Marin)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)物理學(xué)研究小組,確認(rèn)了約翰包爾斯教授(John Boys)在80年代的工作。在2米的距離,使用兩個(gè)60 cm的線圈無(wú)線驅(qū)動(dòng)60W燈泡,效率在40%左右。2008年:龐巴迪公司(Bombardier)提供新的無(wú)線傳輸產(chǎn)品PRIMOVE,一種應(yīng)用于有軌電車(chē)和輕軌車(chē)輛的電力系統(tǒng)。2008年:工業(yè)設(shè)計(jì)師(Thanh Tran),在布魯內(nèi)爾大學(xué)(Brunel University)做了一個(gè)無(wú)線驅(qū)動(dòng)的高效LED燈泡。2008年:英特爾(Intel)重新進(jìn)行特斯拉1894年的實(shí)驗(yàn)和約翰包爾斯教授(John Boys)1988年的實(shí)驗(yàn),在1m距離內(nèi)隔空給60W燈泡提供電力,效率高達(dá)75%。2009年:一個(gè)有此方面興趣的公司聯(lián)盟(Wireless Power Consortium)宣稱(chēng)他們正制訂一個(gè)小功率感應(yīng)充電的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

二、無(wú)線電能傳輸?shù)膽?yīng)用現(xiàn)狀

(一)短程無(wú)線供電技術(shù)

現(xiàn)在已經(jīng)商品化的非接觸式充電系統(tǒng),其電能發(fā)射端的線圈(連接電源)與接收端的線圈(在電子產(chǎn)品中),處于兩個(gè)分離的裝置中,電能通過(guò)感應(yīng)線圈傳送,這類(lèi)似一個(gè)線圈間耦合不緊密的變壓器。最早使用變壓器原理進(jìn)行無(wú)線供電的產(chǎn)品是一些電動(dòng)牙刷、電胡刀和無(wú)繩電話(huà)等。

1.無(wú)接點(diǎn)充電插座。蘋(píng)果公司、摩托羅拉公司、LG以及Panasonic聯(lián)手NTT DoCoMo都在開(kāi)發(fā)各自的無(wú)線充電器。而對(duì)用于手機(jī)的無(wú)接點(diǎn)充電器而言,只要在充電座和手機(jī)中安裝發(fā)射和接收電能的線圈,便可實(shí)現(xiàn)無(wú)接點(diǎn)充電——這不僅將擺脫線纜的束縛而且還將消除接口差異的限制,因此無(wú)線充電器設(shè)計(jì)更加人性化并且減少資源浪費(fèi)。

2.“免電池”無(wú)線鼠標(biāo)。鼠標(biāo)的工作需要電力支持,有線鼠標(biāo)通過(guò)與電腦的連接線來(lái)獲得電力,而無(wú)線鼠標(biāo)一般采用電池供電。老牌鼠標(biāo)廠家雙飛燕公司從2004年開(kāi)始推出的“免電池”無(wú)線鼠標(biāo)(需要在專(zhuān)門(mén)配備的鼠標(biāo)墊上操作)——這里的鼠標(biāo)和配墊都有“奧秘”——兩者內(nèi)部都安裝了電磁感應(yīng)線圈,鼠標(biāo)墊通過(guò)連接電腦的USB接口即可獲得電能,并由其感應(yīng)線圈向鼠標(biāo)內(nèi)的感應(yīng)線圈輸送電能,可以給鼠標(biāo)進(jìn)行無(wú)線供電并進(jìn)行信號(hào)感應(yīng),這里也涉及到了人們常講的“RFID(無(wú)線射頻識(shí)別)”技術(shù)。

3.通用型無(wú)線供電“墊”。2003年英國(guó)劍橋SplashPower公司發(fā)明了無(wú)線充電(wireless recharging system)技術(shù),也是根據(jù)電磁感應(yīng)進(jìn)行電力傳輸?shù)?電能接收器“SplashModule”(厚不足1mm)可配置于充電終端——手機(jī)、筆記本電腦,電能發(fā)送器則配置成充電器,2005年初這種商業(yè)化的無(wú)線充電器“SplashPads”(厚約6mm、大小如鼠標(biāo)墊)上市,只要便攜終端安裝有電能接收器即可放到上面充電。

4.多功能家用電器無(wú)線供電“膜片”。2006年日本東京大學(xué)產(chǎn)學(xué)研國(guó)際中心的櫻井貴康教授主持開(kāi)發(fā)出一種家用電器無(wú)線供電方式,用一片圖書(shū)大小的柔軟塑料膜片就可對(duì)家電進(jìn)行無(wú)線供電——該特制塑料膜上面印刷有半導(dǎo)體感應(yīng)線圈,厚度約1mm、面積約20cm2、重約50g,可以貼在桌子、地板、墻壁上,可為圣誕樹(shù)上的LED、裝飾燈、魚(yú)缸水中的燈泡或小型電機(jī)供電。使用前家用電器需要裝上可接收電能的感應(yīng)線圈,然后放到相應(yīng)位置即可得到無(wú)線供電。

5.植入式醫(yī)學(xué)器件的充電技術(shù)。目前,心臟調(diào)節(jié)器、心臟除顫器等單植入式醫(yī)療裝置市場(chǎng)已達(dá)數(shù)十億美元,這些植入裝置需要電池供電,當(dāng)電池將耗盡時(shí),如果能通過(guò)無(wú)線供電方式充電則將避免動(dòng)手術(shù)等大麻煩。日本東北大學(xué)小柳光教授,在2007年SSDM國(guó)際會(huì)議上,發(fā)表過(guò)使用電磁感應(yīng)型無(wú)線供電技術(shù)成果,他主持試制出可從外部向植入眼球的人工視網(wǎng)膜用LSI(Large-Scale Integration大規(guī)模集成電路)進(jìn)行無(wú)線供電的系統(tǒng)。另外,據(jù)2007年7月多家媒體報(bào)道,英國(guó)南安普敦大學(xué)的研究者成功地研發(fā)出一款能將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的“迷你發(fā)電機(jī)”,可望將來(lái)能憑借心臟病人的心跳為自己的心臟起搏器供電——避免更換電池時(shí)動(dòng)手術(shù)。據(jù)說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)也可能應(yīng)用于手機(jī)、MP3等移動(dòng)裝置——僅靠人類(lèi)的心跳就能無(wú)線充電。

(二)中程無(wú)線供電技術(shù)

我們了解頻率介于75kHz和約10GHz之間的電磁波俗稱(chēng)“無(wú)線電波”,可以用來(lái)傳送廣播和電視節(jié)目、進(jìn)行通信和傳真,但是對(duì)其傳輸電能的本領(lǐng)比較陌生。通常電磁波在自由空間傳輸能量的過(guò)程中會(huì)向四面八方散發(fā)、不易集中、定向性差,因而供電效率是個(gè)問(wèn)題;另外,還有對(duì)空間造成電磁“污染”的擔(dān)憂(yōu)。有人認(rèn)為電磁波可以無(wú)線傳輸較長(zhǎng)的距離,但輸送能量有限,存在傳輸功率比較低(甚至只有幾微瓦到幾毫瓦)的問(wèn)題。Powercast公司的相關(guān)研究是利用電磁波損失小的天線技術(shù),借助二極管、非接觸IC卡和無(wú)線電子標(biāo)簽等,實(shí)現(xiàn)效率較高的無(wú)線電力傳輸。

1.Powercast無(wú)線充電器。2007年3月“Business 2.0”等媒體報(bào)道,美國(guó)賓夕法尼亞州的Powercast公司開(kāi)發(fā)無(wú)線充電技術(shù),可為各種耗電量相對(duì)較低的電子產(chǎn)品充電或供電,諸如手機(jī)、MP3、隨身聽(tīng)、溫度傳感器、助聽(tīng)器、汽車(chē)零部件,甚至體內(nèi)植入式醫(yī)療裝置等。Powercast已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化運(yùn)作,與荷蘭菲利浦公司等百家以上的公司簽訂了合作協(xié)議,計(jì)劃到2008年年底將交付數(shù)百萬(wàn)個(gè)無(wú)線充電器?；诖?飛利浦公司還曾準(zhǔn)備推出具有無(wú)線充電功能的無(wú)線鍵盤(pán)和鼠標(biāo)。報(bào)道稱(chēng)該項(xiàng)技術(shù)之所以會(huì)得到多家廠商的青睞,原因在于它獨(dú)特的電磁波接收裝置,能夠根據(jù)不同的負(fù)載、電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)做調(diào)整,同時(shí)還能維持穩(wěn)定的直流電壓。

2.MIT隔空無(wú)線點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn)?！禨cience》在線版《ScienceExpress》上報(bào)道,MIT物理學(xué)助教授馬林·索爾賈?？藶槭椎难芯繄F(tuán)隊(duì)試制出的無(wú)線供電裝置,可以點(diǎn)亮相隔7英尺(約2.1m)遠(yuǎn)的60W電燈泡,能量效率可達(dá)到40%。他們發(fā)現(xiàn)的是一種全新的無(wú)線供電技術(shù)——非輻射電磁能諧振隧道效應(yīng),稱(chēng)作“Witricity”無(wú)線供電技術(shù)。采用“不發(fā)出電磁波的天線(Wireless Non-radiative Power Transfer)”實(shí)現(xiàn)非幅射共振能量傳輸。MIT的研究者用兩個(gè)直徑60cm的特殊銅線圈做實(shí)驗(yàn),作為送電方的一個(gè)線圈接在電源上,作為受電方的另一個(gè)線圈置于2m外并連接一個(gè)燈泡。當(dāng)送電方的接通電源后,兩個(gè)線圈都以10兆赫茲的頻率振動(dòng),從而產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng),通過(guò)“電振”電能被傳遞了,隔空供電使燈泡發(fā)光。在電源與燈泡中間放置木料、金屬或其他電器等,燈泡仍會(huì)發(fā)亮。研究人員表示,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這一系統(tǒng)會(huì)影響人體健康,現(xiàn)在的電磁輻射水平大概和核磁共振儀類(lèi)似,應(yīng)該是在安全范圍之內(nèi)。

3.感應(yīng)電力傳輸技術(shù)(IPT)。(1)日本太阪富庫(kù)(DAIFUK U)公司的單軌行車(chē)和無(wú)電平自動(dòng)運(yùn)貨車(chē)。這些設(shè)備當(dāng)前已成功地用于許多材料運(yùn)輸系統(tǒng)中,特別是在一些惡劣的環(huán)境下,如噴漆車(chē)間等。(2)德國(guó)奧姆富爾(WAMPEI ER)公司的200kw載人電動(dòng)火車(chē)巳試車(chē)成功。該公司還成功地將感應(yīng)電力傳輸技術(shù)用于電動(dòng)游船的水下驅(qū)動(dòng)。(3)新西蘭奧克蘭大學(xué)所屬奇思(UNISERVICES)公司基于電子與電氣工程系的技術(shù)成功地開(kāi)發(fā)了兩項(xiàng)有關(guān)IPT的實(shí)用項(xiàng)目:一是高速公路發(fā)光分道貓眼系統(tǒng),目前正運(yùn)行于新西蘭惠靈頓大隧道中;另一個(gè)是用于Rotorua國(guó)家地?zé)峁珗@的30 kw感應(yīng)電動(dòng)汽車(chē),現(xiàn)已安全運(yùn)行約2年。

(三)遠(yuǎn)程無(wú)線供電技術(shù)

從科學(xué)技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的角度來(lái)講,無(wú)線供電和有線供電將會(huì)各有千秋。如果作為地面長(zhǎng)距離輸電或者所有家用電器的長(zhǎng)期供電,無(wú)線供電可能未必實(shí)用。除鋪設(shè)輸電線路困難的地區(qū)之外,但有一個(gè)特殊科技領(lǐng)域的發(fā)展非常倚重?zé)o線電力傳輸技術(shù),那就是太空領(lǐng)域了,比如人造衛(wèi)星、航天器之間的能量傳輸?shù)?而首當(dāng)其沖的是未來(lái)太空太陽(yáng)能發(fā)電站“隔空”給地球無(wú)線供電的研究擺在人們面前。

在外太空進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)電的國(guó)家有美、日、法、德、俄等。來(lái)自美國(guó)國(guó)防部的一份報(bào)告稱(chēng),建立空間太陽(yáng)能電站的構(gòu)想無(wú)論在技術(shù)方面還是在經(jīng)濟(jì)方面都是可行的。太陽(yáng)光是永恒不變的,太陽(yáng)所釋放的能量相當(dāng)于當(dāng)前全球所消耗能量的10萬(wàn)億倍,美國(guó)國(guó)家航天學(xué)會(huì)副主席馬克·霍普金斯(Mark Hopkins)說(shuō):“我們只需要開(kāi)發(fā)其中一少部分,就足以應(yīng)付我們當(dāng)前和未來(lái)許多年的能源需求?！?/p>

根據(jù)美國(guó)科學(xué)家預(yù)測(cè),到2025年,美國(guó)有可能在太空建造100座太陽(yáng)能電站,將會(huì)滿(mǎn)足美國(guó)全國(guó)30%的電力。而日本從20世紀(jì)80年代也已展開(kāi)太空太陽(yáng)能相關(guān)研究,目標(biāo)是在2030年前向太空發(fā)射一顆對(duì)地靜止衛(wèi)星,這顆衛(wèi)星將為地球上50萬(wàn)戶(hù)家庭提供10億W電能。目前,日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)的研究人員將微波和激光看作是傳輸太陽(yáng)能的可能選擇。對(duì)于兩種無(wú)線傳輸?shù)那闆r以下進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1.關(guān)于微波傳輸電能。微波是波長(zhǎng)介于無(wú)線電波和紅外線輻射之間的電磁波,目前已廣泛應(yīng)用于微波爐、氣象雷達(dá)、導(dǎo)航和移動(dòng)通信。微波送電是全世界的研究熱點(diǎn),據(jù)報(bào)道1967年美國(guó)空軍同雷神公司合作進(jìn)行了世界上首次電力微波傳輸試驗(yàn),成功地通過(guò)微波向模擬直升機(jī)提供電力。1994年,科學(xué)家利用微波將5kW的電力送達(dá)42m遠(yuǎn)也取得成功。前面提到的法國(guó)皮格努萊特利用微波進(jìn)行的無(wú)線輸電試驗(yàn)——是把一部發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能,先通過(guò)磁控管轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉?再由發(fā)射器將微波束送出,40m外的接收器接收后,由變流機(jī)將微波轉(zhuǎn)換為電流,然后將一個(gè)200W的燈泡點(diǎn)亮。在留尼汪島上的格朗巴桑村位于千米深的峽谷底,過(guò)去居民利用安裝在房頂上的太陽(yáng)能電池,但因日照時(shí)間短等原因電力不夠用——2003年無(wú)線供電技術(shù)使其成為世界上第一個(gè)利用微波技術(shù)供電的鄉(xiāng)村——至于該技術(shù)的實(shí)用化商業(yè)推廣不知何時(shí)實(shí)現(xiàn)——尚未見(jiàn)到最新的進(jìn)展報(bào)道。

2.關(guān)于激光傳輸電能。激光方向性強(qiáng)、能量集中,利用激光可以攜帶大量的能量,可以用較小的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的輸電。有關(guān)研究選擇激光的優(yōu)勢(shì)在于,所需的傳輸和接收設(shè)備是微波所需的1/10,不存在干擾通信衛(wèi)星的風(fēng)險(xiǎn)——使用微波卻存在這種問(wèn)題。不足點(diǎn)之一是障礙物會(huì)影響激光與接收裝置之間的能量交換,使用激光不能像微波那樣可以闖過(guò)云層,射束能量可能會(huì)在中途喪失約一半。

[責(zé)任編輯:李志清]