郭華

摘要：通常，電能都是通過(guò)電力系統(tǒng)的輸電線(xiàn)路來(lái)傳輸?shù)?。由于輸電線(xiàn)路比較繁多，會(huì)存在交織錯(cuò)雜現(xiàn)象，因此經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些事故，有的甚至?xí)绊懙絿?guó)民審計(jì)的穩(wěn)定問(wèn)題，而我國(guó)新型無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)在一定程度上可以減少甚至避免對(duì)電力系統(tǒng)的影響。本文就對(duì)電力系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出了電力系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)其未來(lái)的研究方向進(jìn)行了論述，希望對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)中的發(fā)展有一定幫助。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)：無(wú)線(xiàn)電傳輸；技術(shù)；分析

本文總結(jié)了無(wú)線(xiàn)電傳輸（WPT）技術(shù)在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，電磁感應(yīng)以及近場(chǎng)諧振式無(wú)線(xiàn)電能的最大弊端就是傳輸?shù)木嚯x過(guò)于接近，輻射式無(wú)線(xiàn)電能的傳輸距離比較遠(yuǎn)，就必須有極高的方向性的天線(xiàn)以及高功率微波一電能轉(zhuǎn)換單元及高性能天線(xiàn)，來(lái)作為WPT未來(lái)的傳輸研究方向，與此同時(shí)更要考慮無(wú)線(xiàn)電能傳輸與環(huán)境的兼容性。

1電力系統(tǒng)WPT研究現(xiàn)狀

1.1電磁感應(yīng)WPT

由于變壓器的原副供電線(xiàn)圈都在一個(gè)鐵芯上纏繞著，因此供電就不靈活。因此為了改變其靈活性，國(guó)內(nèi)外都對(duì)變壓器的副邊繞組間的鐵芯部分同其他有效介質(zhì)代替了，而且這些介質(zhì)可以在很多不同的場(chǎng)合進(jìn)行應(yīng)用。就目前來(lái)看，電力系統(tǒng)中的電磁感應(yīng)式WPT是最為常用的非接觸式電能傳輸。如圖1所示

這種非接觸式的電能傳輸使用的就是電磁感應(yīng)耦合技術(shù)以及現(xiàn)代控制技術(shù)，這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了負(fù)載側(cè)與電源側(cè)的完全分離電能傳輸技術(shù)，這種技術(shù)避免了舊的電能傳輸方式中接電火花以及裸露導(dǎo)體的產(chǎn)生。使舊的電能傳輸方式在一些特殊環(huán)境下降低了危險(xiǎn)，使電能能夠安全地進(jìn)行傳送。

這種技術(shù)比較成熟，因此可以在傳輸功率上進(jìn)行突破，只是傳輸率不夠高，并且傳輸距離較短，一般都是要貼在一起，由此可見(jiàn)只能運(yùn)用在局部電網(wǎng)中。這種輸電方式實(shí)際上是從線(xiàn)圈通入電流、使其產(chǎn)生變化的磁通，也就是利用了變壓器磁耦合原理，在副線(xiàn)圈上激起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而使電能的無(wú)線(xiàn)化傳輸能夠順利進(jìn)行。

1.2近場(chǎng)諧振式WPT

近場(chǎng)諧振技術(shù)是WPT中最新研究出來(lái)的成果，電場(chǎng)E的強(qiáng)度隨著電荷之間的距離平方的增加而減小。這里設(shè)想的僅僅是“點(diǎn)狀電荷”發(fā)出放射狀電力線(xiàn)時(shí)的簡(jiǎn)單模型，這對(duì)于實(shí)際的電子，點(diǎn)狀電荷的設(shè)想一般是不能夠成立的，一般情況下，電荷是從一個(gè)確定的范圍迸發(fā)出來(lái)的。此時(shí)的電場(chǎng)成分中含有多個(gè)成分，例如與距離的高次方成反比的成分、強(qiáng)度與距離的平方成反比等。電荷分布的形狀以及復(fù)雜性決定了高次方成分的比例，同時(shí)偶爾會(huì)受到角度的影響，這一系列場(chǎng)的高次方就形成了近場(chǎng)。場(chǎng)立方以上的高次方成分與電荷距離之間成反比的關(guān)系。但是如果在距電荷較近的位置，就會(huì)比平方成分強(qiáng)。一般情況下天線(xiàn)的電荷分布是隨著時(shí)間的變化而變化的，由此而產(chǎn)生電磁波，電磁波與磁場(chǎng)中的平方成分的時(shí)間變化有非常密切的關(guān)系。近場(chǎng)的高次方不會(huì)向遠(yuǎn)處傳播，但是會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，換句話(huà)說(shuō)就是在天線(xiàn)的周?chē)嬖跓o(wú)線(xiàn)介質(zhì)，但不是電磁波的磁場(chǎng)和電場(chǎng)。

在我國(guó)電磁波和諧振技術(shù)都早已達(dá)到實(shí)用水平，并且兩者聯(lián)合用語(yǔ)通信技術(shù)。但是近場(chǎng)以及時(shí)間的變化沒(méi)有得到充分利用。而且被當(dāng)做電磁干擾的主要原因，成為人們的抑制對(duì)象之一。但是去掉電磁感應(yīng)使用的線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從電子學(xué)的角度來(lái)講，也是一個(gè)盲點(diǎn)。MIT的主力教授馬林·索爾賈希克以及其研究小組對(duì)于電磁近場(chǎng)的理論實(shí)驗(yàn)成功，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)使用和調(diào)整發(fā)射兩個(gè)直徑50cm的銅線(xiàn)圈，使其在IOMHZ產(chǎn)生諧振，這樣來(lái)將距離電力發(fā)射端2m意外的一盞60w燈泡成功點(diǎn)亮。MIT的電力傳輸系統(tǒng)第一眼看上去是一種源于電感應(yīng)的電力傳輸，但是事實(shí)上結(jié)合了近場(chǎng)諧振技術(shù)，與電磁感有很大差別。這種電力傳輸系統(tǒng)所發(fā)出強(qiáng)度與貫穿線(xiàn)圈內(nèi)部的磁通變化幅度成正比。所傳輸?shù)碾娏h(yuǎn)超過(guò)法拉第電磁感應(yīng)定律。使非接觸電力利用圈數(shù)為數(shù)百的線(xiàn)圈進(jìn)行傳輸時(shí)，才能在數(shù)毫米的距離上的傳輸效率超越60%。但是索爾賈?？说南禂?shù)在進(jìn)行2m傳輸過(guò)程中的傳輸效率為40%，在進(jìn)行距離為1m傳輸時(shí)可以得到超越90%的高傳輸效率。線(xiàn)圈作為天線(xiàn)也只能是隨意將5圈粗銅線(xiàn)進(jìn)行纏繞。由此可以看出，近場(chǎng)諧振技術(shù)與電磁感應(yīng)的不同之處在于：不僅僅靠磁通量的強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行工作。

1.3輻射式WPT

輻射式WPT技術(shù)在收發(fā)微波束能量是靠先進(jìn)的定向天線(xiàn)來(lái)進(jìn)行的，一般在接收端憑借整流技術(shù)以及高性能接收技術(shù)，進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的無(wú)線(xiàn)電能的傳輸，這種WPT要想應(yīng)用到實(shí)際工作和生活當(dāng)中還不太現(xiàn)實(shí)。也就是應(yīng)用這種WPT的時(shí)代距離我們還很遠(yuǎn)，其在現(xiàn)代空間太陽(yáng)能發(fā)電的構(gòu)想一太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星中應(yīng)用得非常好。包括在高空能量輸送平臺(tái)中也可以很好的進(jìn)行利用，這種技術(shù)將會(huì)被應(yīng)用到使用微波輻射將太空中的太陽(yáng)能發(fā)射會(huì)地球。然后使用接收天線(xiàn)將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。并進(jìn)行二次輻射給另外的基站，這樣一來(lái)太空中的太陽(yáng)能就可以永久地為人類(lèi)提供能源。由此可見(jiàn)我們所研究的焦點(diǎn)就是怎樣才能使輻射式WPT能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離的電能傳輸。

2電力系統(tǒng)中WPT的關(guān)鍵技術(shù)

從上述觀點(diǎn)中可以看出，我們研究的電力系統(tǒng)中的WPT技術(shù)主的重點(diǎn)就是是要考慮效率、功效等因素。只有在信號(hào)的傳輸距離很遠(yuǎn)、抗干擾性能很強(qiáng)、且保證發(fā)射天線(xiàn)能夠發(fā)射方向性非常集中、可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)奈⒉ǖ那闆r下，微波才能進(jìn)行有效地傳輸。對(duì)于電力系統(tǒng)中的WPT來(lái)說(shuō)。不僅需要大功率的微波源更需要優(yōu)良的天線(xiàn)性能，這樣才能使用發(fā)射天線(xiàn)把大功率微波能量發(fā)射出去。除此之外，高頻率微波被接受天線(xiàn)接收到之后，必須具有高效設(shè)備將微波轉(zhuǎn)化成為基礎(chǔ)的直流電。

2.1近場(chǎng)天線(xiàn)

在對(duì)近場(chǎng)諧振WPT理論進(jìn)行談?wù)?、研究之后發(fā)現(xiàn)兩個(gè)線(xiàn)圈有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)不向外輻射的高方磁場(chǎng)，也就是形成漸消的磁場(chǎng)形式。磁場(chǎng)強(qiáng)耦合可以在接收線(xiàn)圈與發(fā)射線(xiàn)圈兩者相對(duì)距離比較接近的情況下形成，這樣產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)耦合比電感應(yīng)式WPT的效率更高，靈活性能比較高。通過(guò)電磁場(chǎng)的理論，輻射天線(xiàn)的尺寸對(duì)近場(chǎng)的范圍有一定的限制，具體來(lái)說(shuō)兩者成正比關(guān)系，天線(xiàn)的尺寸和近場(chǎng)諧振式的無(wú)線(xiàn)電能傳輸距離也成正比關(guān)系。

2.1.2八木宇田天線(xiàn)

也可以稱(chēng)之為八木天線(xiàn)，其主要組成部分有反射器、引向器以及有源振子等。如圖2所示。一般情況下八木天線(xiàn)的增益只有短短的10～20db。由于其發(fā)散性能比較強(qiáng)，因此就目前看來(lái)還沒(méi)不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離的無(wú)線(xiàn)電能傳輸。

2.3反射面天線(xiàn)

如圖3，其是利用拋物反射面的聚焦特性，其中的原理與光學(xué)反光鏡極為相似。都是波束隨著拋物面直徑和工作波長(zhǎng)之間的比例的增加，而逐漸變窄，并且天線(xiàn)增益與波長(zhǎng)的平方成反比，但與天線(xiàn)開(kāi)口面幾何面積成正比關(guān)系。其公式為（1）反射面天線(xiàn)的增益G一般情況下可以做到30～40db，還可以更高，據(jù)有關(guān)的資料顯示，現(xiàn)在可將反射面的天線(xiàn)中的輻射功率的90%還可以更多包含在天線(xiàn)輻射方向土的主瓣中，由此可見(jiàn)，這種天線(xiàn)完全符合我們對(duì)WPT的要求，其可以作為我們需要的遠(yuǎn)程WPT天線(xiàn)。接收天線(xiàn)的功率公式為公式（2），這里需要注意的是天線(xiàn)的物理口徑必須大與無(wú)線(xiàn)的有效口徑。（2）式可以稱(chēng)為Friis傳輸公式，由此可知，發(fā)射天線(xiàn)的功率與接收天線(xiàn)受到的功率成正比，也與天線(xiàn)的增益成正比關(guān)系，而其與距離的平方成反比。這種情況下。我們可以通過(guò)提高增益來(lái)使接收到的功率得到提升，而且接收的功率會(huì)受發(fā)射和接收天線(xiàn)的影響。這樣的天線(xiàn)在應(yīng)用過(guò)程中，只能尋找和運(yùn)用極大增加天下增益的辦法才能將天線(xiàn)的主瓣寬度限制得很狹窄。達(dá)到預(yù)定的要求。

3微波源

就目前來(lái)看我國(guó)常用的大功率微波源有以下器件：（1）射頻放大管：正交場(chǎng)管、行波管與速調(diào)管都屬于比較成功的管型，其中速調(diào)管是最為可靠的一種管型，因?yàn)槠淦骄β首畲罂蛇_(dá)25--50kw，而且效率一般保持在30-40%。（2）固態(tài)微波放大器：因?yàn)橐粋€(gè)固態(tài)器件所輸出的功率是有一定局限性的，因此在發(fā)射機(jī)中從正交場(chǎng)放大管和磁控管、從高功率的速調(diào)管、行波管等到固態(tài)器件的轉(zhuǎn)換速度不是很快。經(jīng)過(guò)有關(guān)計(jì)算，其功率只有20%。因此從上述器件可以看出，我國(guó)目前的微波源的效率以及功率等都還滿(mǎn)足不了電力系統(tǒng)的掛網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行要求。

4結(jié)語(yǔ)

本文研究結(jié)果表明。雖然WPT技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用具備基本理論和實(shí)踐條件，但是要想運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中來(lái)，尚有距離。

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