王雪辰 魯先法 湯磊

摘 要：隨著微電子技術(shù)和通信技術(shù)飛速發(fā)展，電磁輻射充斥了自然空間。針對(duì)當(dāng)前無處不在的具有能量的電磁輻射，探討了一種電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和收集技術(shù)，一方面提示人們主動(dòng)地遠(yuǎn)離電磁輻射污染源，另一方面將電磁輻射傳播的能量轉(zhuǎn)換成有價(jià)值的電能，并收集和保存在超能存儲(chǔ)器中，使之變廢為寶。

關(guān)鍵詞：電磁輻射；能量轉(zhuǎn)換；能量收集；能量存儲(chǔ)

引言

電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交互變化產(chǎn)生電磁波，電磁波向空中發(fā)射或泄露的現(xiàn)象，叫電磁輻射。電磁輻射由自然電磁輻射源和人為電磁輻射源組成，其中自然界電磁輻射源包括雷電、太陽黑子活動(dòng)和宇宙射線等；人類社會(huì)形成的電磁輻射源則包括電腦、電視、音響、微波爐、電冰箱、手機(jī)、傳真機(jī)、通訊站、高壓電線、電動(dòng)機(jī)、航空、電氣鐵路、廣播、電視發(fā)射臺(tái)、移動(dòng)通信基站、雷達(dá)系統(tǒng)、電力產(chǎn)業(yè)的機(jī)房、衛(wèi)星地面工作站、調(diào)度指揮中心等。電磁輻射覆蓋了所有頻段，幾乎無處不在，且電磁波在傳播時(shí)有一個(gè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量的振蕩，分別在兩個(gè)相互垂直的方向傳播能量，具有能量的電磁輻射充斥整個(gè)宇宙空間。這種電磁輻射能量積累到一定的程度，將會(huì)對(duì)人體造成永久不可逆的傷害。

因此，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)㈦姶泡椛渥儚U為寶的能量轉(zhuǎn)換和收集裝置顯得尤為迫切和重要，一方面可警示人們主動(dòng)地遠(yuǎn)離電磁輻射源，另一方面使具有巨大累積能量的電磁輻射能夠?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)。

關(guān)于將自然界中存在的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的文獻(xiàn)、專利和應(yīng)用多見于風(fēng)能轉(zhuǎn)換、太陽能轉(zhuǎn)換和機(jī)車類等能量回收。目前尚未見將電磁輻射能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的相關(guān)文獻(xiàn)，因此，展開該技術(shù)的研究和探索具有極為重要的意義和價(jià)值。

1 系統(tǒng)模型

1.1 電磁輻射的特點(diǎn)

在復(fù)雜電磁環(huán)境下，通常在某一接收感應(yīng)點(diǎn)會(huì)聚集各個(gè)頻段各種能量的空中無線信號(hào)，包括直達(dá)波、發(fā)射波和繞射波等。系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 電磁輻射模型

雖然電磁信號(hào)在傳播時(shí)存在著能量損耗，如自由空間損耗公式為：

（1）

其中f單位為MHz；d的單位為千米?？紤]城區(qū)應(yīng)用模型，則損耗公式為：

（2）

其中L50為傳播路徑損耗值的50%（即中值）；Amu（f，d）為自由空間中值損耗；G（hte）為發(fā)射站天線高度增益因子；G（hre）為接收天線高度增益因子；GAREA為環(huán)境類型的增益。

如果f取1000MHz，d取1千米，則LS為92.45dB，可見電磁信號(hào)空中傳播雖然存在一定的衰減，但由于信號(hào)眾多，空間仍然具有極大的電磁波能量。

由此可見，完全有必要展開電磁能量感應(yīng)、轉(zhuǎn)換、收集和存儲(chǔ)技術(shù)的研究。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)電磁輻射的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了圖2所示的電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)電路。

圖2 電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和收集存儲(chǔ)電路

整個(gè)電路包括天線、無源能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)電路、能量指示電路、開關(guān)電路以及充電電路。電路中的天線用以感應(yīng)和接收空中的電磁輻射波。無源能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)電路由電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換模塊和能量存儲(chǔ)模塊兩部分組成，電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換模塊可根據(jù)實(shí)際需求采用寬帶化射頻接收通道設(shè)計(jì)，首先電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換模塊將天線感應(yīng)的電信號(hào)進(jìn)行能量累積，并通過T型無源高阻抗電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓型電信號(hào)后送到能量存儲(chǔ)模塊，能量存儲(chǔ)模塊采用超能存儲(chǔ)器件設(shè)計(jì)，感應(yīng)的電磁能量進(jìn)行存儲(chǔ)，其中超能存儲(chǔ)器采用超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)微弱能量的快速回收。能量指示電路則實(shí)時(shí)將感應(yīng)到的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行結(jié)果顯示和警示。

開關(guān)電路為低耗能電路，當(dāng)能量存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的電能達(dá)到一定的幅值后，將觸發(fā)開關(guān)電路，通過開關(guān)電路及充電電路將能量存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換為電池所需的額定電壓和電流對(duì)可充電電池進(jìn)行充電。

1.3 能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)原理

能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)電路的核心部件為超能存儲(chǔ)器件，研究時(shí)采用超級(jí)電容作為超能存儲(chǔ)器件。單體超級(jí)電容外觀如圖3所示。而實(shí)際使用時(shí)，往往采用超級(jí)電容系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，超級(jí)電容系統(tǒng)由單體超級(jí)電容串并聯(lián)組成，如圖4所示。

超級(jí)電容的基本原理是通過極化電解質(zhì)來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。超級(jí)電容在儲(chǔ)能的過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且這種儲(chǔ)能過程可逆，即可以進(jìn)行放電處理，也就是說，超級(jí)電容可以反復(fù)充放電。其儲(chǔ)能過程可以被視為電解質(zhì)中的兩個(gè)無反應(yīng)的活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，從而形成兩個(gè)容性存儲(chǔ)層，被分離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。

超級(jí)電容的表面積采用多孔碳材料，多孔碳的材料結(jié)構(gòu)使其面積可達(dá)2000m2/g，與電解液接觸的面積大大增加。超級(jí)電容的電荷之間的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的，這個(gè)距離相當(dāng)小，僅為幾個(gè)納米。足夠大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級(jí)電容較傳統(tǒng)電容器而言有驚人的靜電容量，這也是超級(jí)電容的“超級(jí)”所在。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 超級(jí)電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當(dāng)超級(jí)電容內(nèi)部兩個(gè)電極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電位時(shí)，電解液界面上的電荷則被吸附，超級(jí)電容處在正常充電工作狀態(tài)。當(dāng)超級(jí)電容兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，處于非正常狀態(tài)。隨著超級(jí)電容的放電，正負(fù)極板上的電荷被外電路泄放。由此可以看出超級(jí)電容的充放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)，因此性能是穩(wěn)定的。

電容器存儲(chǔ)的電勢(shì)能為E=■CU2，再利用庫侖定律Q=CU可得：

E=■ （3）

其中C是電容器容量；U是電壓；Q是電容器的總電荷量，只要影響電壓和總電荷量就會(huì)影響能量密度，電解液的變化是影響能量密度的重要原因之一。

在本項(xiàng)目中利用超級(jí)電容上述的特性來實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)，其過程如同“移峰填谷”，如圖6所示。

圖6 能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)原理

其實(shí)質(zhì)就是將波動(dòng)的能量變成較平滑的能量輸入，在達(dá)到一定的電壓值后進(jìn)行能量釋放，如為附屬充電電路進(jìn)行充電。

2 試驗(yàn)和分析

2.1 電磁輻射能量可收集性測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證論文研究的必要性和測(cè)試的直觀簡(jiǎn)單，采用800～3000MHz的移動(dòng)通信板型天線對(duì)移動(dòng)通信信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，因?yàn)樵擃l段信號(hào)較為密集，依據(jù)國家信工部對(duì)移動(dòng)通信頻率的劃分，可以得到表1所示的頻率分配表。

首先借助800MHz～3000MHz寬帶接收機(jī)對(duì)頻率范圍的信號(hào)進(jìn)行了搜索，然后采用FFT算法將實(shí)際測(cè)試的信號(hào)進(jìn)行了頻譜顯示，得到如圖7所示的頻譜圖和圖8所示的頻譜占用圖。

圖7 實(shí)測(cè)頻譜圖 圖8 城區(qū)頻譜占用情況

由圖可見，移動(dòng)通信信號(hào)輻射無處不在、無時(shí)不有，密集存在且強(qiáng)度較大，實(shí)際最大值可達(dá)-39dBm，如距離移動(dòng)通信基站50米左右，平均值約-65dBm?？梢妼⑦@些能量累積并收集具有重大的社會(huì)和現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 能量轉(zhuǎn)換可行性測(cè)試

試驗(yàn)首先測(cè)試了電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和收集存儲(chǔ)電路的能量和轉(zhuǎn)換收集能力。試驗(yàn)時(shí)在電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和收集存儲(chǔ)電路前方5米處利用手機(jī)屏蔽器發(fā)射掃頻干擾信號(hào)。電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和收集存儲(chǔ)電路則可以將干擾信號(hào)的能量進(jìn)行累積并感應(yīng)和轉(zhuǎn)換，為了驗(yàn)證有無能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，采用了微功耗的LED指示燈進(jìn)行了試驗(yàn)，如圖9所示。

圖9 能量轉(zhuǎn)換能力測(cè)試

測(cè)試過程中可見LED燈處于時(shí)亮?xí)r滅的狀態(tài)，這表明的確有能量轉(zhuǎn)換且被存儲(chǔ)，并可以用來驅(qū)動(dòng)LED指示燈。

2.3 能量轉(zhuǎn)換能力測(cè)試

為了驗(yàn)證能量轉(zhuǎn)換的可行性，驗(yàn)證能量存儲(chǔ)模塊的能量存儲(chǔ)能力，試驗(yàn)時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和描繪了轉(zhuǎn)換的效率波形，即實(shí)時(shí)記錄能量存儲(chǔ)模塊的電壓波動(dòng)情況，并進(jìn)行圖形描繪，如圖10所示。

圖10 能量轉(zhuǎn)換速率

由圖10可見，整體轉(zhuǎn)換速率較為緩慢的。主要原因在于：測(cè)試過程沒有采用全頻段天線，僅僅對(duì)800～3000MHz范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行了感應(yīng)，而且天線效率極低，大量的電磁能量沒有得到有效的轉(zhuǎn)換；超級(jí)電容較為簡(jiǎn)單。但也可以看出，文章研究的能量轉(zhuǎn)換、收集和存儲(chǔ)技術(shù)是可行的。

如果經(jīng)過進(jìn)一步的軟硬件優(yōu)化和修改，尤其是高性能的感應(yīng)天線和大容量的超級(jí)電容，則可將該技術(shù)應(yīng)用于各種小電壓可充電電池的充電，也可廣泛應(yīng)用于其他場(chǎng)合。

3 結(jié)束語

文章研究了一種全頻段電磁輻射感應(yīng)電路的設(shè)計(jì)，初步探討了電磁波能量的轉(zhuǎn)換、收集和存儲(chǔ)技術(shù)，一方面進(jìn)行了能量顯示和提示，另一方面也是最為重要的一個(gè)方面是實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換和變廢為寶。該研究成果還可應(yīng)用于人體健康防護(hù)、居住環(huán)境電磁監(jiān)測(cè)、精密儀器儀表電磁泄漏檢測(cè)。