無線輸電關鍵技術及其應用

程時杰 陳小良 王軍華 文勁宇 黎靜華

(1.中國電機工程學會 北京 100031 2.武漢大學電氣工程學院 武漢 4300723.華中科技大學電氣與電子工程學院 武漢 430074 4.廣西大學電氣工程學院 南寧 530004)

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無線輸電關鍵技術及其應用

程時杰1,3陳小良1王軍華2文勁宇3黎靜華4

(1.中國電機工程學會 北京 100031 2.武漢大學電氣工程學院 武漢 4300723.華中科技大學電氣與電子工程學院 武漢 430074 4.廣西大學電氣工程學院 南寧 530004)

隨著科技的快速發展，無線輸電技術逐漸引起了國內外的高度關注。首先介紹了無線輸電技術的背景及國內外發展現狀，然后對我國無線輸電技術的發展趨勢和應用前景進行了分析，論述了我國發展電磁感應的短距離、磁共振的中距離、微波無線輸電技術和飛秒激光長距離無線輸電技術的重大科學問題和關鍵技術，最后針對無線輸電技術在我國電力設備制造技術、輸電網發展、配電網發展、智能電網和新能源利用方面的研究發展與應用進行了探討。

無線輸電技術 感應耦合 磁共振耦合 微波無線輸電 飛秒激光

0 引言

隨著社會現代化與電氣化程度不斷加深，從遍布世界各地的輸配電線路網架到為工作和生活中的各類電氣設備提供電能，采用金屬導線直接連接來進行電能傳輸的接觸式傳輸方式已經得到了廣泛應用。雖然這種“有線”的傳輸方式已經發展得十分成熟，但仍有許多問題難以解決。傳統電氣設備的接觸式供電因觸點接觸摩擦產生火花、絕緣與導體消損的問題，嚴重縮短電氣設備的使用壽命，甚至對供電的安全性與可靠性產生威脅。不良電氣接觸連接會增加接觸電阻，造成高溫引起火災，電氣開關還會引起拉弧的危險[1]。

另外，傳統的接觸式電能傳輸方式不能滿足一些特殊應用場合的需要，例如在礦井、油田和水下探測等場合[2]。在傳統的接觸式供電方式下，觸點由于摩擦易導致電火花，在礦井和油田鉆采中會增加爆炸的可能性，引發嚴重的危害。水下探測機器人需要頻繁更換電池或采用水下電纜連接來提供足夠設備運行的能源，給水下探測設備的正常運行和維護帶來了許多不便。給運動設備進行供電時，一般都采用滑動接觸供電，但這種供電方式存在滑動磨損、接觸火花、積碳和不安全裸露導線等缺點[3-5]。海上的島嶼、邊遠山區和工作于山頭的基站等交通不便、遠離大電網、缺乏規范能源的地點，采用架設電線的傳統配電方式成本過高，實現起來十分困難。

隨著各種便攜式電子設備的廣泛普及，新的問題也隨之出現。電源插頭頻繁地拔插，易發生觸點的磨損、變形和老化，導致安全性得不到保障。不同電子產品的充電器生產規格標準不統一，而每個充電器都需要獨立的插孔和配套電線，這樣既造成了資源的浪費，在生產制造和垃圾處理環節也會污染環境。便攜式電子設備需要頻繁地充電，而各式各樣繁雜的充電器和纏繞在一起的電線給人們的生活帶來極大的不便。此外，為植入體內的醫療設備的長期供電也存在很大的不便[6]。這些有線傳輸方式現存的問題需要一種無需導線連接的電能供應模式解決，而電力電子技術和電磁場理論的發展，使得無線輸電的實用化成為可能。無線輸電技術的引入將使電能的生產、輸配和使用途徑更加寬廣、方式更加多樣化。無線輸電技術利用了感應耦合、磁共振耦合、飛秒激光和微波等形式進行能量傳輸，是一種安全、可靠和便捷的新型輸電方式。

1 無線輸電技術的定義及原理

1.1 分類定義

目前，國內外學者對無線輸電概念的闡述各有特點，但無線輸電技術的定義和分類方式仍缺乏權威或官方的定義。國際上對于無線輸電研究的快速增長出現在2007年前后，2014年以來相關的研究和報道逐漸增多。文獻中對無線輸電分類定義的闡述很多[2-20]，經過歸納其中典型的傳輸方式可以分為以下幾類。

1)基于電磁感應的短距離傳輸技術。

感應耦合電能傳輸技術(Inductively Coupled Power Transmission，ICPT)是一種以感應耦合原理為基礎的無線電能傳輸模式。主要以磁場做為電能傳輸的媒介，基于變壓器疏松感應耦合的構造，通過電力電子技術提高磁場頻率、降低氣隙損耗，實現無線電能的傳輸。這種無線輸電技術的特點是傳輸功率大，能達千瓦級別，在極近距離內效率很高，但傳輸效率會隨傳輸距離增加和接收端位置變化而顯著減小，所以該技術一般用于厘米級的短距離傳輸。

2)基于磁共振耦合的中距離傳輸技術。

磁共振耦合無線輸電技術(Resonant Wireless Power Transmission，RWPT)主要是利用發射線圈與接收線圈在系統本征頻率下發生強耦合現象來實現電能的高效傳輸。這種傳輸方式可以越過某些材料和金屬障礙物，在線圈直徑的幾倍距離內，以MHz頻率的磁近場傳輸電能。傳輸效率較高，而且在傳輸區域內接收端的位置變化對效率不會產生顯著影響。由于電力電子器件的制約，傳輸功率提高到千瓦級別時需要犧牲傳輸距離，甚至無法達到傳輸所需的共振頻率，從而影響傳輸效率。

3)基于微波/飛秒激光的長距離傳輸技術。

微波電能傳輸技術(Microwave Power Transmission，MPT)是通過能量轉換裝置將電能轉化為微波形式，利用發射天線向目標位置定向發送微波，再經接收裝置接收并整流來實現的電能傳輸方式。這種傳輸技術適合應用于距離較長、容量較大的電能傳輸場合，例如將空間太陽能電站的能量傳回地面，向平流層飛艇和軌道衛星供電等。基于飛秒激光的無線輸電技術(Femtosecond Laser Power Transmission，FLPT)利用超強超快激光在大氣中傳輸時的非線性效應，將空氣分子電離，從而產生可長達十幾公里的等離子體通道。將等離子體通道內存在的大量電子作為載流子，可以為電能的轉移提供媒介，其作用相當于在空氣中架設的一條虛擬導線。該項技術能夠實現幾十公里距離的高效無線輸電，傳輸的功率和可靠性有待進一步地深入研究，適合于地面的大功率無線輸電。

微波輸電技術在對埋入式傳感器和植入式醫療設備等進行電能的傳輸時，將對人體造成未知的影響，在功率較大的場合甚至直接造成損傷，因而微波輸電技術不適用于醫療器械充電方面的電能傳輸。由于微波或飛秒激光形式的能束有一定的功率密度，將對現有的微波系統造成一定干擾，因此這種傳輸方式多用于環境影響較小的場合。

1.2 基本原理

1.2.1 基于感應耦合的短距離傳輸技術

ICPT系統是將變壓器緊密型耦合磁路分開，一、二次側繞組分別繞在具有不同磁性的結構上，當變壓器松耦合時，在高頻交流激勵下，變壓器的一、二次側存在很強的電磁耦合從而使得大氣隙下的輸電變得可行，實現在電源和負載單元之間進行能量傳遞而不需物理連接[7]。其一、二次側之間通過電磁感應實現電能傳輸，由于相比于緊密耦合的變壓器，這種傳輸方式在一、二次側的鐵心之間存在較大的氣隙，導致勵磁電抗的降低引起傳輸效率的下降，一般通過電力電子技術提高輸入電源的頻率加以補償。

ICPT系統主要由以下3部分組成：

1)變頻模塊，運用脈沖寬度調制技術將低頻輸入轉換為高頻，可以根據不同傳輸功率和距離的需要，調整輸出頻率和功率。

2)傳輸模塊，通過鐵心分離的松耦合變壓器，實現一、二次側沒有物理連接的感應耦合無線輸電。

3)整流模塊，利用整流將接收到的的高頻電能轉換為直流形式供負載使用。

圖1為短距離感應耦合系統框圖。其中，一次線圈和二次線圈之間有各自的補償環節和調節控制電路，這樣能使得傳輸效率達到最大化。兩線圈側整流濾波電路，高頻逆變單元，一、二次側相應的補償電路，調節控制電路等部分共同構成了整個ICPT系統。

圖1 短距離電磁感應耦合系統框圖

圖2為短距離感應耦合電路原理圖，其工作原理是交流電源在經過整流濾波后可以得到直流電，再利用高頻逆變單元得到高頻交流電通入一次側線圈，因高頻交流電而在一次側線圈中產生的磁鏈Φ高頻整流濾波等調節之后便能向負載供給相應大小的直流電能。

圖2 短距離電磁感應耦合電路原理圖

1.2.2 基于磁共振耦合的中距離傳輸技術

傳統射頻傳輸技術雖然在信息傳輸方面具有極大的優勢，但是如果使用射頻形式來傳輸能量卻很難實現。如果采用非定向輻射，由于接收端附近的功率密度很低，難以提供足夠的能量；如果采用定向發射的微波，那么需要準確的控制系統跟隨接收端移動。磁共振耦合現象的發現，為射頻傳輸提供了一種便捷、安全的新型傳輸方式。

2006年，麻省理工學院的研究團隊提出了磁共振耦合方式，并成功制造了一臺樣機可以為2 m外的60 W的燈泡進行供電。他們的實驗結果顯示電能的傳輸距離為2 m時，其效率高達92%，采用這種技術可以在線圈直徑的幾倍范圍內的中距離上進行高效的能量傳輸。

在振動系統(如聲音，振動的物體)中，具有相同固有頻率的振動體常常產生強耦合狀態，處于這種狀態時，共振體之間的能量交換大于在能量傳遞過程中的損耗和振動體本身的能量耗散，達到很高的傳輸效率。磁共振耦合是一種近磁場的強耦合方式，在磁共振下的電能傳輸效率很高，且不受傳輸通道上越過某些材料和金屬障礙物的影響，在傳輸范圍內實現高效的非定向傳輸，而對于非共振物體來說，中距離電能傳輸無法實現。

圖3為中距離磁共振耦合系統框圖。它主要包括工頻交流電源、整流濾波模塊、射頻放大器、阻抗匹配及調節控制電路、發射和接收線圈、整流器和負載。通過射頻放大器變得到具有使發射端、接收端線圈發生共振的頻率的電流，這種情況下可以使得能量的傳輸效率最大化。

圖3 中距離磁共振耦合系統框圖

圖4為中距離磁共振耦合電路原理圖。L1線圈用作激勵，C1是發射線圈的補償電容，C4是接收線圈的補償電容，第二個閉合回路表示發射線圈等效電路，第三個閉合回路表示接收線圈等效電路。該圖中共有6個互感，其中M13、M14、M24之間的耦合十分微弱可以忽略。

圖4 中距離磁共振耦合電路原理圖

結合耦合模理論的微分方程組，強耦合磁共振系統可以進行相關分析計算。發射裝置與接收裝置發生共振狀態下功率最優，該狀態下效率η為

1.2.3 基于微波及飛秒激光的長距離傳輸技術

美國工程師P.Glaser很早便設想了一種太陽能發電衛星，他設想建立空間基地，這樣便能通過發電衛星的運轉吸收大量太陽能來供應電能，采用微波的形式將能量傳輸到地面，經接收裝置接收后微波轉換為電能，經歷了太陽能→電能→微波→電能的變化過程。MPT效率較低，C波段(5.8～35) GHz是其聚集的工作頻段，在地理位置及周邊境況等因素的影響下，MPT技術受到的干擾較大，距離實際投入使用尚有較長一段路要走。MPT電能傳輸技術適用于大范圍、長距離、且受環境影響小的場合，但在生物醫學領域，采用微波電能傳輸技術，會在一定程度上傷害到人體。

無線輸電中效率是重點之一。因而必須要考慮有較強目標針對性、能夠集中發射能量的方式，激光及微波束是非常好的選擇。但在傳輸過程中，氣體和灰塵容易造成激光光束散射，具有較為明顯的非線性效應，且最后接收的功率偏低。利用微波進行輸電即首先將微波進行高密度聚集，然后對準目標并發射到接收側的整流天線(Rectenna)，進一步通過整流將微波轉化為直流。

圖5為長距離微波系統框圖。微波無線輸電系統主要有3個組件，微波功率發生器、微波的發射和傳輸、整流模塊及阻抗匹配，最后可得到穩定的直流輸出。工作原理是：經微波產生裝置直流電可轉換成微波，進而由天線高密度聚集后進行發射，最后由接收天線接收，整流后負載可得到穩定直流輸入。

圖5 長距離微波系統框圖

由于微波無線輸電技術是目前將能量從衛星傳送到地球的相對成熟的技術，最適合于地面向空間或者空間向地面的大功率無線輸電，因此被應用到空間太陽能電站的方案中，而且可以應用到電力中繼衛星中。隨著科學技術的發展，微波無線輸電系統效率的提高和尺寸的減小將使該技術具有更強的競爭力。

圖6為飛秒激光系統框圖。系統主要包含飛秒激光發生裝置、調節控制裝置、等離子體通道診斷裝置、供能及儲能模塊裝置、同步調控裝置。該系統發出的飛秒激光經調整控制匯聚后釋放到周圍環境中，這樣等離子體通道便形成于大氣環境。供能模塊可以提供電能輸出，同步控制裝置可將強電耦合介入到等離子體通道之中，電能便能夠依靠等離子體通道傳導至儲能模塊，進而可供給負載或另作他用。

圖6 長距離飛秒激光系統框圖

基于飛秒激光的無線輸電技術利用超強超快激光在大氣中傳輸時的非線性效應，將空氣分子電離后形成克爾自聚焦與等離子體散焦平衡，產生可長達十幾公里傳輸的等離子體通道，從而實現幾十公里距離的高效無線輸電，傳輸的功率和可靠性有待進一步地深入研究，這種方式適合于地面的大功率無線輸電。

目前國內外尚未有關于基于等離子體通道的無線輸電技術實現和應用的報道。相關研究內容主要是圍繞等離子體通道本身特性的理論及實驗研究、等離子體通道傳導射頻輻射的理論研究等。等離子體通道的電學特性非常穩定，它最先被用在研究人工引導雷電之中，此后各國紛紛開展了關于等離子體通道的研究工作，在理論與實驗兩個方面都取得了非常重要的進步。目前，中國空間技術研究院也正在開展基于飛秒激光的無線輸電技術的原理性和應用研究工作。

2 發展趨勢與應用領域

2.1 基于專利統計的發展趨勢分析

無線輸電技術不斷累積增多的相關專利數據，具有展示應用情況和指導研發方向的潛在價值。在無線輸電技術的快速變化發展階段，專利統計分析是一種能夠有效地認識國內外技術發展狀況、監控技術環境變化的方法，可以很好地把握技術動態、了解技術競爭力。

通過在國家專利局的專利檢索與服務系統的檢索，經過人工篩選后，得出國內外在短、中、長距離無線輸電技術領域專利的申請量情況，從而繪制出國內外專利申請隨年度變化的趨勢圖，圖7為國內外短距離無線輸電技術領域專利申請隨年度變化的趨勢圖，圖8為國內外中距離無線輸電技術領域專利申請隨年度變化的趨勢圖，圖9為國內外長距離無線輸電技術領域專利申請隨年度變化的趨勢圖。

對比圖7～圖9可以看出：在無線輸電技術領域專利申請方面，國外比國內要早十多年，這說明國內在該領域內的研究較晚，但從申請量方面來看，自2011年開始，國內的申請量超越了國外，而且申請量呈增長趨勢。國外從2012年開始申請量略微下滑，態勢趨于平緩。國內研究的起點時間雖然晚于國外十多年，但近幾年國內的研究勢頭遠遠超越國外。

圖7 國內外短距離無線輸電技術領域專利申請隨年度變化的趨勢圖

圖8 國內外中距離無線輸電技術領域專利申請隨年度變化的趨勢圖

圖9 國內外長距離無線輸電技術領域專利申請隨年度變化的趨勢圖

從申請時間可以看出國外的技術成熟度已經較高，專利申請量的下滑可能是因為進入了一個新的發展階段，更傾向于某些產品的實質應用推廣，而不局限于大量地申請專利來保護潛在產品，不再是數量領先而是技術領先。

圖10和圖11是按照IPC分類方法分別統計的國內外專利申請技術構成圖，可以看出，國內H02(發電、變電或配電)大類占比45.81%、H04(電通信技術)大類占比10.05%，其他類占比較少，占比量相對均勻；國外H02(發電、變電或配電)大類占比也是第一位，但所有的大類占比都相對均勻。對比國外的發展狀況可以看出，國內在其他領域，尤其是B60(一般車輛大類)、H01(基本電氣元件大類)、H04(電通信技術大類)這三類技術領域還有很大的發展空間。

圖10 國內無線輸電技術領域專利申請技術構成圖

圖11 國外無線輸電技術領域專利申請技術構成圖

專利分析更多體現的是無線輸電技術的應用前景和可能的市場布局。經過對國外無線輸電的進展狀況，特別針對是2013下半年至2014上半年國外科技文獻的調研，技術方面發展的趨勢可以總結為更加可控、高效、安全、便攜和美觀，下面摘錄一些國外無線輸電最新進展的代表性工作簡要介紹。

2.2 最新進展

1)新型材料的使用

超材料(Metamaterial)所指的是人工復合結構或復合材料，特點在于它們具有天然材料所不具備的超常物理性質。在材料的關鍵物理尺度上的進行結構特別的設計，能夠突破某些表觀自然規律的約束，如此獲得超出自然界天然材料所具有的普通特性的超常材料功能。朱拉隆功大學(Chulalongkorn University)的Y.Zhao等[21]分別采用了double negative material、μ-negative material和indefinite material (IM)3種超材料，制成薄片狀用于放大特定的電磁波，從而達到增強共振耦合模式下無線輸電效率的目的，其結構形式如圖12所示。

圖12 IM薄片在雙線圈WPT系統中的放置位置示意圖

超材料與原有的材料制備相比，應用差別非常大，一般情況下都是利用自然中原本具有的材料制造出相應的物品，但是超材料采用了獨特的方式，結合逆向思維，在考慮制造出具有某功能的材料時，根據對于電磁波的具體投入使用后的需求。倏逝波(Evanescent waves)指的是在兩種不同介質的分界面上因全反射引起得到的一種電磁波，其幅值隨與分界面相垂直的深度的增大而呈指數形式衰減，Y.Zhao等[21]認為倏逝波在共振耦合無線輸電中起著至關重要的作用，double negative material、μ-negative material和indefinite material (IM)3種超材料正是設計用于放大倏逝波的超材料。利用這幾種超材料的多層結構使得特定波長的電磁波形成近場聚焦，像透鏡一樣增強接收端的磁場。在經過仿真發現IM對于提升傳輸效率的效果最為明顯，結果如圖13所示。

圖13 IM薄片加入后對磁場分布影響的仿真結果

類似的還有杜克大學(Duke University)的G.Lipworth等[22]采用磁質超材料(Magnetic metamaterial)超級透鏡，對近磁場進行集中，增加無線輸電距離。實物如圖14和圖15所示，進行了13～16 MHz的仿真并以實驗證明了仿真的正確性。

圖14 磁性超材料和超級透鏡集合

圖15 線圈連接細節圖

對于使用感應耦合方式的無線輸電設備，例如手機充電墊，由于傳能線圈的接收端距離發射端很近，發射端的驅動電路會產生頻率在30 MHz～1 GHz的電磁波干擾，影響手機等便攜式通訊設備的信號發送與接收。香港城市大學(City University of Hong Kong)的P.Wu等[23]使用頻率選擇性表面(Frequency-selective surface)來抑制充電墊對外部的射頻干擾，結構示意圖如圖16所示。

圖16 采用頻率選擇表面材料的充電裝置結構示意圖

之后他們選用GSM900和GSM850兩種通信系統進行了實測，實驗數據表明手機對信號的靈敏度得到了提高，據此提出可以將表面選擇性材料做成低成本的充電墊附件來解決目前充電墊的射頻干擾問題。

2)傳能線圈結構

首爾大學(Seoul University)的Tae-Soon Chang[24]提出了一種使用空腔諧振器進行無線輸電的方法，并設計了一個中心頻率在5.76 Hz，傳輸效率高達75%的實例。在該傳輸方法中，發射端和接收端并非傳統形狀的線圈，而是鑲嵌在諧振腔壁上的帶線，其結構如圖17所示。

圖17 諧振腔帶無線輸電裝置裝置結構示意圖

韓國高等科技學院(Korea Advanced Institute of Science and Technology)的Wang-Sang Lee等[25]提出了一種新型發射線圈結構，其是一種具有電容的電流控制線圈，如圖18所示。

圖18 帶電容的電流控制線圈示意圖

采用這種線圈后，通過調整電容值，可以控制正向和反向的循環電流的比例，這種方式解決了傳輸距離變化帶來的阻抗不匹配問題，在0～7 cm的距離內可以保持60%的傳輸效率，且并不需要接入額外的匹配電路，系統原理圖如圖19所示[25]。

類似的，弘益大學(Hongik University)的B.C.Park等[26]也提出了一種不敏感的共振傳能線圈結構，如圖20和圖21所示。其中饋電線圈起著共振耦合方式中阻抗匹配的關鍵作用。呈120°夾角的是接收端共振線圈，另一個是發射端高Q值共振線圈。

圖19 采用電流控制線圈之后的系統原理圖

圖20 線圈結構示意圖

圖21 線圈結構實物圖

東京大學(the University of Tokyo)的W.Wei等[27]提出了一種雙螺旋結構的共振傳能模式，并且適合將線圈印制于廉價基材(例如薄膜)上。雙螺旋共振線圈可以提供更高的峰值傳輸效率和更遠的距離，該研究歸納了雙螺旋諧振器的5個關鍵參數，并通過理論分析解釋了雙螺旋結構效率更高的原因。雙螺旋共振線圈結構如圖22和圖23所示。

圖22 線圈結構示意圖

圖23 雙螺旋共振傳能系統簡化圖

3)應用方式的拓展

普林斯頓大學(Princeton University)的W.Rieutort-Louis等[28]設計了一個基于光伏薄板的能量采集儲存輸出系統。由于低溫大面積微電子元件的采用，使新型的層疊式電能采集儲存輸出裝置成為可能，可以在一個薄膜結構上完成電能采集、管理、儲存和交付華盛頓大學(University of Washington)的B.H.Waters等[29]提出一種接收端可以自由活動的共振傳能方式，用于植入式心臟起搏器的供電，從而改善患者的生活質量。這種可隨意移動的充電裝置一方面要求終端線圈必須足夠小，可以舒適地佩戴在患者身上，同時供電系統高效地向電池充電。可供電的發射器由發射線圈、中繼線圈、貼身線圈和接收線圈組成。

2014年，韓國高等科技學院某研究小組研究出一種無線電能供應技術，據物理學家組織網2014年4月17日報道，該校原子核與量子工程教授C.T.Rim的團隊展出了一種名為“雙極線圈共振系統(DCRS)”的無線電能供應設備，這種設備使得感應電能傳輸的距離擴展成為可能，傳輸與接收線圈相距可達數米。

在2014年國際消費電子展(CES)上，恩智浦半導體展示了一種智能照明網絡，該設備采用了無線充電技術，且安裝十分便捷。

村田制作所日前研制出了“直流共振”無線電力傳輸系統的新技術方式。在該技術中，直流電的能量被轉變了電磁能，這樣在能量的傳輸過程中使得轉換效率得到有效提高，同時還可大大減少傳輸過程中的能量轉換次數，使得相關設備得到有效簡化。

2.3 應用領域

1)交通運輸

ICPT技術在交通運輸行業運用的最多，廣泛應用于部分機車及電動汽車之中。準確進行能量的目標定位以及最大化的增大效率是ICPT技術的主要難點。ICPT技術在新西蘭奧克蘭大學所屬奇思公司的研究下，被成功應用到Rotorua國家地熱公園的30 kW旅客電動運輸車上[15，16]。而目前電動汽車在不斷的發展過程中也有了多種相關樣品，圖24為2012年日本Nagano市電動汽車現場試驗的照片，圖25為高通公司展示的電動汽車樣品。

圖24 2012年日本Nagano市電動汽車現場試驗圖

圖25 2012年高通公司發布的電動汽車

在電動汽車充放電過程中采用無線充電技術，不但能夠有效解決充電樁的建設問題，還能夠緩和電動汽車充電過于集中的弊端，并且能夠在電動汽車規模化以后，在很大程度上緩解其對電網的沖擊。針對電動汽車的無線充電，國內外多家汽車廠商以及機構等都在迫切地進行研究，取得了較為顯著的成果。

另外，作為電網關鍵的構成之一，電動汽車規模化以后亦可以儲存電網的電能。采用無線充電，不僅能夠極大增強電動汽車與電網間的互聯，同時對智能電網也具有顯著的促進作用。

2)醫療器械

隨著WPT技術的進步，醫療領域的電能供應模式發生了極大的改變，目前主要有ICPT 和RFPT(Radio Frequency Power Transmission)等方式進行體外電能供應。RFPT是醫療領域采用最多的供能方式，在體外有一個線圈，體內也有一個小線圈，利用兩者之間的感應耦合輸送電能，電能的主要傳輸方式其一是經表面皮膚輸送能量，另外一種是直接輸送電能。醫療系統中的消耗會隨著植入裝置的復雜化而增加，就采用電池而言，較短時間的植入式裝置電能供應一般是滿足要求的，但對于長時間式的植入裝置常難以滿足。采用無線輸電和光電能量供應方式可有效解決這個問題。電磁感應方式中若采用基于E類放大器供電后效率可達約70%，同時能夠進行數據傳輸，但因電子設備的影響，RFPT技術易產生一些電磁兼容問題。對于不同的供電方式，我們可以考慮將它們結合起來使用。

圖26為采用無線充電技術供電的深部腦刺激器安裝示意圖。對于植入式醫療裝置而言，其對功率的要求非常小，小至幾十微瓦，功率較大的也僅幾十瓦左右，經表面皮膚的直接電能供應以及植入式電池無線輸電等是經常采用的幾種方式。人體植入裝置是無線輸電的重點研究方向之一，采用無線能量傳輸方式后具有以下優勢：

a)能量供應中消除了物理連接，有效解決了導線與皮膚直接接觸的問題，進而可以在一定程度上防止因感染導致的炎癥。

b)植入式電池消耗完后，以前必須手術進行電池的更換，現在采用無線充電可以有效解決這個問題，極大提高了患者的生活質量。

c)和人體皮膚之間沒有直接的電氣關系，無裸露的導線和接觸機構，極大降低了觸電的概率，有效解決了裝置的安全問題。

圖26 采用無線充電技術供電的深部腦刺激器

d)無直接的摩擦，有效解決了機械上的損耗和電氣銷蝕問題，提高了供能的可靠性并減少了對設備的維護。

e)對于非接觸變壓器一次側和二次側來說，兩者是松耦合的，因而兩者在一定方位上錯開時依然可以正常運行，從而實現靈活供電，同時可提升患者生活的舒適程度。

3)便攜通信

近幾年，便攜通信對WPT的呼聲也日漸高漲，且不少高科技公司已經向該領域進軍。結合匹茲堡大學研發的無源型RFID 技術，Power Cast 公司研發出一種電波接收型能量存儲設備，它采用了射頻發射裝置進行能量的傳輸。Splash Power 公司則深入研究了ICPT 技術，并取得了重大突破，研制出了用于給手機電能供應的平臺。在進一步研究下，香港城市大學的許樹源教授開發出多種便攜式通信裝置的電能供應平臺，并對成果進行了轉化。

圖27為WOW5 Qi標準無線充電器在同一時間內對5個支持Qi標準的手機進行無線充電的照片。2012年，Nokia公司推出新一代Windows Phone 8系列手機，其搭載的無線充電技術作為手機的賣點之一，受到了測評媒體的廣泛好評。據IMC Research預測，無線供電設備的出貨量到2015年將達到1億；經Pike Research研宄表明，無線供電市場規模到2020年將高達150億美元，無線充電技術在不久的將來會極大改變我們每一個人的生活方式。

圖27 WOW 5 Qi無線充電器在同一時間內對5個支持Qi標準的手機無線充電

4)航空航天

在航空航天和電力領域，微波電能傳輸(WPT)已被廣泛使用。隨著WPT技術不斷的深入研究，空間太陽能發電和衛星技術也在不斷推進和進步。對于空間太陽能電站而言，WPT 技術至今歷經了多個發展階段，多方面的技術都在不斷革新和進步。在以往，微波頻率一般為2.45 GHz，而現在微波頻率已得到了極大提升，達到5.8 GHz，進而大大縮減了WPT設備的體積，減少了成本。就MPT 技術的難題而言，主要存在傳輸效率低下、發射以及接收效率低、大氣衰減劇烈等難點。對于完整的無線輸電系統結構而言，電流到微波這一階段的轉換效率不高，因而提升微波發生器的轉換效率至關重要。圖28為空間太陽能電站的示意圖。

圖28 空間太陽能電站示意圖

5)水下探測

伴隨著無線輸電技術的逐步深入和進步，在工業行業已經體現出廣泛的應用領域。在一些特殊的情況下(如化工裝置的檢測、水下機器人、分布式傳感器的能量供應等)，用電設備電能供應大多數采用更換電池的方法或采用電纜輸送，使得相關裝置的操作和維修比較繁瑣，而采用無線輸電可有效解決以上問題，從而成為近幾年來國內外一個新的研究熱點。

WPT系統的重點應用方向之一便是水下探測。在這個方面，美國WiTricity公司進行了相關研究。具體實驗如圖29所示，主要采用ICPT技術。對于WPT設備在水中的應用，其額外阻抗和功率損耗、同軸變壓器的研制準則、變換器一次側和二次側的電路結構與傳輸電纜的設計是幾個重要方面。

圖29 水下無線充電研究實驗

對于無線輸電在水中的高頻功率傳輸，重要的一點就是如何降低其能量消損。對于良好導體的海水而言，伴隨頻率的提升，其阻值也會逐漸提升。運行狀態下頻率升高，則海水導電范圍會變小，電纜將是電流流經的重要通道，消損亦會大大提升。探索水下無線能量傳輸，海水可以視為與一次繞組同軸匝鏈的繞組，經由增添相應的耦合關系來限定電流的路徑，從而降低耦合海水的消損。水中無線能量傳輸可應用到深海的潛水、油田開發以及礦物開采等多個方面。同時對非核動力船只的續航能力有較大的加強作用。

6)智能家居

近幾年來國內外對智能家居給予了很大重視，尤其是智能家電中能量的無線輸送，這項科技凸顯出巨大優點，成功脫離了有線的制約，極大的方便了人們的生活，“無尾”設備已逐漸成為人們生活的需求趨勢。

Powercast公司開發了能夠把無線電波轉變為直流電的接收設備，能夠在近1 m距離內給多個電子設備供電，具體應用到采用無線電能供應的家電產品中如圖30所示。

圖30 采用無線充電的家電產品

3 重大科學問題與關鍵技術

3.1 重大科學問題

如前文所述，無線輸電技術的技術需求與傳統的有線傳輸方式等有很大的不同，主要體現在與工頻交流和直流傳輸方式不同，主流的無線輸電方式頻率較高，因此需要解決設備在大功率、高頻率和長壽命條件下產生的一系列問題，并研究此條件下系統的設計優化和控制策略，驗證傳輸的安全性。

1)傳輸理論研究和系統建模

基于磁共振耦合的中距離傳輸方式是一種新興的傳輸方式，在對這種方式的傳輸系統進行建模分析時，很少直接采用線圈的詳細物理參數建立數學模型，大多數采用基于耦合模理論的微分方程、含有耦合電感的電路模型或者二端口網絡對其傳輸機理進行分析。這些傳輸模型都能較為準確地反映出磁共振耦合現象，并在一定程度上解決實際問題，但都存在明顯的不足使其應用條件受到很大限制。

電磁場分析方法理論上可以計算非常詳盡的電磁場分布[17]，計算出耦合磁場輸電細節。然而對于尺寸較大的系統，分析計算過程是非常復雜的，雖然借助電磁場有限元分析仿真軟件可以求得分部場的直觀數值解，但會耗費大量時間和資源，在進行系統設計和參數優化時十分不便。

耦合模理論是解釋兩個或多個電磁波模式間耦合的普遍規律的微擾分析理論，可以避免具體對象繁雜的物理參數，徑直對目標間的能量耦合進行計算。基于耦合模理論的微分方程雖然可從能量角度進行分析，但不夠直觀，無法將線圈的詳細物理參數，與傳輸效率和傳輸容量等系統設計優化所關注的數值直接關聯起來；含有耦合電感的電路模型較為直觀，認為發射端電路和負載端電路之間，由發射線圈與接收線圈之間的互感耦合，根據電路理論進行分析計算，是目前國內分析建模時較多使用的模型，但是由于忽略了線圈和器件在高頻條件下的特性，分析計算較粗略，不利于有關高頻電磁場方面的分析，在進行設計時，可適用的頻率范圍受到很大限制。二端口網絡分析方法將輸電與轉換部分看作一個二端口網絡，利用測得的端口參數對系統進行求解，同樣缺乏直觀性。傳輸理論研究和系統建模時還需要關注更多與設計優化直接相關的問題，如發射端與接收端的阻抗匹配問題，系統本征頻率的控制問題，傳輸通道上的功率密度分布問題。

基于微波的長距離無線輸電系統作為一個以微波能量為傳輸介質、以高效率為核心要求的系統，微波無線輸電系統涉及到高效率高能量的微波器件、低損耗的微波潰電、高效率高功率微波發射、高精度的波束指向、低反射高效率的微波接收、高效率的微波整流及收集，其關注點和相關收發機理和理論方面與傳統的通信系統存在很大的差距。需要重點考慮能量收/發合作系統波束匹配、功率密度/工作點匹配、黑體接收、大功率空間賦型波束合成、非線性負載陣列天線等問題。

2)大功率高頻器件

在中短距離的無線輸電方面，高效率大功率的應用需求要求電源不僅擁有足夠的高頻電能轉換能力，亦需要具有穩定可控的輸出頻率，因為電源的構造是一個巨大的難點。長距離、大容量的長距離無線輸電技術更是要求相關器件的設計方法、基礎材料理論和機理具有重大的創新，是需要重點研究的科學問題。

3)多場耦合機理和理論

中短距離的傳輸系統中由于很大一部分能量散失是由于電源的功率損耗，在電源損耗與線圈之間的傳輸損耗之間取舍，需要考慮電路與高頻電磁場的耦合聯合分析計算問題。溫度變化也會導致最優傳輸頻率的改變，因此還需要深入研究溫度場與電路、電磁場的耦合關系。

長距離微波功率發射陣列天線的多場問題表現為結構位移場、電磁場、溫度場3場的雙向及強耦合關系。首先要研究3場耦合建模，微波功率發射天線結構位移場的變化會導致溫度場與電磁場的變化，溫度場的變化又會通過熱傳導方式影響結構位移場，同時通過改變電子器件性能從而影響電磁場，因此需深入研究電磁場、結構位移場、溫度場等多物理場之間的耦合關系，挖掘多場之間的物理聯系參數及影響因素，研究影響微波功率陣列天線綜合性能的因素，提出多場耦合理論模型的數學表達方法，尋求系統規劃構造的最優平衡解，從而解決發射天線多個學科領域之間、多個目標之間的耦合、計算復雜性等問題。

4)效率最優和功率最優控制策略

中短距離傳輸中，頻率漂移和頻率分裂的現象時常產生。頻率分裂現象是無線輸電系統中發射端與接收端之間的耦合系數存在多個極大值的現象，這是在磁耦合共振式和電磁感應式無線輸電中都經常會發生的問題。頻率分裂使系統控制策略面臨巨大的問題，難以快速尋找到全頻段最優的傳輸頻率，同時對于已經處于最優工作點的系統，狀態很難穩定。運作頻率的抉擇和調控對整體傳輸效率的提升起決定性的作用。為了有效解決短中無線輸電系統穩定性差的問題，需要研究系統傳輸效率峰值如何取得的問題，確定影響效率峰值的變量因子，同時開展跟蹤系統傳輸效率峰值控制理論與方法研究，從而保持傳輸系統始終處于穩定高效的運行狀態。

長距離傳輸中從安全性和高效率的角度都要求微波波束保持非常高的指向性。天線抖動、電離層閃爍和大氣湍流均會直接影響高精度波束指向，依靠傳統的機械控制極難實現如此高的精度，目前主要考慮通過調整微波發射天線各發射單元的微波相位實現整體快速的波束高精度指向調整。由于發射天線尺寸大，發射單元多，給相應的波束控制帶來很大的難度，對于移相精度、控制電路等提出極高的要求，有必要展開相關高精確度的波束指向控制理論與方法研究。

5)對電磁環境的影響和電磁兼容問題

在中短距離的無線輸電系統內部及其工作環境中，有著各式各樣的在電子設備，在高頻大功率的電磁場中，它們很易受到干擾。相較于傳統的電能傳輸方式，中短距離無線傳輸系統中有很多對高頻電磁場敏感的參數，可成為等效負載，造成系統最優傳輸頻率的漂移。尤其在中距離磁共振耦合方式中，干擾電磁場的頻率越接近系統的共振頻率，對傳輸的影響越大，例如其他設備中的整流、逆變模塊產生的高次諧波有時會與共振頻率相近，對傳輸效率會造成非常明顯的干擾。關于系統穩定工作對于電磁環境的要求，以及系統工作時對周邊電氣設備影響的研究還不多，這是無線輸電領域一個值得引起注意的重大科學問題。

無線輸電尚不能像有線傳輸模式在傳能通道上實施徹底的安全措施，也不是像無線通信方式只傳輸功率極小的信號，而是在頻率相對較高的情況下傳輸較大的能量，而在高頻磁場中人體會承擔何種程度的安全風險，以及將潛在威脅盡可能規避，至今仍舊沒有權威的定論或得到普遍認可的結論。雖然有部分與電磁環境對傳輸的影響問題、傳輸電磁兼容問題和安全問題相關的研究，但大部分研究尚處于起步階段，有必要進一步探究中短距離無線輸電系統的高頻電磁場對人體健康和自然環境是否有負面作用的問題。

對電磁環境的影響和電磁兼容問題不僅是中短距離無線輸電技術需要解決的重大問題，較大功率的微波輻射對于地面生物體和環境的長期影響效應也需要開展深入研究。還需要特別考慮大功率微波傳輸對于通信等應用的干擾影響、對誤進入該區域的飛行器等的安全性研究。

3.2 關鍵技術

1)大功率高頻電源技術

高頻電源作為無線輸電系統中工頻交流和直流到高頻能量轉換的關鍵部件，在無線輸電中，需要高頻率、大功率且使用壽命長的功率放大器作為電能變換裝置，主要考慮的設備參數有輸出功率、輸出頻率、轉換效率、重量和體積等。從實際應用需求的角度出發，高頻電源需要具備輸出頻率和相位可控且輸出高度穩定的特點。但是由于器件性能的限制，傳統的電力電子領域的高頻逆變器輸出頻率不夠高，微波通信領域的大功率射頻功輸出功率不夠大，使用磁控管的微波源雖然可以兼顧輸出頻率和功率的要求但使用壽命短，均難以滿足無線能量供應的要求。

無線輸電中，目前多采用電力電子逆變技術以實現電源的可控[19，20，30]，然而受開關管等元件的技術參數約束，這一類電源的輸出頻率若要達到兆赫茲的水平難度非常大，隨著輸出功率的提升，提升頻率難度也進一步增強。在功率需求不高的場合，為達到傳輸大頻率功率的目的，使用射頻領域的電源技術，采用E類射頻功率放大器原理進行電源構造，這一種電源頻率相對更高很容易達到兆赫茲級別，不足之處在于對阻抗匹配的需求相對較高，進行相關的設計和試驗驗證比較有難度。

2)發射端技術

磁共振耦合方式中，發射線圈線的物理參數是決定系統共振頻率的決定性參數，傳輸效率的關鍵因素在于線圈是否具有合適的品質因數。線圈的品質因數Q=ωL/R，與線圈的電感、電阻值以及系統工作頻率相關，所以線圈設計技術的核心就是線圈高頻下阻抗特性的調整。當發射線圈的高品質因數過高時，傳輸系統的共振頻率很高，傳輸效率也很高，但受系統中各種高頻雜散電容參數的影響，線圈的穩定性相對較低，工作頻率稍有偏移效率會急劇下降。需要通過線圈自匹配技術或帶可控電容的線圈結構控制線圈的電容參數，實現跟隨頻率變化的阻抗匹配。

發射線圈本身參數的優化主要對線圈的選材、結構設計等方面進行考量，例如采用中繼線圈的多線圈傳輸技術、基于多場耦合聯合仿真分析技術設計具有良好磁場分布的線圈結構以實現系統的效率優化，采用超導材料線圈、線圈表面覆蓋磁性介質等技術改善線圈的物理參數和傳輸通道上的磁場分布的新材料應用與新型結構設計技術。

長距離微波傳輸中，發射天線尺寸極大，保證微波能量經一定距離傳輸后仍能集中于接收天線位置。為了實現發射天線與接收天線之間高效率、大功率的無線輸電，微波無線輸電所要求的高增益、大功率容量、頻帶寬度等要求，需要涉及多場耦合分析與集成設計技術、天線結構創新設計技術、大尺寸柔性形面高精度保持技術、精密波束調整技術和高效熱控技術等。

3)動態跟蹤控制技術

在中短距離的無線輸電中，使得傳輸效率最大化的傳輸頻率和阻抗匹配情況均會隨環境條件的變化發生一定程度的改變，尤其是在前文提到的頻率分裂現象和溫度引起的頻率漂移現象發生時。通過系統參數的合理設計來規避這些問題具有一定的局限性，因此目前中短距離的無線輸電的優化和控制技術是必不可少的。

在長距離的無線輸電中，能束對準接收端的狀態極大程度地影響系統整體效率。微波發射天線和接收天線間需要具有很高的指向精度，必須采用高精度的發射波束控制，需要研究逆向波束控制技術、大規模發射天線陣列校準技術和分布式信號同步技術來實現所需的波束指向精度。

4 對我國電力系統的發展的影響

4.1 電力設備制造

圖31為需要定期更換設備電池的塔上監測設備示意圖。應用于高壓輸電線路塔上監測系統的無線供電電源，代替使用太陽能、風能或定期更換電池方式，安全、可靠、經濟、方便。無線輸電技術的發展與普及，會使得電力設備制造商在制造時更多考慮采用無線供電的方式或者有線無線相結合的供電方式，以保證在安全可靠運行的條件下，提供安裝維護更為便捷、工作時長更為穩定的電力設備。

圖31 需要定期更換設備電池的塔上監測設備

4.2 輸電網

在中國，東部和西部經濟發展的差距逐漸增大，兩者資源占有比例非常不均，其間的矛盾也變得越來越嚴重。一些邊遠山區離大電網距離遠，當地經濟發展受到了嚴重約束。而電網的死角，采用無線能量供應后可以較好地得到解決。輸電領域最關注的問題一是效率，二是經濟性。無線能量輸送的效率主要由3個方面決定：①電源的效率；②發射/接收天線的效率；③整流逆變裝置的效率。判斷它的經濟性如何，需要將其與有線方式下所用的相應器材價格進行比較，另一方面針對某一個具體存在的輸電網絡，其各項參數屬性也與經濟性密切相關。

4.3 配電網

由于受多種因素的影響，無線充電方式在實現用電靈活性的同時，其充電需求在時間和空間上將具有更為隨機、分散等特點，增加了整個電網的運營管理難度。在對配電網的影響方面，進行大容量的無線充電時，如果沒有合理地配置變壓器容量或繼電保護裝置的工作閾值，有可能引起變壓器或配電線路的動作、電容損耗的增加，以及電能質量的惡化。

在無線輸電技術不斷發展的過程中，電池獲得了一種新型的充電方式。作為非線性負荷，充電時，會導致電網的諧波污染，引起線路發熱和變壓器的附加損耗，甚至引起電感和電容諧振，這樣會加大諧波的危害，對電網的影響更嚴重。蓄電池作為容性負荷，其負荷功率較為低下，導致公司對功率因數的需求難以得到滿足。此外，無線電能供應的品質在一些場合下會有所降低，故在大型無線充電站中，對于安裝的電能計量設備，不僅需要能夠對諧波起到消除作用，同時還需要能夠對直流電能和寬負載進行計量。無線充電站主要有快充和慢充兩種情況，這就要求在充電站中，充電負荷能夠得到合理的調整，使容量達到一個比較均衡的水平。無線電能供應類負載的充電時間較為分散，無線充電站仍要適當安排充電行程，提升充電站的負荷利用效率。

電動汽車對電網產生干擾的因素表現在電動汽車的普及程度、類型、供電時間、電能供應方式、電池特性以及供電設施規劃建設等。對電網的影響具體表現在電力網絡的整體性、同步電機的穩定、系統頻率的穩定以及其他影響。對于電動汽車接入電網的方式，當其僅限于充電站(樁)時，它對電網的影響就借由充電站(樁)籠統地反映出來。

當下中國的電動汽車行業正處于迅猛進步之中，對于電網而言，龐大數量、不同種類電動汽車的電能供應行為會造成極大影響，但就電力系統的安全性和經濟性而言，電動汽車的儲能特性亦能夠提供一個新的機會。電動汽車的商業發展模式正深深地影響著電動汽車充電對電網所造成的沖擊，不確定性的因素眾多；結合負荷均衡來看待這個問題，電動汽車的應用和充電站電能供應時間特性相結合可以起到削峰填谷的作用，故不會對輸電網造成過大的干擾，但對配網局部而言，可能會引起大的干擾，這主要是由其群聚效應所引起，就這一點而言仍有待深入探索鉆研。與此同時，就我國的充電設施建設而言，尚存在對充電站進行合理規劃的問題，目前還沒有特別成熟的理論與辦法。

在配電網規劃中進行布點和配置容量對于電動汽車的發展是必須考慮的問題。長遠看來，電動汽車進入人們的生活是一種必然，伴隨充電和計量技術的不斷進步與創新，分布式的家庭電能供應必將具有極大規模，這也將成為探究電動汽車電能供應領域對電網的干擾時必須考慮的一個重點因素。

4.4 智能電網

目前對于變電站的巡檢，有著必須要考慮的非常重要的兩個方面，一是工作效率，二是其運行的安全可靠，在這種情況下，大力發展變電站的無人值守化，利用巡檢機器人在一定程度上替代人工巡檢已成為了一種不可避免的趨勢。變電站設備巡檢機器人是近幾年開始研究和發展的，經過這幾年的探索，我國的變電站巡檢機器人技術取得了較大進展，在變電站巡檢機器人充電方面，已經投入運行的變電站巡檢機器人均采用接觸式(相當于有線)充電方式，但是接觸式充電方式容易存在定位不準確使充電裝置與機器人對接不穩定導致充電失敗、有安全隱患等缺點。能夠不接觸充電、對定位精度要求不高、安全等優點使無接觸電能傳輸技術在變電站巡檢機器人充電方面有巨大的研究價值。其中耦合諧振式的無線輸電技術的發展空間更廣闊。

電動汽車在規模化以后亦能夠儲存電網的電能。在使用無線輸電技術后能夠顯著提升電動汽車與電網之間的互聯，極大地促進智能電網的發展。具體優勢表現為：

1)對于再生能源，能更好地抑制其輸出波動。對于電動汽車的充放電來說，采用無線輸電的方式后可以與電網更加強有力地進行互動，這樣便能實現電動汽車充電和放電的自動優化調控，進一步可以壓制可再生能源的波動，對于可再生能源的消耗與容納也可以起到提高作用。

2)減少電網受到的沖擊。與有線的電能供應模式相比，無線電能供應的地點更加分散，對電動汽車充電的集合程度而言比較有優勢；因為與電網之間無物理連接，電能采用無線供能的模式其應變能力、安全性得到了很大程度的提高，不僅能夠分開過于集中的供能時刻，而且也使得短時間供電完畢的概率極大降低。在無線電能供應模式下，電動汽車從電網取電導致的的不良影響得到了極大的緩解。

3)可強力削峰填谷，這樣便達到平衡負荷的目標。通過用戶意愿設定，合理調度電網各個環節，與電網積極互動，完成充放電。同時電網穩定性可以得到極大提高，也符合當今節能減排的主題。

4)電池容量要求低。電池在很大程度上約束了電動汽車的進一步投入使用。據統計，當電動汽車的行駛里程達到150 000 km時，電池的失效問題便會變得很嚴重，這種情況不得不更換新電池。但采用無線電能供應的模式后在很大程度上能夠降低對于電池容量大小的需求，從而達到減少經濟成本的目的。

4.5 新能源利用

風電、太陽能、潮汐發電、地熱發電等屬于新能源發電，但是它們均存在發電間隔，這樣電網會受到較大的沖擊影響，因而在新能源發電廠附近建設電動汽車無線電能充電站是一種不錯的選擇。因在距市區較遠的地方是建設新能源發電廠的主要場所，在新能源電廠周圍建設充電站的主要目的是采用無線輸電的方式對需要長途行駛的電動汽車進行供電。這種舉措對分布式新能源發電的發展將起到非常積極的推進功效。

作為空間太陽能電站結構的根基，無線輸電技術是決定其結構、效率和尺寸的一個非常重大的影響因子，同時無線輸電技術非常重大的一個使用投入方向是空間太陽能電站。目前空間太陽能電站的電能供應主要有3種方式：①直接將太陽光反射到地面；②利用微波以無線的方式傳送電能；③利用激光以無線的方式傳送電能。對于直接將太陽光反射到地面的方式，由于太陽光線發散角的存在，需要的地面接收尺寸非常大，要求空間聚光系統尺寸也非常大；對于利用微波進行電能的供應，對接收天線的面積要求相對來說較高；對于將電能轉換激光進行電能的供應，要求接收面積相對較小。利用微波進行無線方式電能的供應是空間太陽能電站研究最多的供能方式，具有較高的轉換和供能效率，在特定頻段上的氣體、云層穿透性非常優良，技術也比較完善，波束功率密度低，并且可以通過波束進行高精度指向控制，具有較高的安全性。但由于波束寬，發射和接收天線的規模都非常大，工程實現具有較大的難度，比較適合于超大功率的空間太陽能電站系統。空間太陽能電站作為未來一種前景廣闊的可再生供能方式，其實現的關鍵技術便是無線輸電。天地之間的無線輸電適合采用微波或激光的方式，各有優缺點，太陽能發電陣和發射天線間適合采用基于電磁耦合的無線輸電方式。由于功率巨大、傳送效率大等需求，對于各種無線方式下電能的供應要求相對比較高。需要結合應用加強無線輸電系統和重點技術的鉆研，突破核心技術，推進性的進行相關實驗檢驗，從而為將來空間太陽能電站的應用打下一個良好的根基。

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[30]Cha H K，Park W T，Je M.A CMOS rectifier with a cross-Coupled latched comparator for wireless power transfer in biomedical applications[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems-Ⅱ：Express Briefs，2012，59(7)：409-413.

Supported by National Natural Science Foundation of China (51377183，51277192).

Received June 1，2015；revised June 22，2015

Key Technologies and Applications of Wireless Power Transmission

ChengShijie1,3ChenXiaoliang1WangJunhua2WenJinyu3LiJinghua4

(1.Chinese Society for Electrical Engineering Beijing 100031 China2.School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China3.School of Electrical and Electronic Engineering Huazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074 China4.School of Electrical Engineering Guangxi University Nanning 530004 China)

With the rapid development of technology，the wireless power transmission (WPT) technology gradually attached high importance at home and abroad.Based on the description which refers to the background and development of WPT technology，this paper discusses the development trends and the application prospects of WPT technology.Then the important scientific problems and key technologies in the development of inductively coupled power transmission in short distance，magnetic coupled resonant power transmission in middle distance，microwave power transmission technology，and femtosecond laser energy transmission technology in long distance are discussed.Finally，the WPT technology development and application in the field of electrical equipment manufacturing technology，transmission network，distribution network，smart grid，and new energy utilization are further investigated.

Wireless power transmission，inductively coupled，magnetic coupled resonant，microwave power transmission，femtosecond laser

國家電網項目“電網新技術(無線輸電技術)前景研究”資助。

2015-05-31 改稿日期2015-06-21

TM724

程時杰 男，1945年生，教授，博士生導師，研究方向為儲能技術、人工智能在電力系統中的應用、電力系統運行與控制、超導電力和無線輸電技術等。

陳小良 女，1961年生，博士，高級工程師，研究方向電力系統運行、規劃和新技術應用等。