無線電力傳輸的原理及應用

楊海森

（中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院有限公司，廣東　廣州　510663）

無線電力傳輸的原理及應用

楊海森

（中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院有限公司，廣東廣州510663）

電能現在已經成為人類賴以生存不可或缺的能源，在傳統的電能傳輸領域中，電能是通過導線作為載體來實現能量轉移的，而無線電力傳輸技術擺脫了傳統導線的束縛，因此得以在現代電力系統中的電能傳輸領域有著廣泛的應用。所以，文章通過闡述無線電力傳輸技術在不同距離下的工作原理，結合當代電力系統分析說明了其在人類生活不同層面的發展情況。

無線電力傳輸技術；電磁感應；電磁耦合共振；無線波；原理及應用

電力系統發展的步伐在隨著時代的潮流不斷前進，那么電能的生產和輸送網絡中的相關電力技術自然也得到了很好的發展，例如無線電力傳輸技術。金屬電線作為電能傳輸載體早已遍布于高樓林立的現代城市供電系統網絡，但是繁重冗余的傳統電線使得復雜便捷的電力網絡難堪重負，故障頻發引起火災等重大事故，于是，無線電力傳輸技術應運而生，為人類多姿多彩的生活帶來了極大的便利性。

1　無線電力傳輸的原理

1.1電磁感應—短程傳輸

19世紀30年代，法拉第以兩個線圈和一個鐵環的實驗中發現電磁感應現象以來，電與磁現象之間的秘密得以揭開。電磁感應現象的運用可以使電能的輸送不再依賴于物體間直接傳輸，而是可以借助磁場來將電能進行轉化再進行傳輸，變壓器正是基于此來實現初級線圈和次級線圈中電能的變轉工作的。無線電力傳輸中的短程傳輸則是根據電磁耦合的規律而進行的。

短距離無線電力傳輸的電磁耦合原理圖，如圖1所示，其中，B為勻強磁場的電磁感應強度，L1和L2為兩個在不同平面的線圈，L1稱為發射線圈，L2稱為接收線圈，Z和D分別代表線圈間的距離和線圈L1的直徑距離，帶箭頭曲線代表磁感線。根據電磁感應現象分析可知，當發射線圈L1中通以交變電流時，那么，這個交變電流便在周圍空間范圍內產生一個交變的磁場，由于回路是閉合的，于是隨著磁感線切割發射線圈L1周圍的磁場，使得該閉合回路的磁通量發生變化，最后在接收線圈L2中產生感應電動勢E=BLV·sinA（其中sinA為V或L與磁感線的夾角）。實際應用中，L2端可接負載或接收電能的設備如電池，圖2所示為基于電磁感應的無線充電原理，這一產生的感應電動勢能量便能傳輸到二次端設備，例如以色列的Powermat（無線電源科技公司）公司推出的“電源墊”便是典型的應用電磁感應現象的裝置。

圖1　短距離無線電力傳輸電磁耦合原理

圖2　電磁感應原理實現無線充電

1.2電磁耦合共振—中程傳輸

類似于物體在相同頻率下發生聲音共振的現象，電磁共振耦合現象則是指兩個裝置在相同頻率下發生能量傳輸的過程，如圖3所示為利用磁共振原理實現無線充電的示意圖，在中遠距離無線電力傳輸中得到廣泛的應用，現代電動汽車的無線充電方式正是基于這一原理而得以實現的。

圖3　磁共振原理實現無線充電

中程距離的電磁共振耦合裝置由兩個線圈構成，同樣地分為發射裝置和接收裝置。但與短程傳輸不同的是，該系統中的發射與接收裝置不分彼此，也就是說，發射裝置既可作為發送能量端也可作為接收能量端，這是因為兩個線圈都各自有相應的自振系統，而且發送端中的直接能量傳輸形式不再是電磁波，而是振蕩電流，電磁波則是由振蕩電流產生的。于是，能量的傳輸過程則成為：發送裝置振蕩器（與能量相連）→振蕩電流→電磁波→磁場→接收裝置，圖4是基于電磁共振的無線電力傳輸系統框圖，很好地描述了電路裝置中能量的傳輸過程。值得注意的是，當接收裝置中的自身頻率與傳輸過來的電磁波頻率相同時，電路中的能量傳輸效率最高，中遠距離的無線電力傳輸形式也是無線電力傳輸技術中傳輸效率較高的。

圖4　基于電磁共振的無線電力傳輸系統框圖

1.3微波/激光—遠程傳輸

根據無線電波的波長與定向性程反比的電波理論，所以在電能的無線電力在遠程距離傳輸時便采用波長很短的微波或激光的形式來完成，微波頻率介于300MHz～300GHz之間，0.1cm～1m之間，是傳輸能量較高的電磁波。無線電波傳輸電能的原理和所謂的礦石收音機相似，以微波形式為例，由微波發送裝置和微波接收裝置組成，微波源可由直流電或頻率為50Hz的交流電經半導體器件組成。如圖5所示是無線電波式的電能傳輸示意圖，由此可以看出微波電力傳輸裝置可分為微波源、發射天線和接收天線3部分，以此實現電能的無線傳輸。

圖5　運用無線電波實現電能傳輸示意

2　無線電力傳輸的應用與發展前景

2.1解決電力線路架設困難地區的電能輸送問題

傳統的電能傳輸是通過架設電力線路而完成的，然而在高原、沙漠這些地方往往很難鋪設，并且由于某些需要建立如科研工作站、衛星監控站等場所而必須保證其正常供電，那么，無線電力傳輸技術在這些地方的運用就顯得很有必要了。此外，為充分利用自然能源，電力企業會因為陽光充足而選擇在西北地區如新疆、西藏等地發展太陽能發電，在南方雨水量充足的地方如長江三角洲、風力能源充足的沿海地帶發展水力和風力發電，同樣的因為發電站電力線路鋪設和電能傳輸困難的原因，電力部門往往選擇無線電力傳輸技術解決這一難題，如此一來不僅實現了電能的穩定運輸，還減低了電力系統運行的電纜鋪設成本。

2.2輸送衛星太陽能電站的電能返回地面

衛星太陽能電站是實現將太空中的太陽能進行電能轉換的裝置，再運用無線電傳輸技術將太空電站轉化而來的電能以電磁波的方式返回地面，地面工作站再將這些返回的能量進行變化、調度，最終通過電力系統網絡給用戶供電。衛星太陽能電站電能回傳地面主要是運用了無線電傳輸技術中的遠距離傳輸（無線波式傳輸）的特點，將大氣層外的太空所接收的不竭能源—太陽能充分利用，這種能源既環保又充足，不失為資源逐漸消耗的工業社會時期的重要能量來源。

2.3在家用電器、手機、汽車等產品中實現無線充電

隨著無線電力傳輸技術的大力發展，這一技術不單只在浩大的電力系統工程中得到廣泛的應用，在我們的生活周邊中隨處可見的電器產品如手機、電腦、平板等身上，也有望在未來一段時間內實現無線充電技術的大規模普及。目前，海爾、LG等公司在無線充電領域也實現了新的突破，例如海爾應用在大功率家用電器上的無線充電進程中，實現了系統效率高達90%，充電功率接近1kW，可實現隔墻充電的突破；還有LG公司的推磁共振充電技術，可以做到手機和充電器距離遠達7厘米的程度，也就是說隨著這項技術的不斷深入研發，未來只要在房間中裝設無線充電器，手機在口袋中就可以實現自動續航了。

3　結語

盡管無線電力傳輸技術當前在傳輸效率、健康問題等方面還存在許多待解決的問題，但是依然不能阻擋它前進的步伐。目前來看，無線電力傳輸技術不管是在地面長距離輸電領域、太空太陽能電站回傳電能技術，還是智能社會中如家用電器、汽車無線充電領域中都將得到廣泛的應用，是未來引領新技術革命中最有潛力的一項技術。

［1］王秩雄，胡勁蕾，梁俊，等.無線輸電技術的應用前景［J］.空軍工程大學學報（自然科學版），2003（1）：82.

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［3］曾翔.無線電力傳輸技術的研究［J］.硅谷，2010（10）：25-27.

［4］楊成英，陳勇.中程距離無線輸電的實現［J］.科技信息，2009（3）：45-47.

Principle and application of wireless power transmission

Yang Haisen
（Guangdong Electric Power Design Institute Corporation Limited of China Energy Engineering
Corporation Limited， Guangzhou 510663， China）

Power has now become the indispensable energy to the survival of human， in the traditional power transmission field， power realized the energy transfer through the wire as a carrier， and wireless power transmission technology gets rid of the shackles of the traditional wire， so that it can be widely used in the power transmission field of modern power system. So， based on working principle of wireless power transmission technology in different distance and combining with modern power system analysis， this paper explained the development situation in different levels of human life.

wireless power transmission technology； electromagnetic induction； electromagnetic coupling resonance； wireless wave

楊海森（1984— ），男，湖北宜昌，本科；研究方向：配電網規劃與建設。