無線電力傳輸技術的基本原理與應用前景
摘 要： 無線電力傳輸是一種傳輸電力的新技術，它將電力通過電磁耦合、射頻微波、鐳射等載體進行傳輸。這種技術解除了對於導線的依賴，從而得到更加方便和廣闊的應用。本文就無線電力傳輸的發展歷史和基本原理做了一些介紹，並對其未來可能的應用做了一些探討。
關鍵詞： 無線電力傳輸技術 電磁感應 射頻 原理與應用前景
1.引言
自17世紀人類發現如何發電後就用金屬電線來四處傳輸電力。時至今日，供電網、高壓線已遍佈全球的角角落落。在工作和生活中，越來越多的電器給我們帶來極大便捷的同時，不知不覺各種“理不清”的電源線、資料線帶來的困擾也與日俱增。不過，這些年的科技發展表明，在無線資料傳輸技術日益普及之時，科學家對無線電力傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）的研究也有了很大突破，從某種意義上來講，無線電力傳輸也不再是幻想——在未來的生活中擺脫那些紛亂的電源線已成為可能。
2.無線電力傳輸的發展歷史
2005年，香港城市大學電子工程學系教授許樹源成功研製出“無線電池充電平臺”，但其使用時仍然要將產品與充電器接觸。
2006年10月，日本展出了無線電力傳輸系統。此係統輸出端電力為7V、400mA，收發線圈間距為4mm時，輸電效率最大為50%，用於手機快速充電。
2007年6月，美國麻省理工學院的物理學助理教授馬林·索爾賈希克研究團隊實現了在短距離內的無線電力傳輸。他們給一個直徑60釐米的線圈通電，6英尺（約1.83米）之外連線在另一個線圈上的60瓦的燈泡被點亮了。這種馬林稱之為“WiTricity”技術的原理是“磁耦合共振”。
2008年9月，北美電力研討會發布的論文顯示，他們已經在美國內華達州的雷電實驗室成功地將800W電力用無線的方式傳輸到5m遠的距離。
2009年10月，日本奈良市針對充電式混合動力巴士進行了無線充電實驗。供電線圈埋入充電臺的混凝土中，汽車駛上充電臺，將車載線圈對準供電線圈就能開始充電。
3.無線電力傳輸的基本原理
3.1電磁感應——短程傳輸
電磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，它顯示了電、磁現象之間的相互聯絡與轉化。電磁感應是電磁學中的基本原理，變壓器就是利用電磁感應的基本原理進行工作的。利用電磁感應進行短程電力傳輸的基本原理如圖1所示，發射線圈L1和接收線圈L2之間利用磁耦合來傳遞能量。若線圈L1中通已交變電流，該電流將在周圍介質中形成一個交變磁場，線圈L2中產生的感應電勢可供電給移動裝置或者給電池充電。
3.2電磁耦合共振——中程傳輸
中程無線電力傳輸方式是以電磁波“射頻”或者非輻射性諧振“磁耦合”等形式將電能進行傳輸。它基於電磁共振耦合原理，利用非輻射磁場實現電力高效傳輸。在電子學的理論中，當交變電流通過導體，導體的周圍會形成交變的電磁場，稱為電磁波。在電磁波的頻率低於100khz時，電磁波就會被地表吸收，不能形成有效的傳輸，當電磁波頻率高於100khz時，電磁波便可以在空氣中傳播，並且經大氣層外緣的電離層反射，形成較遠距離傳輸能力，人們把具有較遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻（即：RF）。將電資訊源（模擬或者數字）用高頻電流進行調製（調幅或者調頻），形成射頻訊號後，經過天線發射到空中；較遠的距離將射頻訊號接收後需要進行反調製，再還原成電資訊源，這一過程稱為無線傳輸。中程傳輸是利用電磁波損失小的天線技術，並藉助二極體、非接觸IC卡、無線電子標籤，等等，實現效率較高的無線電力傳輸。
具體來說，整個裝置包含兩個線圈，每一個線圈都是一個自振系統。其中一個是發射裝置，與能量相連，它並不向外發射電磁波，而是利用振盪器產生高頻振盪電流，通過發射線圈向外發射電磁波，在周圍形成一個非輻射磁場，即將電能轉化為磁場。當接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時，接收電路中產生的振盪電流最強，完成磁場到電能的轉換，從而實現電能的高效傳輸。圖2是一個典型的利用電磁共振來實現無線電力傳輸的系統方案。電磁波的頻率越高其向空間輻射的能量就越大，傳輸效率就越高。
3.3微波/鐳射——遠端傳輸
理論上講，無線電波的波長越短，其定向性越好，彌散就越小。所以，可以利用微波或鐳射形式來實現電能的遠端傳輸，這對於新能源的開發利用、解決未來能源短缺問題也有著重要意義。1968年，美國工程師彼得格拉提出了空間太陽能發電（Space Solar Power，SSP）的概念。其構想是在地球外層空間建立太能能發電基地，通過微波將電能送回地球。
4.無線電力技術的應用前景
無線電力傳輸作為一種先進的技術一般應用於特殊的場合，具有廣泛的應用前景。
4.1給一些難以架設線路或危險的地區供應電能
高山、森林、沙漠、海島等地的臺站經常遇到架設電力線路困難的問題，而工作在這些地方的邊防哨所、無線電導航臺、衛星監控站、天文觀測點等需要生活和工作用電，無線輸電可補充電力不足。此外，無線輸電技術還可以給遊牧等分散區村落無變壓器供電和給用於開採放射性礦物、伐木的機器人供電。
4.2解決地面太陽能電站、水電站、風力電站、原子能電站的電能輸送問題
我國的新疆、西藏、青海等地降雨量少、日照充足且存在大片荒蕪土地，南方部分地區水力、風力資源豐富，這些地區有利於建造地面太陽能發電站或水電站、風力電站。可是，這些地區人煙稀少、地形複雜，在崇山峻嶺之中難以架設線路，這時無線輸電技術就有了用武之地。採用無線輸電技術，還可以把核電站建在沙漠、荒島等地。這樣一方面便於埋葬核廢料，另一方面當電站執行發生故障時也可以避免對周圍動植物的大量傷害和耕地的汙染。
4.3傳送衛星太陽能電站的電能
所謂衛星太陽能電站，就是用運載火箭或太空梭將太陽能電池板或太陽能聚光鏡等材料傳送到赤道上空35800km的地球靜止同步軌道上。在太空的太陽光線沒有地球大氣層的影響，輻射能量十分穩定，是“取之不盡”的潔淨能源。並且一年中有99%的時間是白天，其利用效率比地面上要高出6—15倍［３］。在那裡利用太陽能電池板把陽光直接轉變為電能，或者用太陽能聚光鏡把陽光匯聚起來作為熱源，像地面熱電廠一樣發電。這樣產生的電能供給微波源或鐳射器，然後採用無線輸電技術將大功率電磁射束髮送至地面，接收到的微波能量經整流器後變成直流電，由變、配電設施供給使用者。
4.4無接點充電插座
隨著無線電力技術的發展，一些小型用電裝置已經實現了無線供電。如：電動牙刷、“免電池”無線滑鼠、無線供電“膜片”/“墊”等。無線供電“膜片”/“墊”是一種家用電器無線供電方式，用一片圖書大小的柔軟塑料膜片就可對家電進行無線供電，可為聖誕樹上的LED、裝飾燈、魚缸水中的燈泡、小型電機、手機、MP3、隨身聽、溫度感測器、助聽器、汽車零部件、甚至是植入式醫療器件等供電。
4.5給以微波發動機推進的交通運輸工具供電
現在大部分交通運輸工具燃燒石油產品，其發動機叫做柴油發動機、汽油發動機等。與此類比，以微波作為能源推進的發動機叫做微波發動機。微波是工作頻率在0.3—300GHz的電磁波，不能直接用它來驅動電動機，因為要設計出在如此高的頻率下工作的發動機非常困難。如果思路加以改變，把微波能量轉變為直流電流的整流器，那麼微波就可以直接作為交通工具的能源了。煤、石油、天然氣的儲存量有限，而日消耗量巨大，總有耗盡之日，到那時衛星太陽能電站可望成為能源供給的主幹，通過無線輸電技術就可以直接把微波能量輸給交通運輸工具。
4.6在月球和地球之間架起能量之橋
世界人口的不斷增長和地球資源的日益耗盡，太陽系中其他星球的開發利用是人類一直以來的夙願。月球是地球的天然衛星，其上資源豐富，地域遼闊，是首先要開發的星體。未來人類對月球的利用主要是移民和資源獲取。月球的土壤裡富含SiO2，是製造太陽能電池的原料。如果先在月球上建立起工廠，然後把太陽能電站直接建在月球上，比起建在地球靜止同步軌道上要容易些，藉助於微波束或鐳射束把電能傳送到地球。
5.結語
隨著無線電力傳輸技術的不斷髮展與成熟，不但使人們未來的生活有望擺脫手機、相機、膝上型電腦等移動裝置電源線的束縛，享受在機場、車站、酒店多種場所提供的無線電力，而且可用於一些特殊場合，如人體植入儀器如心臟起搏器等的輸電問題、新能源（電動）汽車、低軌道軍用衛星、太陽能衛星發電站等。在世界經濟迅速發展的今天，節能和新的、可再生能源的開發是擺在能源工作者面前的首要問題。太陽能是取之不盡、用之不竭的乾淨能源。除核能、地熱能和潮汐能之外，地球上的所有能源都來自太陽，建造衛星太陽能電站是解決人類能源危機的重要途徑。要將相對地球靜止的同步軌道上的電能輸送的地面，無線輸電技術將發揮至關重要的作用。從長遠來看，該技術具有潛在的廣泛應用前景。但是，每一種無線傳輸方式，都有一系列問題需要解決，如電能傳輸效率問題，電力公司如何收費和計費，能量傳輸所產生的電磁波是否對人體健康帶來危害，等等。不管怎樣，一旦這項技術能夠普及，就會給人們的生活帶來巨大的便利。
參考文獻:
［1］白明俠，黃昭.無線電力傳輸的歷史發展及應用［J］.湘南學院學報，2010，31，（5）：51-53.
［2］劉永軍.無線電力傳輸技術：創造未來空間神話［J］.中國電子商情（基礎電子），2008，11：70-75.
關鍵詞： 無線電力傳輸技術 電磁感應 射頻 原理與應用前景
1.引言
自17世紀人類發現如何發電後就用金屬電線來四處傳輸電力。時至今日，供電網、高壓線已遍佈全球的角角落落。在工作和生活中，越來越多的電器給我們帶來極大便捷的同時，不知不覺各種“理不清”的電源線、資料線帶來的困擾也與日俱增。不過，這些年的科技發展表明，在無線資料傳輸技術日益普及之時，科學家對無線電力傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）的研究也有了很大突破，從某種意義上來講，無線電力傳輸也不再是幻想——在未來的生活中擺脫那些紛亂的電源線已成為可能。
2.無線電力傳輸的發展歷史
2005年，香港城市大學電子工程學系教授許樹源成功研製出“無線電池充電平臺”，但其使用時仍然要將產品與充電器接觸。
2006年10月，日本展出了無線電力傳輸系統。此係統輸出端電力為7V、400mA，收發線圈間距為4mm時，輸電效率最大為50%，用於手機快速充電。
2007年6月，美國麻省理工學院的物理學助理教授馬林·索爾賈希克研究團隊實現了在短距離內的無線電力傳輸。他們給一個直徑60釐米的線圈通電，6英尺（約1.83米）之外連線在另一個線圈上的60瓦的燈泡被點亮了。這種馬林稱之為“WiTricity”技術的原理是“磁耦合共振”。
2008年9月，北美電力研討會發布的論文顯示，他們已經在美國內華達州的雷電實驗室成功地將800W電力用無線的方式傳輸到5m遠的距離。
2009年10月，日本奈良市針對充電式混合動力巴士進行了無線充電實驗。供電線圈埋入充電臺的混凝土中，汽車駛上充電臺，將車載線圈對準供電線圈就能開始充電。
3.無線電力傳輸的基本原理
3.1電磁感應——短程傳輸
電磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，它顯示了電、磁現象之間的相互聯絡與轉化。電磁感應是電磁學中的基本原理，變壓器就是利用電磁感應的基本原理進行工作的。利用電磁感應進行短程電力傳輸的基本原理如圖1所示，發射線圈L1和接收線圈L2之間利用磁耦合來傳遞能量。若線圈L1中通已交變電流，該電流將在周圍介質中形成一個交變磁場，線圈L2中產生的感應電勢可供電給移動裝置或者給電池充電。
3.2電磁耦合共振——中程傳輸
中程無線電力傳輸方式是以電磁波“射頻”或者非輻射性諧振“磁耦合”等形式將電能進行傳輸。它基於電磁共振耦合原理，利用非輻射磁場實現電力高效傳輸。在電子學的理論中，當交變電流通過導體，導體的周圍會形成交變的電磁場，稱為電磁波。在電磁波的頻率低於100khz時，電磁波就會被地表吸收，不能形成有效的傳輸，當電磁波頻率高於100khz時，電磁波便可以在空氣中傳播，並且經大氣層外緣的電離層反射，形成較遠距離傳輸能力，人們把具有較遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻（即：RF）。將電資訊源（模擬或者數字）用高頻電流進行調製（調幅或者調頻），形成射頻訊號後，經過天線發射到空中；較遠的距離將射頻訊號接收後需要進行反調製，再還原成電資訊源，這一過程稱為無線傳輸。中程傳輸是利用電磁波損失小的天線技術，並藉助二極體、非接觸IC卡、無線電子標籤，等等，實現效率較高的無線電力傳輸。
具體來說，整個裝置包含兩個線圈，每一個線圈都是一個自振系統。其中一個是發射裝置，與能量相連，它並不向外發射電磁波，而是利用振盪器產生高頻振盪電流，通過發射線圈向外發射電磁波，在周圍形成一個非輻射磁場，即將電能轉化為磁場。當接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時，接收電路中產生的振盪電流最強，完成磁場到電能的轉換，從而實現電能的高效傳輸。圖2是一個典型的利用電磁共振來實現無線電力傳輸的系統方案。電磁波的頻率越高其向空間輻射的能量就越大，傳輸效率就越高。
3.3微波/鐳射——遠端傳輸
理論上講，無線電波的波長越短，其定向性越好，彌散就越小。所以，可以利用微波或鐳射形式來實現電能的遠端傳輸，這對於新能源的開發利用、解決未來能源短缺問題也有著重要意義。1968年，美國工程師彼得格拉提出了空間太陽能發電（Space Solar Power，SSP）的概念。其構想是在地球外層空間建立太能能發電基地，通過微波將電能送回地球。
4.無線電力技術的應用前景
無線電力傳輸作為一種先進的技術一般應用於特殊的場合，具有廣泛的應用前景。
4.1給一些難以架設線路或危險的地區供應電能
高山、森林、沙漠、海島等地的臺站經常遇到架設電力線路困難的問題，而工作在這些地方的邊防哨所、無線電導航臺、衛星監控站、天文觀測點等需要生活和工作用電，無線輸電可補充電力不足。此外，無線輸電技術還可以給遊牧等分散區村落無變壓器供電和給用於開採放射性礦物、伐木的機器人供電。
4.2解決地面太陽能電站、水電站、風力電站、原子能電站的電能輸送問題
我國的新疆、西藏、青海等地降雨量少、日照充足且存在大片荒蕪土地，南方部分地區水力、風力資源豐富，這些地區有利於建造地面太陽能發電站或水電站、風力電站。可是，這些地區人煙稀少、地形複雜，在崇山峻嶺之中難以架設線路，這時無線輸電技術就有了用武之地。採用無線輸電技術，還可以把核電站建在沙漠、荒島等地。這樣一方面便於埋葬核廢料，另一方面當電站執行發生故障時也可以避免對周圍動植物的大量傷害和耕地的汙染。
4.3傳送衛星太陽能電站的電能
所謂衛星太陽能電站，就是用運載火箭或太空梭將太陽能電池板或太陽能聚光鏡等材料傳送到赤道上空35800km的地球靜止同步軌道上。在太空的太陽光線沒有地球大氣層的影響，輻射能量十分穩定，是“取之不盡”的潔淨能源。並且一年中有99%的時間是白天，其利用效率比地面上要高出6—15倍［３］。在那裡利用太陽能電池板把陽光直接轉變為電能，或者用太陽能聚光鏡把陽光匯聚起來作為熱源，像地面熱電廠一樣發電。這樣產生的電能供給微波源或鐳射器，然後採用無線輸電技術將大功率電磁射束髮送至地面，接收到的微波能量經整流器後變成直流電，由變、配電設施供給使用者。
4.4無接點充電插座
隨著無線電力技術的發展，一些小型用電裝置已經實現了無線供電。如：電動牙刷、“免電池”無線滑鼠、無線供電“膜片”/“墊”等。無線供電“膜片”/“墊”是一種家用電器無線供電方式，用一片圖書大小的柔軟塑料膜片就可對家電進行無線供電，可為聖誕樹上的LED、裝飾燈、魚缸水中的燈泡、小型電機、手機、MP3、隨身聽、溫度感測器、助聽器、汽車零部件、甚至是植入式醫療器件等供電。
4.5給以微波發動機推進的交通運輸工具供電
現在大部分交通運輸工具燃燒石油產品，其發動機叫做柴油發動機、汽油發動機等。與此類比，以微波作為能源推進的發動機叫做微波發動機。微波是工作頻率在0.3—300GHz的電磁波，不能直接用它來驅動電動機，因為要設計出在如此高的頻率下工作的發動機非常困難。如果思路加以改變，把微波能量轉變為直流電流的整流器，那麼微波就可以直接作為交通工具的能源了。煤、石油、天然氣的儲存量有限，而日消耗量巨大，總有耗盡之日，到那時衛星太陽能電站可望成為能源供給的主幹，通過無線輸電技術就可以直接把微波能量輸給交通運輸工具。
4.6在月球和地球之間架起能量之橋
世界人口的不斷增長和地球資源的日益耗盡，太陽系中其他星球的開發利用是人類一直以來的夙願。月球是地球的天然衛星，其上資源豐富，地域遼闊，是首先要開發的星體。未來人類對月球的利用主要是移民和資源獲取。月球的土壤裡富含SiO2，是製造太陽能電池的原料。如果先在月球上建立起工廠，然後把太陽能電站直接建在月球上，比起建在地球靜止同步軌道上要容易些，藉助於微波束或鐳射束把電能傳送到地球。
5.結語
隨著無線電力傳輸技術的不斷髮展與成熟，不但使人們未來的生活有望擺脫手機、相機、膝上型電腦等移動裝置電源線的束縛，享受在機場、車站、酒店多種場所提供的無線電力，而且可用於一些特殊場合，如人體植入儀器如心臟起搏器等的輸電問題、新能源（電動）汽車、低軌道軍用衛星、太陽能衛星發電站等。在世界經濟迅速發展的今天，節能和新的、可再生能源的開發是擺在能源工作者面前的首要問題。太陽能是取之不盡、用之不竭的乾淨能源。除核能、地熱能和潮汐能之外，地球上的所有能源都來自太陽，建造衛星太陽能電站是解決人類能源危機的重要途徑。要將相對地球靜止的同步軌道上的電能輸送的地面，無線輸電技術將發揮至關重要的作用。從長遠來看，該技術具有潛在的廣泛應用前景。但是，每一種無線傳輸方式，都有一系列問題需要解決，如電能傳輸效率問題，電力公司如何收費和計費，能量傳輸所產生的電磁波是否對人體健康帶來危害，等等。不管怎樣，一旦這項技術能夠普及，就會給人們的生活帶來巨大的便利。
參考文獻:
［1］白明俠，黃昭.無線電力傳輸的歷史發展及應用［J］.湘南學院學報，2010，31，（5）：51-53.
［2］劉永軍.無線電力傳輸技術：創造未來空間神話［J］.中國電子商情（基礎電子），2008，11：70-75.