无线输电技术的前景展望

分享到:

无线电能传输(Wireless Power Transfer)自20世纪初尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)首次试验以来,已经有了一个多世纪的发展。从1891到1904年间,特斯拉展开了一系列试验,通过磁感应耦合线圈将交流电无线传输一个很短的距离。图1正是特斯拉试验的一个原理图,通过磁感应耦合,特斯拉成功通过无线电能传输的方式点亮了一只灯泡。

 

1

图1.特斯拉无线电能传输试验原理图

1901年,特斯拉开始在纽约长岛建造大型高压线圈——沃登克里弗塔,又叫做特斯拉塔,目标是构建全球输电系统的原型,可惜到1904年,他的计划被迫停止,至今也未完成。图2是一张沃登克里弗塔的照片。

 

2

图2.1904年的沃登克里弗塔

自此以后,无线电能传输的研究开始向两个方向发展:

近场,或者叫做非辐射域。一般认为小于一个波长的距离。

远场,或者叫做辐射域。一般认为大于一个波长的距离。

近场方面,无线电能传输的主要实现方式有:磁感应耦合,电容耦合,动磁耦合。远场方面,无线电能传输的主要实现方式有:微波,激光。下面就说一下比较代有表性的磁感应耦合和微波。

磁感应耦合,又分为一般磁感应耦合和共振磁感应耦合。后者较之前者工作在一次侧和二次共同谐振频率上,由于耦合线圈具有很高的Q值,所以在谐振状态下可以实现高效率的感应耦合。此外,二者在工作频率和传输距离上也有一些区别。前者一般工作在Hz~MHz,适用于近距离传输;后者一般工作在MHz~GHz,适用于近距离和中距离传输。对于共振磁感应耦合,最著名的应该是MIT的研究者在2007年这篇paper里所述的工作,他们成功利用共振磁感应耦合的方式点亮了一个8倍于线圈半径的,2米之外的60W灯泡。基于磁感应耦合的无线充电是目前研究最多,应用最广泛的方式,从我们生活中熟悉的电动牙刷,手机,到电动汽车,再到植入人体的医疗设备,无线充电以可以接受的的充电效率和其他众多优势(安全,多设备同时充电,酷炫等等)已经被应用到众多产品中。图3~5分别是磁感应耦合式无线充电实际应用。

3

图3.Lumia无线充电座

4

图4.电动汽车无线充电装置

5

图5.Stanford大学研制的可无线充电的植入式医疗设备,尺寸与真实药片的对比

微波,具有更好的传输支线性和距离远的特点,通常工作在GHz。基于微波的无线电能传输技术主要考虑应用在太阳能卫星向地面传输能量[5]和小型无人机的供能方面。相关的工作早在1964年美国就通过微波实现了一架悬停于18m高的直升飞机供电。最近又有报道称日本的三菱重工成功两次实现了微波无限电能传输,传输距离达到了500米。

对于未来无线电能输电的研究方向,主要有:

进一步提高传输效率。尽管目前磁感应耦合式的无线电能传输效率已经能高达90%,但几乎都是在一次侧与二次侧线圈完全对准并且距离很小的时候的最高效率。如何减小传输效率随线圈距离增加而快速下降?如何实现谐振状态跟踪,使系统谐振状态一直保持不随线圈距离变化而改变?如何设计更高效的线圈?这些都是近几年无线电能传输领域的热点问题。

提高电能传输功率。自从2009年无线充电联盟(Wireless Power Consortium)提出第一版的“Qi”标准以来,低功率5W或以下的磁感应耦合无线充电已经有了统一的标准。直到2013年,该联盟成员已有145家公司,包括诺基亚、HTC、三星等。在未来,期待有千瓦级适用于电动汽车的无线充电标准的诞生,这将会是无线充电在电动汽车领域运用的一个新的里程碑。

增加传输距离。Qi标准中的传输距离从5mm到40mm,对于中等距离的无线电能传输,可以通过加设中继线圈实现,如4线圈系统,甚至是多米勒骨牌式的线圈系统,如图6。

6

图6.基于多米勒骨牌式的线圈系统的无线电能传输

对其他物体的监测和屏蔽,减少对其他非接收物体的影响。这一点对于大功率,远距离的无线电能传输尤为重要。

总而言之无线电能传输技术作为一种新的电能传输方式,还有许许多多的问题值得去研究。无线电能传输体现了人类对能源高效,灵活,以及在各种环境下使用的追求。