無線電能傳輸又稱無線電力傳輸，非接觸電能傳輸，是指通過發射器將電能轉換為其他形式的中繼能量（如電磁場能、雷射、微波及機械波等），隔空傳輸一段距離後，再通過接收器將中繼能量轉換為電能，實現無線電能傳輸。
基本介紹
- 中文名：無線電能傳輸
- 外文名：Wireless Power Transmission
- 分類：電磁感應、電磁共振和電磁輻射
- 原理：非接觸式、電磁波、電磁場的諧振
- 最早提出時間：1890年
- 提出者：尼古拉·特斯拉
- 別稱：無線電力傳輸
背景,分類,發展歷程,傳輸原理,研究方向,
背景
近年來,一些攜帶型電器如筆記本電腦、手機、音樂播放器等移動設備都需要電池和充電。電源電線頻繁地拔插，既不安全，也不美觀可靠，且容易磨損。一些充電器、電線、插座標準也並不完全統一,這樣既造成了浪費,也形成了對環境的污染。
而在特殊場合下,譬如礦井和石油開採中,傳統輸電方式在安全上存在隱患。孤立的島嶼、工作于山頭的基站,很困難採用架設電線的傳統配電方式。在上述情形下,無線輸電便愈發顯得重要和迫切,因而它被美國《技術評論》雜誌評選為未來十大科研方向之一。在無線輸電方面,我國目前的研究起步較晚，但發展較快。
分類
根據能量傳輸過程中中繼能量形式的不同，無線電能傳輸可分為：磁（場）耦合式、電（場）耦合式、電磁輻射式（如太陽輻射）、機械波耦合式（超聲）。其中，磁耦合式是目前（21世紀初）研究最為火熱的一種無線電能傳輸方式，也就是將高頻電源載入到發射線圈，使發射線圈在電源激勵下產生高頻磁場，接收線圈在此高頻磁場作用下，耦合產生電流，實現無線電能傳輸。
發展歷程
最早產生無線輸能構想的是尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla) ,因而有人稱之為無線電能傳輸之父。
1890年,特斯拉就做了無線電能傳輸試驗。特斯拉構想的無線電能傳輸方法是把地球作為內導體,把地球電離層作為外導體,通過放大發射機以徑向電磁波振盪模式,在地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振,利用環繞地球的表面電磁波來傳輸能量。最終因財力不足,特斯拉的大膽構想沒能實現。其後,古博(Goubau) 、施瓦固( Sohweing)等人從理論上推算了自由空間波束導波可達到近100%的傳輸效率,並隨後在反射波束導波系統上得到了驗證。
20世紀20年代中期,日本的H. Yagi和S. Uda發明了可用於無線電能傳輸的定向天線,又稱為八木- 宇田天線。
20世紀60年代初期雷聲公司(Raytheon)的布朗(W. C. Brown)做了大量的無線電能傳輸研究工作,從而奠定了無線電能傳輸的實驗基礎,使這一概念變成了現實。在實驗中設計了一種效率高、結構簡單的半波電偶極子半導體二極體整流天線,將頻率2. 45GHz的微波能量轉換為了直流電。
1977年在實驗中使用GaAs - Pt肖特基勢壘二極體,用鋁條構造半波電偶極子和傳輸線,輸入微波的功率為8W,獲得了90. 6%的微波———直流電整流效率。後來改用印刷薄膜,在頻率2. 45 GHz時效率達到了85%。
自從Brown實驗獲得成功以後,人們開始對無線電能傳輸技術產生了興趣。
1975年,在美國宇航局的支持下,開始了無線電能傳輸地面實驗的5a計畫。噴氣發動機實驗室和Lewis科研中心曾將30 kW的微波無線輸送1. 6 km,微波———直流的轉換效率達83 %。
在20世紀90年代，紐西蘭奧克蘭大學john Boys教授對電磁耦合感應無線電能傳輸系統進行了大量理論、建模、控制方面的研究，開啟了無線電能傳輸技術研究的熱潮。
1998年, 5.8GHz印刷電偶極子整流天線陣轉換效率為82%。前蘇聯在無線電能傳輸方面也進行了大量的研究。莫斯科大學與微波公司合作,研製出了一系列無線電能傳輸器件,其中包括無線電能傳輸的關鍵器件———快迴旋電子束波微波整流器。
近幾年,無線電能傳輸發展更是迅速。Wildcharge 、Powercast、Sp lashPower、東京大學,相繼開發出非接觸式充電器。
MIT在2007年6月宣布,利用電磁共振成功地點亮了一個離電源約2m遠的60W電燈泡,這項技術被稱為WiTricity。該研究小組在實驗中使用了兩個直徑為50 cm的銅線圈,通過調整發射頻率使兩個線圈在10MHz產生共振,從而成功點亮了距離電力發射端2 m以外的一盞60W燈泡。
在中國，無線電能傳輸技術研究起步較晚，始於2002年左右，雖然起步較晚，但是無線電能傳輸技術的理論研究和產業化發展較快。香港城市科技大學、重慶大學、東南大學、哈爾濱工業大學、天津工業大學、中國礦業大學、華南理工大學、南京航空航天大學均對此有研究。
傳輸原理
現在已經問世的無線供電技術，根據其電能傳輸原理，大致上可以分為三類：
第一類是非接觸式充電技術所採用的電磁感應原理，這種非接觸式充電技術在許多攜帶型終端里套用日益廣泛。這種類型中，將兩個線圈放置於鄰近位置上，當電流在一個線圈中流動時，所產生的磁通量成為媒介，導致另一個線圈中也產生電動勢。
理論和經驗都表明:當原邊電流頻率、幅值越高,原、副邊距離越小,與空氣相比,磁心周圍介質的相對磁導率越大時,可分離式變壓器的傳輸效率越高。但實際套用當中原副邊距離不可能無限小,必須對原副邊採取相應的補償措施。
第二類是最接近實際套用的一種技術，它直接套用了電磁波能量可以通過天線傳送和接收的原理。微波輸能,就是將微波聚焦後定向發射出去,在接收端通過整流天線( rect2enna)把接收到的微波能量轉化為直流電能。
這和100年前的收音機原理基本相同：直接在整流電路中將電波的交流波形變換成直流後加以利用，但不使用放大電路等。同以前相比，這種技術的效率得到提高，並正在推動廠商將其投入實際套用。
第三類是利用電磁場的諧振方法。諧振技術在電子領域套用廣泛，但是，在供電技術中套用的不是電磁波或者電流，而只是利用電場或者磁場。2006 年11月，美國麻省理工學院(MIT)物理系助理教授Marin Soljacic的研究小組全球首次宣布了將電場或者磁場套用於供電技術的可能性。
研究方向
我國東西部經濟發展的差距日益擴大,資源分布不平衡的矛盾日益突出。一些邊遠山區、牧區、高原、海島,人口稀少,居住分散,交通不便,經濟落後,那兒缺乏常規能源,又遠離大電網,嚴重影響當地經濟發展。這種情況下,利用微波輸能技術,可以解決電網的死角。輸電工程最關心的是效率和經濟性。無線電能傳輸的效率取決於微波源的效率、發射/接收天線的效率和微波整流器的效率;其經濟性如何,依賴於所用頻段的微波元器件的價格與有線輸電系統所用器材價格的比較,也與具體的輸電網路的參數有關係。
除了關心經濟和效率以外,還要對大功率微波對環境和身體健康可能造成的影響進行研究,需保證如下方面:
(1) 傳輸微波能流密度不能對電離層產生明顯擾動;
(2) 必須保證不干擾日常通信;
(3) 地面整流接收站不能對飛機等交通工具及周圍的生物體(如鳥類、居民等)產生不良作用。
