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关于无线电力传输科技的展望与猜想 精选

已有 10311 次阅读 2012-10-29 13:33 |个人分类:大功率无线电力传输|系统分类:科研笔记| 电力, 无线

一直都想写写关于电力传输科技的展望与猜想,可是都没有勇气,主要原因是自己不能很好地看清楚未来能源的真正走向和新能源的出路。现在终于鼓足了勇气,尝试着对电力传输科技的期望,去完成自己的思考与判断。
     中国电力能源的现状还处在初级阶段,很多都是发了即用,没有很好的电力能源的充分配置。打个很简单的比方,你烧一壶水的同时可以洗衣服或去看书充实一下自己,可是电力传输的现状是,烧水时还在旁边等着水开。这在某些方面上是很谨慎的做法,防止水开了,烧坏壶底,可是你想过没有,我们用的是电热水壶,当水开了,它会自己停下来,其他设备被影响的概率很低。电力能源的方面也是如此,发出的电很多,可是有很大的一部分被损失率。正是由于现在的电能使用效率不太高,才引发了人们去开发大功率的电力传输设备。
     这种设备起源于尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)的梦想——使用电磁波来远距离供电——也许很快就会变成现实。早在1890年,这位现代交流电系统的奠基者就开始构想无线供电方法,最后提出了一个非常宏大的方案——把地球作为内导体、距离地面约60千米的电离层作为外导体,在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振,再利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力。他想像广播一样,将电能传遍全球。为此,在J. P.摩根的资助下,他在纽约长岛建立了57米高的瓦登克里夫塔(Wardenclyffe Tower)来实现这一构想,但最终被迫放弃。虽然我们现在可以从理论上证明特斯拉的方案的确可行,但是出于世界上各个国家的区隔,这种天下大同在短时间内恐怕不会成为现实。

不过另一种远程无线供电方案可能会更容易实现一点。加拿大科学家正计划制造一架无人飞机,飞行高度33千米,可以在空中连续飞行几个月。这可能是世界上第一架可以真正投入使用的远程供电飞机,本身不携带燃料,而是从地面的微波站中获取能量。微波是指那些频率在300MHz300KMHz之间的电磁波,它的波长在1米到1毫米之间。因为电磁波的频率越高,能量就越集中,方向性也越强,所以人们认为,使用微波来无线传递能量可能是最好的选择。更何况,微波可以通过硅整流二极管天线转换成电能,转化效率可以高达95%以上——这样高的转化率已经可以让人满意了。在这架无人机起飞之后,地面的高功率发射机通过天线将发射机所产生的微波能量汇聚成能量集中的窄波束,然后将其射向高空飞行的微波飞机。微波飞机通过微波接收天线接收能量,转换成直流电,再由直流电动机带动飞机的螺旋桨旋转。因为无需携带燃料和发动机,这种飞机的有效载荷将会大大提升。
    其实早在1968年,美国航天工程师彼得·格拉泽(Peter Glaser)就已经更进一步,提出了空间太阳能发电(SSPSpace Solar Power)的概念。他设想在大气层外通过卫星收集太阳能发电,然后通过微波将能量无线传输回地面,并且重新转化成电能供人使用。这一设想,不是在仅数十千米的距离上用微波传递能量,而是要把能量在三万多千米之外,从太空精确地射向地面接收站。想象一个地球同步卫星。它停留在赤道上空36000千米的高度,太阳能电池阵列始终对太阳定向,微波发射天线则瞄准地面的接收天线。这儿,不存在在地面接收太阳能所必然面临的照射时间、气候、重力等问题,每年有277天可以全天接受日照,而被地球遮挡时,最长停电时间也不过75分钟。它每年有99%以上的时间把源源不断的太阳光能转化为电能,效率将比地面上同样规模的太阳能电站高出十倍左右。1977~1980年,美国宇航局和能源部共同出资,对空间太阳能发电的问题进行了概念研究,得出结论:这种方式不存在不可克服的技术困难。但是后来这个计划一度被锁进保险柜,原因在于耗资惊人。目前把物品送上太空还是很花钱的,要在太空中组装一颗收集太阳能来发电的卫星,成本令人难以接受。
    不过,随着地球上不可再生资源的逐渐消耗,这个计划又被摆上了桌面。现在有几个能源消耗大国和能源匮乏的国家正在论证这种方案的可行性,并且开始了小规模实验,来验证在大气内进行微波能量传递以及从太空向地面发射微波束的实际效果,而目前比较乐观的估计是,20102020年太阳能发电卫星就可以进入实用阶段了。
     这些都是在大的方面的进展,在小的方面我们也取得较好的成绩,可是都非国人,希望我们的电力研究人员不要错过这种机会去发展我们的大功率无线传输技术

17世纪人类发现如何发电后就用金属电线来四处传输电力,一直到今天供电网、高压线已遍布全球的角角落落。生活中,大人们总少不了教导孩童“不要碰电源插口和裸露的电线”,想来那些高压电线更是给不少人留下过“恐惧”感的记忆。而如今,无论是在工作还是生活中,越来越多的电器给我们带来极大的便捷,不知不觉中各种理不清的电源线、数据线带来的困扰也与日俱增——这样下去难道人间要作茧自缚

不过,这些年的科技发展表明,在无线数据传输技术日益普及之时,科学家对无线电力传输 (Wireless Power Transmission, WPT)的研究也有了很大突破——从某种意义上来讲,无线电力传输也不是幻想——在未来的生活中摆脱那些纷乱的电源线也已成为可能。最近有报道称,20088月的英特尔信息技术峰会(IDFIntel Developer Forum)上演示了无线供电方式点亮一枚60W电灯泡(1)。该研究是由英特尔西雅图实验室Joshua R.Smith等基于美国麻省理工学院(MITMassachusetts Institute of Technology)马林索尔贾希克(Marin Soljacic)的研究理论进行的,可以在1m距离内隔空给60W灯泡提供电力,效率高达75%

2006年末有报道称MIT在无线电力传输技术上获得突破:物理学助教授马林索尔贾希克为首的研究团队试制出的无线供电装置(2),可以点亮相隔7英尺(2.1m)远的60W电灯泡,能量效率可达到40——有关内容刊登在200767日的《Science》在线版《ScienceExpress》上。这个隔空点灯泡实验引起了欧美及全球各大媒体的极大关注并进行了“Goodbye Wires”之类的广泛报道。

   20015月,国际无线电力传输技术会议在印度洋上的法属留尼汪岛(Reunion Island, France)召开期间,法国国家科学研究中心的皮格努莱特(G. Pignolet),利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。其后,据研究者有关文章介绍2003年在岛上建造的10kW试验型微波输电装置(注:有些国内报道误作10kW),已开始以2.45GHz频率向接近1km的格朗巴桑村(Grand-Bassin)进行点对点无线供电。

  无线电力传输这种特殊的供电方式,是人类的梦想之一。世界上第一台交流电发电机的发明者尼古拉特斯拉(Nikola Tesla)19世纪末就进行过无线电力传输的实验,但最终未能成功。一百年后的今天,随着无源式RFID电子标签和各种非接触式无线充电(用于电动牙刷、剃须刀等低功率家电)技术的实用化,以及无线网络技术的大发展,无线电力传输已经引起人们的极大兴趣。本世纪以来,能点亮灯泡的无线供电技术,毫无疑问也点亮和刷新了人们对无线未来生活的无限憧憬。

  对于在空间实现无线电力传输/供电的形式,总起来看大致有三类:第一类是通过电磁感应磁耦合进行短程传输;第二类是将电能以电磁波射频或非辐射性谐振磁耦合等形式中程传输;第三类是将电能以微波或激光形式远程传输——发射到远端的接收天线,然后通过整流、调制等处理后使用。下面将举例简要介绍这些方面研究开发情况或相关信息,供读者参考。
   短程无线供电技术。

现在已经广泛应用的变压器是基于电磁感应原理来工作的:由一个磁芯和二个线圈(初级线圈、次级线圈)组成;当初级线圈两端加上一个交变电压时,磁芯中就会产生一个交变磁场,从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压,电能就从输入电路传输至输出电路。现在已经商品化的非接触式充电系统,其电能发射端的线圈(连接电源)与接收端的线圈(在电子产品中),处于两个分离的装置中,电能通过感应线圈传送,这类似一个线圈间耦合不紧密的变压器。最早使用变压器原理进行无线供电的产品是一些电动牙刷、电胡刀和无绳电话等,下面介绍一些相关产品及其构造或原理。

无接点充电插座

因电动牙刷难免经常接触到水,采用无接点充电方式,可使得充电接触点不暴露在外,增强了产品的防水性,利于整体水洗、清洁方便。在充电插座和牙刷中各有一个线圈,当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用,利用电磁感应的原理来传送电力,感应电压整流后就可对牙刷内部的充电电池充电。

苹果公司、摩托罗拉公司、LG以及Panasonic联手NTT DoCoMo都在开发各自的无线充电器。而对用于手机的无接点充电器而言,只要在充电座和手机中安装发射和接收电能的线圈,便可实现无接点充电——这不仅将摆脱线缆的束缚而且还将消除接口差异的限制,因此无线充电器设计更加人性化并且减少资源浪费。

免电池无线鼠标鼠标的工作需要电力支持,有线鼠标通过与电脑的连接线来获得电力,而无线鼠标一般采用电池供电。电脑鼠标从易招致污垢的机械鼠标到无线光电鼠标,使用的舒适度已有很大提高。而老牌鼠标厂家双飞燕公司从2004年开始推出的免电池无线鼠标(需要在专门配备的鼠标垫上操作)——这里的鼠标和配垫都有奥秘”——两者内部都安装了电磁感应线圈,鼠标垫通过连接电脑的USB接口即可获得电能,并由其感应线圈向鼠标内的感应线圈输送电能,可以给鼠标进行无线供电并进行信号感应,这里也涉及到了人们常讲的“RFID(无线射频识别)”技术。

通用型无线供电 2003年英国剑桥SplashPower公司发明了无线充电(wireless recharging system)技术,也是根据电磁感应进行电力传输的,电能接收器“SplashModule”(厚不足1mm)可配置于充电终端——手机、笔记本电脑,电能发送器则配置成充电器,2005年初这种商业化的无线充电器“SplashPads”(厚约6mm、大小如鼠标垫)上市,只要便携终端安装有电能接收器即可放到上面充电。

类似的产品还有美国WildCharge公司开发的无线充电系统,充电板的外观像一个鼠标垫,能够放置在桌椅等任何平坦表面,可提供高达90W的功率,足以同时为多数笔记本电脑以及各种小型设备充电。香港城市大学的许树源教授也曾成功研制出一种无线电池充电平台,可将数个电子产品放在一个充电平台上充电,充电时间与传统充电器无异。2007年微软亚洲研究院披露新成果——设计和实现了一种通用型无线供电桌面(Universal Wireless Power Surface)”,如果随意将笔记本、手机等移动设备放置在桌面上,即可自动开始充电或供电。

多功能家用电器无线供电膜片 2006年日本东京大学产学研国际中心的樱井贵康教授主持开发出一种家用电器无线供电方式,用一片图书大小的柔软塑料膜片就可对家电进行无线供电——该特制塑料膜上面印刷有半导体感应线圈,厚度约1mm、面积约20cm2、重约50g,可以贴在桌子、地板、墙壁上,可为圣诞树上的LED、装饰灯、鱼缸水中的灯泡或小型电机供电。使用前家用电器需要装上可接收电能的感应线圈,然后放到相应位置即可得到无线供电。

据报道这种薄膜电源由四层塑料薄膜组成,从下到上依次是电导可控的有机晶体管,感测兼容电子设备接近的铜线圈、接通或断开电源的MEMS开关、传送电能的铜线圈。当电器进入薄膜2.5cm范围内,最靠近的MEMS开关接通电源,电感线圈就利用电磁感应向设备供电。试验验证,扣除发热损耗的情况下能量转换率可达62.3%,可转送30W电力(如果加大膜片尺寸可达100W)。据称该无线供电膜片将自行判断电器所在位置,在居室空间的较大范围内可随意放置。在无电源线的吸尘器、笔记本电脑以及家用机器人等的应用方面有广阔前景。

植入式医学器件的充电技术目前,心脏调节器、心脏除颤器等单植入式医疗装置市场已达数十亿美元,这些植入装置需要电池供电,当电池将耗尽时,如果能通过无线供电方式充电则将避免动手术等大麻烦。

日本东北大学小柳光教授,在2007SSDM国际会议上,发表过使用电磁感应型无线供电技术成果,他主持试制出可从外部向植入眼球的人工视网膜用LSI(Large-Scale Integration大规模集成电路)进行无线供电的系统。另外,据20077月多家媒体报道,英国南安普敦大学的研究者成功地研发出一款能将振动转化为电能的迷你发电机,可望将来能凭借心脏病人的心跳为自己的心脏起搏器供电——避免更换电池时动手术。据说这项技术也可能应用于手机、MP3等移动装置——仅靠人类的心跳就能无线充电。

中程无线供电技术

我们了解频率介于75kHz和约10GHz之间的电磁波俗称无线电波,可以用来传送广播和电视节目、进行通信和传真,但是对其传输电能的本领比较陌生。通常电磁波在自由空间传输能量的过程中会向四面八方散发、不易集中、定向性差,因而供电效率是个问题;另外,还有对空间造成电磁污染的担忧。有人认为电磁波可以无线传输较长的距离,但输送能量有限,存在传输功率比较低(甚至只有几微瓦到几毫瓦)的问题。Powercast公司的相关研究是利用电磁波损失小的天线技术,借助二极管、非接触IC卡和无线电子标签等,实现效率较高的无线电力传输。

  Jennifer Chu在《科技评论》中提到,MIT的索尔贾希克曾考虑使用电磁波,但难以避免有大部分能量在传输过程中损耗,而激光等传输方法也存在难题,最终提出了电磁共振耦合概念,与电磁感应方法相比,虽然采用的磁场弱,但可以实现更长距离的传输;与电磁波传播方式相比,电磁共振方式的能量流失少。

 Powercast无线充电器

 20073“Business 2.0”等媒体报道,美国宾夕法尼亚州的Powercast公司开发无线充电技术,可为各种耗电量相对较低的电子产品充电或供电,诸如手机、MP3、随身听、温度传感器、助听器、汽车零部件,甚至体内植入式医疗装置等。

Powercaster公司表示开发工作早在2003年就开始了,该技术已获得FCC的批准,其中整个系统主要包含两个模块:一个模块是“Power Caster”发射器,可插在电源插座上;一个模块是“Powerharvester”接收器(硬币大小),可嵌入电子产品里。发送器这边利用安全的超高频915MHz频段把能量发送出去,而接收器在距离发送器将近一米范围内都可以接收到发射的电磁波而实现充电——据称约有70%的电磁信号能量转换为直流电能。Powercast已经开始商业化运作,与荷兰菲利浦公司等百家以上的公司签订了合作协议,计划到2008年年底将交付数百万个无线充电器。基于此,飞利浦公司还曾准备推出具有无线充电功能的无线键盘和鼠标。报道称该项技术之所以会得到多家厂商的青睐,原因在于它独特的电磁波接收装置,能够根据不同的负载、电场强度来做调整,同时还能维持稳定的直流电压。

MIT隔空无线点灯实验

在文章开始提到的MIT的索尔贾希克研究团队认为,他们发现的是一种全新的无线供电技术——非辐射电磁能谐振隧道效应,称作“Witricity”无线供电技术。采用不发出电磁波的天线(Wireless Non-radiative Power Transfer)”实现非幅射共振能量传输。MIT的研究者用两个直径60cm的特殊铜线圈做实验,作为送电方的一个线圈接在电源上,作为受电方的另一个线圈置于2m外并连接一个灯泡。当送电方的接通电源后,两个线圈都以10兆赫兹的频率振动,从而产生强大的电磁场,通过电振电能被传递了,隔空供电使灯泡发光。在电源与灯泡中间放置木料、金属或其他电器等,灯泡仍会发亮。研究人员表示,没有发现这一系统会影响人体健康,现在的电磁辐射水平大概和核磁共振仪类似,应该是在安全范围之内。

该无线供电技术也称为共振感应耦合技术,关键在于利用了非辐射性磁耦合——两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合,采用单层线圈,两端各放置一个平板电容器,共同组成谐振回路,减少能量浪费。基于普通电磁感应耦合的非接触电力传输,则是利用数百圈紧密缠绕的线圈,但只能在数毫米的范围才得到60%以上的传输效率。而该系统只是缠绕了5圈粗铜线作为天线的线圈,在进行2m传输时效率约为40%,距离为1m时效率竟高达约90%。可见这种融合了电磁共振的无线供电技术别具一格。

关于这项技术离实用化还有多少距离的问题,该研究团队承认技术还需改进才能走进家庭。一方面是输电效率必须提高一倍才有望取代化学电池;再是铜线圈需要最小化才可实用——目前铜线圈直径为0.6m,要给整个房间的电器无线充电,预计直径需达2.1m;此外,电磁能发射器工作的有效距离最远仅为2.74m,要想提高这一有效距离,电脑等设备还必须同样配置一个带有铜丝线圈的接收器。目前该团队正设法改进,希望电器离电源的有效供电距离能达到4m5m,铜线圈可缩小到安装在笔记本电脑里的程度,输电效率也要大幅提高。如果这样,手机、笔记本电脑就可以在配置有发射器的屋子里自动充电,甚至无需电池或无需通过相连电源就可以直接使用。

远程无线供电技术

从科学技术与实际应用相结合的角度来讲,无线供电和有线供电将会各有千秋。如果作为地面长距离输电或者所有家用电器的长期供电,无线供电可能未必实用。除铺设输电线路困难的地区之外,但有一个特殊科技领域的发展非常倚重无线电力传输技术,那就是太空领域了,比如人造卫星、航天器之间的能量传输等,而首当其冲的是未来太空太阳能发电站隔空给地球无线供电的研究摆在人们面前。

在太空的太阳光线没有地球大气层的影响,辐射能量十分稳定,是取之不尽的洁净能源。如果在静止轨道上建设太阳能电站,一年有99%的时间是白天,其利用效率比在地面上要高出6倍~15倍。随着全球环境污染和能源短缺问题日趋紧张,向太空要能源的需求愈发迫切。美国五角大楼国家安全太空办公室(NSSO)200710月的报告中则明确指出,要立即着手向上钻取能源的工作,建议美国政府在未来10年投入100亿美元建造一颗能10GW      太阳能传回地球的试验卫星。

太空太阳能电站是利用卫星技术,在太空把太阳能转化成电能,然后以微波和激光等方式传回地球供人类使用的系统。该系统主要由两大部分组成:太空部分——太阳能发电卫星——由火箭将太阳能发电卫星发射到空间轨道上形成,在太空将太阳能转化成电能;地面部分――接收电站——接收太空发电卫星通过微波或激光等方式传输到地面的电能。     在外太空进行试验发电的国家有美、日、法、德、俄等。来自美国国防部的一份报告称,建立空间太阳能电站的构想无论在技术方面还是在经济方面都是可行的。太阳光是永恒不变的,太阳所释放的能量相当于当前全球所消耗能量的10万亿倍,美国国家航天学会副主席马克霍普金斯(Mark Hopkins):“我们只需要开发其中一少部分,就足以应付我们当前和未来的许多年的能源需求。

根据美国科学家预测,到2025年,美国有可能在太空建造100座太阳能电站,将会满足美国全国30%的电力。而日本从20世纪80年代也已展开太空太阳能相关研究,目标是在2030年前向太空发射一颗对地静止卫星,这颗卫星将为地球上50万户家庭提供10亿W电能。目前,日本宇宙航空研究开发机构的研究人员将微波和激光看作是传输太阳能的可能选择。对于两种无线传输的情况以下进行简单介绍。

关于微波传输电能微波是波长介于无线电波和红外线辐射之间的电磁波,目前已广泛应用于微波炉、气象雷达、导航和移动通信。微波送电是全世界的研究热点,据报道1967年美国空军同雷神公司合作进行了世界上首次电力微波传输试验,成功地通过微波向模拟直升机提供电力。1994年,科学家利用微波将5kW的电力送达42m远也取得成功。前面提到的法国皮格努莱特利用微波进行的无线输电试验——是把一部发电机发出的电能,先通过磁控管转变为微波,再由发射器将微波束送出,40m外的接收器接收后,由变流机将微波转换为电流,然后将一个200W的灯泡点亮。在留尼汪岛上的格朗巴桑村位于千米深的峡谷底,过去居民利用安装在房顶上的太阳能电池,但因日照时间短等原因电力不够用——2003年无线供电技术使其成为世界上第一个利用微波技术供电的乡村——至于该技术的实用化商业推广不知何时实现——尚未见到最新的进展报道。

目前微波频率采用的2.45GHz是分配给工业、科学和医疗使用的频率,不会对通讯造成影响,所到之处的能量密度也不会对生物造成伤害。家用微波炉的普及,表明了微波技术实用化的成熟。研究者已确认类似家用微波炉的工作频率2.45GHz的磁控管用于能量的微波传输,可轻易穿过大气层,由地面接收设备(由盘式天线、低压电流二极管和电子束回旋加速器共同组成)获取能量后转成高压直流电源。  
    关于激光传输电能激光方向性强、能量集中,利用激光可以携带大量的能量,可以用较小的发射功率实现较远距离的输电。有关研究选择激光的优势在于,所需的传输和接收设备是微波所需的1/10,不存在干扰通信卫星的风险——使用微波却存在这种问题。不足点之一是障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换,使用激光不能像微波那样可以闯过云层,射束能量可能会在中途丧失约一半。

这些先进的技术很大的推动力现代社会的进步,可是作为中国,我们只是科技产品的加工厂,而非科技输出国。在下个世纪,推动我们前进的不再是代加工,而是转型后的科技含量,即坐在家里吃专利。而大功率无线电力传输又是所有科技公关的基础,把握好方向,才能迎头赶上。愿我国的科技能更进一步,走好转型的道路。



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