无线电力传输技术的基本原理与应用前景
无线电力传输是一种新型电力传输方式，通过电磁耦合、射频微波、激光等媒介实现电能传递。该技术无需铺设导线，因此应用更加灵活便捷。本文介绍了无线电力传输的发展历程和基本原理，并对未来潜在应用进行了展望。
关键词： 无线电力传输技术 电磁感应 射频 原理与应用前景
1.引言
自17世纪人类掌握了发电技术之后，便开始借助金属导线来输送电能。如今，供电网络和高架输电线路已经覆盖了地球的每一个角落。在工作和日常生活中，各式各样的电器设备虽然极大地提高了便利性，但各种错综复杂的电源线和数据线却带来了越来越多的麻烦。然而，近些年的科技进步显示，随着无线数据传输技术越来越常见，科学家在无线电力传输（Wireless Power Transmission，WPT）领域的研究也取得了显著进展，可以说，无线电力传输已不再是空中楼阁——未来生活中摆脱杂乱的电线将成为现实。
2.无线电力传输的发展历史
十九世纪末期，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）被誉为开启电力纪元的杰出人物，他在电气和无线电技术领域成就斐然。他于1881年揭示了旋转磁场的运作方式，并以此为基础研发出感应式马达；1888年，他创造了多相电流的传输与分配方案；1889至1890年间，他成功打造了赫兹式振荡装置；1891年，他发明了高频转换装置（即特斯拉线圈），该装置至今仍在无线电、电视以及各类电子装置中普遍应用。他长期探索无线发送信号和输送能量的可行性，于1899年展示了无需电线利用高频电流驱动的马达，不过因为效能不佳和存在安全隐患，无线供能的技术始终没有实现重大突破。1901年到1905年期间，在纽约周边的长岛建造了Wardenclyffe塔，这座塔是一个结构精巧的电磁振荡装置，其初衷是希望可以将电力传输到地球的任何地点开元ky888棋牌官网版，特斯拉借助这座塔，试图让地球与电离层产生共鸣。
2001年5月，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，借助微波无线技术，成功传输电能，点亮了距离四十米处一个功率为二百瓦的灯泡。紧接着，2003年，在某个岛屿上，一座十千瓦的试验性微波输电设施建成，该设施开始以二点四五吉赫的频率，向距离将近一公里的格朗巴桑村实施点对点的无线能量供给。
2005年，香港城市大学电子工程学系教授许树源研发出“无线电池充电平台”，不过该平台在应用时仍需让设备与充电装置相接。
2006年10月，日本公开展示了一种无线能量传输装置。该装置的输出电压为7伏，输出电流为400毫安。当发射线圈与接收线圈之间的距离为4毫米时，该装置的传输效率最高能达到50%。这种技术主要应用于手机的高效充电场景。
2007年6月，美国麻省理工学院的物理学助理教授马林·索尔贾希克研究团队成功完成了短距离无线电力传输的实验。他们首先给一个直径60厘米的线圈通电，随后在6英尺（约1.83米）远的地方开yun体育官网入口登录app，连接在另一个线圈上的60瓦灯泡被点亮了。马林将这项技术命名为“WiTricity”，其基本原理是利用磁耦合共振。
2008年9月，一份由北美电力研讨会发布的报告表明，相关团队已经在美国内华达州的雷电实验室，通过无线手段将800瓦的电能，成功传送到了5米开外的地方。
二零零九年十月，日本奈良市开展了一项针对电动混合动力公交车的无线充电测试。供电设备安装在充电平台的混凝土内部，当车辆驶至平台上时，只需将车上的感应装置与供电设备对准，即可启动充电过程。
3.无线电力传输的基本原理
3.1电磁感应——短程传输
电磁感应堪称电磁学领域里一项关键性的突破，它揭示了电与磁现象的内在关联及相互转变。电磁感应构成了电磁学的基础准则，变压器正是依据这一准则实现其功能运作。通过电磁感应实现短距离电力输送的核心思路如图1所示，发射线圈L1和接收线圈L2之间借助磁力联接来传递能量。当线圈L1内有交变电流流过时，它会在周围空间激发出变化的磁场，这种磁场会在线圈L2中感应出电动势，这个电动势能够为便携式设备提供能量，也可以用来给蓄电池蓄能。
3.2电磁耦合共振——中程传输
中程无线能量传送方法，依靠电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁耦合”等途径，完成电力传送。这种方式遵循电磁共振耦合原理，借助非辐射磁场，达成电力高效传送。电子学理论指出，交变电流流过导体时，导体周围会产生交变的电磁场，这种场被称为电磁波。当电磁波的频率小于100khz，它会被地面吸收，无法实现有效传输，当电磁波的频率大于100khz，它便能在空气中传送，并且借助大气层外围的电离层进行反射，从而达成远距离传输效果，人们把具备远距离传输效果的高频电磁波称作射频，也就是通常所说的RF信号。电信号（模拟或数字）通过高频电流进行变调（幅调或频调），构成射频波后，借助天线向空中辐射；远距离接收该射频波后，需执行解调操作，再恢复成原始电信号，此流程称作无线通信。中距离通信依靠电磁波衰减较轻的天线装置，并借助二极管、感应式IC卡、无源射频标识等设备，达成高效无线能量传递。
这个设备总共设有两个线圈，每个线圈都是一个能够自我激振的系统。其中一个充当发射设备，与能量源相接，它并不直接向外辐射电磁波，而是借助振荡器生成高频交变电流，经由发射线圈向外传送电磁波，在周边区域构成一个非辐射性磁场，此过程将电能转变成了磁场能量。接收装置的固有频率若与接收到的电磁波频率一致，接收电路中产生的振荡电流会达到峰值，完成磁场到电能的转换，进而实现电能的高效传输。图2展示了一个典型的运用电磁共振完成无线电力传输的系统设计。电磁波的频率越高，其向空间辐射的能量就越大，传输效率也相应提升。
3.3微波/激光——远程传输
理论上，波长较短的无线电波，其指向性更佳，扩散范围更窄。因此，能够借助微波或激光方式，完成电能的远距离传送。这对于新能源的利用开发、应对未来能源不足的挑战，具有关键作用。1968年，美国工程师彼得格拉，首次阐述了太空太阳能发电（Space Solar Power，SSP）的构想。这个想法是在宇宙空间部署一个能源制造设施，依靠电磁波把电力传输到地面。
4.无线电力技术的应用前景
无线能量传输属于一种前沿科技，通常只在特定场景中使用，未来潜力巨大。
4.1给一些难以架设线路或危险的地区供应电能
偏远地区的台站常常面临架设电力线路的难题，诸如高山、森林、沙漠、海岛等；边防哨所、无线电导航台、卫星监控站、天文观测点等机构，它们分布在这些地带，既需要生活用电，也需要工作用电；无线输电能够有效缓解这些地方的电力短缺问题；不仅如此，这项技术还能为游牧民族聚居的分散村落提供无变压器的电力供应；同时，也可以为从事放射性矿物开采、森林砍伐的机器人设备供电。
四二处理地面太阳发电站、水力发电站、风力发电站、核能发电站的电力传输事务
新疆、西藏、青海等区域降水稀少，阳光充沛，并且拥有广阔的未开垦土地，南方部分地带水流与风力资源充裕，这些地方适合建设地面型的太阳能设施或水力发电站、风力发电站。然而，这些区域居住者稀少，地势险峻，在高山深谷间铺设线路十分困难，此时无线能量传输技术便能发挥作用。运用无线能量传输技术，也能够将核能设施设置在沙漠地带或荒凉岛屿上。这种方式有助于处理放射性废弃物，同时电站运作出现问题时，能够减少对周边生物和农田造成的破坏。
4.3传送卫星太阳能电站的电能
卫星太阳能发电设施，是将太阳能电池板或聚光镜等部件，通过火箭或航天飞机，送往地球静止轨道，这个轨道距离赤道大约三万五千八百公里。太空中接收到的太阳光，不受大气干扰，能量释放稳定，属于一种用不完的清洁动力。而且全年绝大部分时间都是白天，其发电效率远超地面水平，比地面高出六到十五倍。在那处借助太阳能电池装置将日光直接转换为电力，或者运用太阳能聚焦装置将日光集中起来当作热源，类似地面热能工厂那样发电。这种方式获得的电力供应给微波发射设备或激光装置，再通过无线传输技术将大功率电磁波束传送到地面，收到的微波能量经过整流设备后转变为直流电，由变电和配电装置为用户供电。
4.4无接点充电插座
如今无线能量传输技术不断进步，部分微型耗电装置已具备非接触式充电能力，例如电动牙刷、无需安装电池的无线鼠标，以及能够无线供能的薄膜或垫片装置等。一种新型家用无线供能技术采用柔性塑料片，尺寸类似书籍，能够为各类设备提供能量，包括圣诞树上的发光二极管、装饰灯具、水族箱照明装置、微型马达，还有手机、个人音乐播放器、便携式收音机、环境监测装置、听力辅助设备、汽车组件，乃至医疗植入装置等。
4.5给以微波发动机推进的交通运输工具供电
当前多数出行载具依靠石油制品提供动力，其动力核心有柴油引擎、汽油引擎之类的类型。参照这一情形，运用微波能量驱动的动力装置可称为微波动力系统。微波属于工作频段介于0.3—300GHz范围的电磁辐射，无法直接用来驱动电机，由于研制能在如此高频率下运行的装置极为复杂。若调整设计方向，使整流器能将微波能量转化为直流电，微波便能直接为交通工具提供动力。煤炭、石油及天然气资源储备有限，而每日消耗量惊人，终将面临枯竭问题。届时，卫星太阳能发电站有望成为能源供应的核心开yun体育app入口登录，借助无线传输技术，能够将微波能量直接输送给各类交通设备。
4.6在月球和地球之间架起能量之桥
全球人口持续攀升，地球物质日渐枯竭，促使人类渴望探索太阳系其他天体。月球作为地球的天然伴侣，蕴藏丰富物质，面积广阔，是首选的探索目标。未来人类开发月球，核心在于定居和物质采集。月球土壤含有二氧化硅，是制造太阳能装置的关键材料。先在月球上设立制造基地，再将太阳能设施直接部署在月球表面，比在地球静止轨道上部署更为便捷，能够通过微波或激光将电力传输至地面。
5.结语
无线电力传输技术持续进步并日趋完善，未来人们有望不再受限于手机、相机、笔记本电脑等移动设备的电源线，可以在机场、车站、酒店等众多场所使用无线供电服务，该技术还能应用于特殊场景，例如为植入人体仪器如心脏起搏器提供能量传输，亦可服务于新能源（电动）汽车，支持低轨道军用卫星及太阳能卫星发电站的运作。当今世界经济飞速发展，能源领域的核心任务在于推动节能以及新型可再生能源的利用。太阳能是一种永不枯竭且清洁的能源资源。除了核能、地热能和潮汐能这几种特殊能源外，地球上几乎所有的能源都源自太阳。因此，建造太空太阳能发电站，被视为缓解人类能源短缺困境的关键举措。把地球同步轨道上的电力传送到地面，无线供电技术将扮演核心角色。这种技术未来可能拥有广阔的应用空间。不过，每种无线传输手段，都面临诸多挑战需要克服，比如电力传输的效能问题，电力企业如何进行收费和结算，能量传输产生的电磁辐射是否影响人体健康等等。不论如何，一旦这项技术得以推广，必将为民众的日常提供极大的帮助。
