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【研究简史】无线能量传输:不再需要插入任何电源的世界
令狐小冲 2016-01-28
导语

随着无线能量传输技术的发展,我们也许能够预见到一个不再需要插入任何电源的世界。

让我们想象直接从电源处以无线的方式为设备取电的情境,就像手机、笔记本电脑找到一个无线网络的连接那样简单。

实际上,无线能量传输的技术已经存在了。

随着无线能量传输技术的发展,我们也许能够预见到一个不再需要插入任何电源的世界。

研究回顾

特斯拉(Nikola Tesla)首先提出并基于无线能量传输思想开展了试验。特斯拉将特斯拉线圈与一个位于60m高、直径90cm球(环形线圈)的桅杆连接在一起,300kW的电能反馈回特斯拉线圈,产生150kHz的共振。图1-1是特斯拉位于美国纽约长岛的著名实验室和无线通信设施。

图1-1  特斯拉塔

William Brown是微波能量传输应用的先驱。Brown在1964年首次成功验证了微波动力直升机,在为工业界、科学界和医药界的应用所保留的频率 2.4~2.5GHz范围内,他选用2.45GHz的频率用于此次验证,如图1-2所示。

他发明了带有整流二极管天线的、可将微波转换成直流电的能量转换装置,将其用于微波动力直升机。硅整流二极管天线(整流器+天线)将微波直接转换成直流电实现微波电力传输,从硅整流二极管天线向飞机发动机提供200W 的电力并可通过微波束进行调节。这个整流二极管天线由28个点接触半导体二极管组成的桥式整流器半波偶极子构成。后来,他又进行了室内微波能量传输实验, 实现了90%的微波-直流能量转换效率。

图1-2  以微波为动力的直升机

1975 年,美国喷气推进实验室在Goldstone建立了世界上最大功率微波无线能量传输试验装置,成功将30kW的能量在2.5GHz频率下通过直径26m的抛物型天线传输给1.6km远处的硅整流二极管天线,如图1-3所示。用硅肖特基二极管取代点接触半导体二极管使其微波-直流能量转换效率由原来的40% 提高到84%。

图1-3  1.6km距离的微波电力传输

世界上首个利用地面传输微波获得动力的低燃料飞机在加拿大诞生,如图1-4所示。该系统称为SHARP(固定高空中继平台),其4.5m翼展的模型飞机 (1/8模型)于1987年实现了首次飞行。

基于SHARP概念,飞机在21km高空缓慢地盘旋飞行了数月,在直径600km范围内对通信信号进行中继。 中继平台利用高功率微波转化器在2.45GHz频率下,将能量通过波束的方式传输到在空中盘旋的飞机上。贴在飞机下表面的二极管天线印刷电路阵和相关的整 流二极管将微波能量转换成直流电用于驱动飞机的电动机。

图1-4  世界上首个利用地面传输微波获得动力的低燃料飞机

2001 年,国际上第一个用于实际的微波无线电力传输系统在法国建成,它成功实现了点对点无线能量传输的实验验证,可以传输10~17.5kW的电能到法国留尼汪岛(Reunion)上一个常规电力无法达到的旅游胜地小村庄Grand Bassin。Grand Bassin是位于La Reunion南部的一个孤立小山村,如图1-5所示。它位于深1km、宽2km峡谷的底部,难以架设输电线路。该实验耗费了100万美元,实现了 10kW的电力传输,传输距离为700m。后由于成本过高,项目被中止。

图1-5  法国 Reunion 岛的微波无线输能系统

无线能量传输技术在空间技术中的应用背景

无线能量传输技术的提出为空间技术的发展打开了广阔的想象空间,有强烈的解决人类日益增加的能源需求问题的背景。

人类的生活水平和人口数量近期呈爆炸式增长。20世纪人类数量增长了4倍,而能源消耗增加了16倍。能源、食物和物质资源的消耗在未来50年中预计将增加 2.5倍。人类对更高生活质量的追求,导致在21世纪他们不得不面对严重的全球性的威胁人类生存安全的问题,其中一个严重的问题就是全球变暖、环境恶化的问题。

2000 年世界拥有61亿人口,由于发展中国家的人民生活水平和人口数量的持续增长,这一数字在未来50年中将上升到100亿。预计到21世纪中叶,发展中国家的 人口将达到90亿,其生活水平将至少比目前提高3倍。庞大的能源需求量将相当于今天的250%,而这一巨大的能源需求在不破坏地球环境的条件下将很难实现。同时,随着全球的工业化和计算机的广泛应用,人们对电力的需求将超过对其他形式能源的需求而大幅增加。

尽管人类社会的发展带来了环境问题和资源消耗问题,目前现代社会主要依赖化石燃料获得能源是不可否认的事实。根据国际能源局的统计,目前化石燃料提供了人类 80%左右的能源,如图1-6所示。为了保证人类后代未来的生活安全,需要研究可满足可持续发展社会所需要的科学和技术,也就是常常称作的绿色科技 (GST)。减少二氧化碳排放的技术是GST的关键技术之一,这就需要发展不再向大气层排放二氧化碳的能源,即可再生能源,包括地面太阳能、水能、风能和其他基于自然资源的可再生能源。

图1-6  2002年主要能源供应总量份额

空间太阳能发电卫星

根据相关计算,如图1-7所示,在赤道上空地球同步轨道上宽度为1km的一个带状区域上,一年获得的太阳能为212TW,接近目前地球上一年消耗的全部原油所储存的能量。因此,空间的太阳能资源非常丰富,和现有的可再生能源相比,来自太空的太阳能应用具有光明的前景。

作为无线能量传输技术在空间技术最重要的应用方向,太阳能发电卫星概念在1968年就作为能满足可持续发展和不排放CO2清洁能源供应的重要候选方案之一被提出

图1-7  空间丰富的太阳能资源

空间太阳能发电卫星(SPS, Space Power Satellite)提供了电力的潜在供应能力,可24小时不间断供应,同时不排放CO2。 卫星运行于地球上空的同步轨道上,在空间收集太阳能,将其转化为电能,并通过微波传输到地面。美国、日本和欧洲的研究人员进行了太阳能发电卫星的研究,提 出了几种建议发展的系统,如图1-8所示。

一个典型的太阳能发电卫星系统可产生1GW的电力,通过GHz频率的微波向地面传输电力。在这样的系统中,太阳能被太阳能电池转化成直流电,用于向微波发生器提供电力。微波发生器带有精准定向的星载天线向地面传输能量。该系统使用带有大量天线部件和直径达1-2 km的相控阵传输天线。地面整流天线(Rectenna)将来自卫星的微波能量转换成直流电,经过适当处理后,进入地面电网。

图1-8  太阳能发电卫星

该系统涉及到的关键技术包括太阳能电池技术、微波产生和传输技术,以及天线技术,地面电网互连技术等。微波能量传输是SPS系统的一项关键技术,因为整体效率、卫星重量和成本将是决定这种技术可行性的关键因素。首先,要保证所有从地球上空同步轨道上传输的能量都能被地面整流天线收集到,同时还需要考虑直流电到微波再到直流电的能量转换效率,这个转换效率大约为50%,包括微波能量发生器将直流电转换到微波能量的转换效率约80%,地面整流天线阵可将微波能量转换成直流电,这种能量转换的效率也是必须考虑的问题。此外,对天线波束的精确控制也是关键。

除应用于空间太阳能电站以外,无线能量传输技术还将在以下两个与能源相关的领域上具有重要的应用前景:

1)电力中继卫星(PRS, Power Relay Satellite)。

电力中继卫星的概念主要是为了解决超远距离(数千公里)大功率电力传输问题而提出来的,特别是对那些需要解决跨越海洋、或者洲际间的大功率传输问题,电力中继卫星有很强的实用背景。例如,欧洲提出利用非洲的沙漠地带建立大规模的地面太阳能发电站,将电能通过电力中继卫星传输到欧洲大陆的设想。美国甚至设想建立一个全球电力中继卫星网络,以实现全球能源的合理调配和利用,如图1-9所示。

图1-9  无线能量传输技术在能源领域应用

2)月球发电站

利用月球建立太阳能电站,将发出的电能以微波或者激光的无线能量传输方式传输到地球,提供电力。

无线能量传输技术的主要分类

目前,实现能量无线传输的主要方式有:激光、超声波、射频和微波

它们有各自的适用范围。近距离情况下,可以选择超声波和射频。超声波和射频传输距离较短,功率容量低,使用范围有限。远距离的情况下,可以选择激光技术或微 波技术实现电能的无线传输。随着微波器件技术的成熟和微波理论的发展,微波无线能量传输技术具有转换效率高,传输功率容量大的优点,是现阶段最有优势的无 线能量传输技术。激光技术的优点是方向性好、波束窄、尺寸小,可以实现中远距离的能量传输,缺点是转换效率较低、传输功率容量有限。目前激光无线能量传输的一个目标是提高转换效率,使之达到或者接近微波无线能量传输系统的转换效率。


本文由科学出版社安静,摘编自能源革命中电网技术发展预测和对策研究项目组、中国中长期能源电力供需及传输的预测和对策项目组编《能源革命中电网技术发展预测和对策之第17章,内容有删减。

更多阅读:

【能源】俄科学家研发高效无线电力传输系统,效率可达80%

978-7-03045536-9

能源革命中电网及技术发展预测和对策》 针对能源革命中电网发展面临的挑战,从未来能源发展的战略与布局、电网发展的需求与态势、技术发展的方向与应用出发,找出对电网发展影响大的关键因素和关 键技术,评价新技术在电网发展中的应用前景,提出未来至2050年电网技术发展的趋势和应对策略。同时,根据对我国未来中长期能源电力供应和需求及电力传 输需求的估计,对影响未来电力传输网络发展的新技术进行预测,探索未来电源和电网的发展模式,解决发电能源种类及资源和消费分布不均衡状况,以引导电网科学发展,促进能源电力和国民经济的可持续发展。

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文章评论(4)
anguangli[]

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935天前 | 收起回复

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2016-01-29 09:26 回复

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2016-01-29 09:28 回复

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2016-01-29 09:28 回复

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2016-01-29 09:55 回复

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2016-01-29 09:55 回复

  登陆后参加回答

爬上海岸的鱼[SYNNEX China]

特斯拉的毕生志向,无线电力传输从概念提出到现在有半个世纪了,感觉进展不大

935天前 | 收起回复

anguangli:sfdgdfgdfgsdfg

2016-01-29 09:58 回复

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2016-01-29 09:59 回复

anguangli:yyyyyyyyyyy

2016-01-29 10:03 回复

  登陆后参加回答

罗纳尔多[北京理工大学]

距离物理学家特斯拉当年的设想还有段距离

935天前 | 回复
爱因斯坦[北京航空航天大学]

无线电力传输小功率商用前景很好

935天前 | 回复
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