无线电能传输的发展历史与应用现状

宋显锦,韩如成,宋晓鹏

(太原科技大学电子信息工程学院,山西太原030024)

无线电能传输的发展历史与应用现状

宋显锦,韩如成,宋晓鹏

(太原科技大学电子信息工程学院,山西太原030024)

文章介绍了无线电能传输的概念,以及方式方法。对电能传输的历史做了回顾,尤其对无线传输在现阶段的应用重点做了介绍,也对无线电能传输的优点和缺点做了简要说明。

电力电子;无线电力;能量传输;感应电能

一、无线电能传输的发展历史

1820 年 :安培(André-Marie Ampère),安培定理表明电流可以产生磁场。1831年:法拉第(Michael Faraday),法拉第电磁感应定律是电磁学的一个重要的基本规律。1864年:麦克斯韦(James Clerk Maxwell)建立了统一的电磁场方程,用数学的方法描述电磁辐射。1864年:赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)证实了电磁辐射的存在。赫兹产生电磁波的设备是VHF和UHF波段的放电发射机(spark gap transmitter)。1891年:特斯拉(Nikola Tesla)改善了赫兹的微波发射器的射频功率供应,并申请专利。(专利号:454622 System of Electric Lighting)1893年:特斯拉(Nikola Tesla)在芝加哥的哥伦比亚世界博览会展示了他的无线传输的荧光照明灯。1894年:勒布朗(Hutin&LeBlanc)相信可以感应传输电能,并申请了关于一个能传输3KHz电能的系统的美国专利。1894年:特斯拉(Nikola Tesla)分别在纽约的第五大道南35号的实验室和休斯敦街46号的实验室通过无线方式点亮了一个单极白炽灯,实验手段用到电力感应、无线共振感应耦合等技术。1894年:钱德拉玻(Jagdish Chandra Bose)使用电磁波信号远距离点燃火药和触响铃铛,表明不用电线也能传递能量。1895年:钱德拉玻(Jagdish Chandra Bose)无线传输信号将近一英里远的距离。1896年:特斯拉(Nikola Tesla)发射了约48公里(30英里)距离的信号。1897年:马可尼(Guglielmo Marconi)使用超低频无线电发射器传送6公里的摩尔斯电码信号。1897年:特斯拉(Nikola Tesla)申请无线传输的专利。1900年:马可尼(Guglielmo Marconi)在美国未能获得关于无线电的专利。1901年:马可尼(Guglielmo Marconi)使用特斯拉的装置传输跨越大西洋的信号。1917年:特斯拉的Wardenclyffe塔被拆除。1926年:Shintaro Uda和Hidetsugu Yagi发表他们的第一份论文“Tuned High-gain Directional Array”。即现在众所周知的 Yagi天线。1961年:布朗(William C.Brown)发表文章探讨微波功率传输的可能性。1964年:布朗(William C.Brown)在哥伦比亚广播公司新闻中展示靠微波束提供飞行所需能量的沃尔特克朗凯特(Walter Cronkite)动力模型直升机。1969年到1975年。布朗是JPL Raytheon计划的技术总监,完成过1英里的距离传输30万千瓦的能量,效率约为84%。1968年:格拉泽(Peter G laser)提出无线传输空间利用太阳能的“Powerbeaming”技术获得的能量。1971年:新西兰奥克兰大学(The University of Auckland)奥托教授(Don Otto)开发一个靠感应供电的小手推车。1973年:Los-Alamos National Lab演示了世界第一个被动式RFID系统。1988年:新西兰奥克兰大学的约翰包尔斯教授(John Boys)领导的电力电子小组,开发出采用新的工程材料和电力电子技术的逆变器。声称感应电能传输能够实现,第一个非接触式电能传输模型正在制造。奥克兰Uniservices公司,是奥克兰大学的商业公司,申请了此项专利技术。1989年:日本一家公司(Daifuku)聘请奥克兰的Uniservices有限公司为其汽车组装,物料处理开发新技术,提出具有挑战性的技术要求,包括了繁多的车辆。1990年:约翰包尔斯(John Boys)教授团队开发了一种新技术,让多个车辆运行在同一感应功率回路,并能提供独立的控制。1996年:奥克兰(Auckland)的Uniservices公司开发的采用感应电能传输技术的电动汽车动力系统,开始在新西兰实施。2001年:英国的Splashpower公司,采用耦合谐振平垫的方式来给一些消费类产品象灯、手机、PDA、iPod等提供能量。2004年:有10亿美金市值的保洁行业,已有90%采用感应电能传输(IPT)技术,用于半导体制造,液晶,等离子显示屏制造业中的搬运设备。2005年:奥克兰大学(University of Auckland)的约翰包尔斯教授(John Boys)改善了3相感应电能传输铁路(IPT Highway)和拾取系统(pick-up system),在实验室中能够通过无线方式给移动车辆供电。2007年:麻省理工学院的索尔贾希克(Marin)领导的一个物理学研究小组,确认了约翰包尔斯教授(John Boys)在80年代的工作。在2米的距离,使用两个60 cm的线圈无线驱动60W灯泡,效率在40%左右。2008年:庞巴迪公司(Bombardier)提供新的无线传输产品PRIMOVE,一种应用于有轨电车和轻轨车辆的电力系统。2008年:工业设计师(Thanh Tran),在布鲁内尔大学(Brunel University)做了一个无线驱动的高效LED灯泡。2008年:英特尔(Intel)重新进行特斯拉1894年的实验和约翰包尔斯教授(John Boys)1988年的实验,在1m距离内隔空给60W灯泡提供电力,效率高达75%。2009年:一个有此方面兴趣的公司联盟(Wireless Power Consortium)宣称他们正制订一个小功率感应充电的工业标准。

二、无线电能传输的应用现状

(一)短程无线供电技术

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。

1.无接点充电插座。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。

2.“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。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。

3.通用型无线供电“垫”。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。

4.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。

5.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2007年SSDM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2007年7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。

(二)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。

1.Powercast无线充电器。2007年3月“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。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。

2.MIT隔空无线点灯实验。《Science》在线版《ScienceExpress》上报道,MIT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,可以点亮相隔7英尺(约2.1m)远的60W电灯泡,能量效率可达到40%。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。

3.感应电力传输技术(IPT)。(1)日本太阪富库(DAIFUK U)公司的单轨行车和无电平自动运货车。这些设备当前已成功地用于许多材料运输系统中,特别是在一些恶劣的环境下,如喷漆车间等。(2)德国奥姆富尔(WAMPEI ER)公司的200kw载人电动火车巳试车成功。该公司还成功地将感应电力传输技术用于电动游船的水下驱动。(3)新西兰奥克兰大学所属奇思(UNISERVICES)公司基于电子与电气工程系的技术成功地开发了两项有关IPT的实用项目:一是高速公路发光分道猫眼系统,目前正运行于新西兰惠灵顿大隧道中;另一个是用于Rotorua国家地热公园的30 kw感应电动汽车,现已安全运行约2年。

(三)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)说:“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。

1.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。

2.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。

[责任编辑:李志清]