电磁辐射能量转换和收集技术初探

王雪辰 鲁先法 汤磊

摘 要：随着微电子技术和通信技术飞速发展，电磁辐射充斥了自然空间。针对当前无处不在的具有能量的电磁辐射，探讨了一种电磁辐射能量转换和收集技术，一方面提示人们主动地远离电磁辐射污染源，另一方面将电磁辐射传播的能量转换成有价值的电能，并收集和保存在超能存储器中，使之变废为宝。

关键词：电磁辐射；能量转换；能量收集；能量存储

引言

电场和磁场的交互变化产生电磁波，电磁波向空中发射或泄露的现象，叫电磁辐射。电磁辐射由自然电磁辐射源和人为电磁辐射源组成，其中自然界电磁辐射源包括雷电、太阳黑子活动和宇宙射线等；人类社会形成的电磁辐射源则包括电脑、电视、音响、微波炉、电冰箱、手机、传真机、通讯站、高压电线、电动机、航空、电气铁路、广播、电视发射台、移动通信基站、雷达系统、电力产业的机房、卫星地面工作站、调度指挥中心等。电磁辐射覆盖了所有频段，几乎无处不在，且电磁波在传播时有一个电场和磁场分量的振荡，分别在两个相互垂直的方向传播能量，具有能量的电磁辐射充斥整个宇宙空间。这种电磁辐射能量积累到一定的程度，将会对人体造成永久不可逆的伤害。

因此，设计一个能够将电磁辐射变废为宝的能量转换和收集装置显得尤为迫切和重要，一方面可警示人们主动地远离电磁辐射源，另一方面使具有巨大累积能量的电磁辐射能够为社会服务。

关于将自然界中存在的能量进行转换和存储的文献、专利和应用多见于风能转换、太阳能转换和机车类等能量回收。目前尚未见将电磁辐射能量进行转换和存储的相关文献，因此，展开该技术的研究和探索具有极为重要的意义和价值。

1 系统模型

1.1 电磁辐射的特点

在复杂电磁环境下，通常在某一接收感应点会聚集各个频段各种能量的空中无线信号，包括直达波、发射波和绕射波等。系统模型如图1所示。

图1 电磁辐射模型

虽然电磁信号在传播时存在着能量损耗，如自由空间损耗公式为：

（1）

其中f单位为MHz；d的单位为千米。考虑城区应用模型，则损耗公式为：

（2）

其中L50为传播路径损耗值的50%（即中值）；Amu（f，d）为自由空间中值损耗；G（hte）为发射站天线高度增益因子；G（hre）为接收天线高度增益因子；GAREA为环境类型的增益。

如果f取1000MHz，d取1千米，则LS为92.45dB，可见电磁信号空中传播虽然存在一定的衰减，但由于信号众多，空间仍然具有极大的电磁波能量。

由此可见，完全有必要展开电磁能量感应、转换、收集和存储技术的研究。

1.2 系统架构

针对电磁辐射的特点，设计了图2所示的电磁辐射能量转换和存储电路。

图2 电磁辐射能量转换和收集存储电路

整个电路包括天线、无源能量转换和存储电路、能量指示电路、开关电路以及充电电路。电路中的天线用以感应和接收空中的电磁辐射波。无源能量转换和存储电路由电磁感应转换模块和能量存储模块两部分组成，电磁感应转换模块可根据实际需求采用宽带化射频接收通道设计，首先电磁感应转换模块将天线感应的电信号进行能量累积，并通过T型无源高阻抗电路将电信号转换成电压型电信号后送到能量存储模块，能量存储模块采用超能存储器件设计，感应的电磁能量进行存储，其中超能存储器采用超级电容实现微弱能量的快速回收。能量指示电路则实时将感应到的信号强度进行计算，并进行结果显示和警示。

开关电路为低耗能电路，当能量存储模块存储的电能达到一定的幅值后，将触发开关电路，通过开关电路及充电电路将能量存储电路存储的能量转换为电池所需的额定电压和电流对可充电电池进行充电。

1.3 能量转换和存储原理

能量转换和存储电路的核心部件为超能存储器件，研究时采用超级电容作为超能存储器件。单体超级电容外观如图3所示。而实际使用时，往往采用超级电容系统来实现能量的转换和存储，超级电容系统由单体超级电容串并联组成，如图4所示。

超级电容的基本原理是通过极化电解质来实现能量转换和存储。超级电容在储能的过程中并不发生化学反应，并且这种储能过程可逆，即可以进行放电处理，也就是说，超级电容可以反复充放电。其储能过程可以被视为电解质中的两个无反应的活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

超级电容的表面積采用多孔碳材料，多孔碳的材料结构使其面积可达2000m2/g，与电解液接触的面积大大增加。超级电容的电荷之间的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的，这个距离相当小，仅为几个纳米。足够大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容较传统电容器而言有惊人的静电容量，这也是超级电容的“超级”所在。其内部结构如图5所示。

图5 超级电容内部结构

当超级电容内部两个电极板间电势低于电解液的氧化还原电位时，电解液界面上的电荷则被吸附，超级电容处在正常充电工作状态。当超级电容两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，处于非正常状态。随着超级电容的放电，正负极板上的电荷被外电路泄放。由此可以看出超级电容的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能是稳定的。

电容器存储的电势能为E=■CU2，再利用库仑定律Q=CU可得：

E=■ （3）

其中C是电容器容量；U是电压；Q是电容器的总电荷量，只要影响电压和总电荷量就会影响能量密度，电解液的变化是影响能量密度的重要原因之一。

在本项目中利用超级电容上述的特性来实现能量存储，其过程如同“移峰填谷”，如图6所示。

图6 能量转换和存储原理

其实质就是将波动的能量变成较平滑的能量输入，在达到一定的电压值后进行能量释放，如为附属充电电路进行充电。

2 试验和分析

2.1 电磁辐射能量可收集性测试

为了进一步验证论文研究的必要性和测试的直观简单，采用800～3000MHz的移动通信板型天线对移动通信信号进行了测试，因为该频段信号较为密集，依据国家信工部对移动通信频率的划分，可以得到表1所示的频率分配表。

首先借助800MHz～3000MHz宽带接收机对频率范围的信号进行了搜索，然后采用FFT算法将实际测试的信号进行了频谱显示，得到如图7所示的频谱图和图8所示的频谱占用图。

图7 实测频谱图 图8 城区频谱占用情况

由图可见，移动通信信号辐射无处不在、无时不有，密集存在且强度较大，实际最大值可达-39dBm，如距离移动通信基站50米左右，平均值约-65dBm。可见将这些能量累积并收集具有重大的社会和现实意义。

2.2 能量转换可行性测试

试验首先测试了电磁辐射能量转换和收集存储电路的能量和转换收集能力。试验时在电磁辐射能量转换和收集存储电路前方5米处利用手机屏蔽器发射扫频干扰信号。电磁辐射能量转换和收集存储电路则可以将干扰信号的能量进行累积并感应和转换，为了验证有无能量转换和存储，采用了微功耗的LED指示灯进行了试验，如图9所示。

图9 能量转换能力测试

测试过程中可见LED灯处于时亮时灭的状态，这表明的确有能量转换且被存储，并可以用来驱动LED指示灯。

2.3 能量转换能力测试

为了验证能量转换的可行性，验证能量存储模块的能量存储能力，试验时实时监测和描绘了转换的效率波形，即实时记录能量存储模块的电压波动情况，并进行图形描绘，如图10所示。

圖10 能量转换速率

由图10可见，整体转换速率较为缓慢的。主要原因在于：测试过程没有采用全频段天线，仅仅对800～3000MHz范围内的信号进行了感应，而且天线效率极低，大量的电磁能量没有得到有效的转换；超级电容较为简单。但也可以看出，文章研究的能量转换、收集和存储技术是可行的。

如果经过进一步的软硬件优化和修改，尤其是高性能的感应天线和大容量的超级电容，则可将该技术应用于各种小电压可充电电池的充电，也可广泛应用于其他场合。

3 结束语

文章研究了一种全频段电磁辐射感应电路的设计，初步探讨了电磁波能量的转换、收集和存储技术，一方面进行了能量显示和提示，另一方面也是最为重要的一个方面是实现了能量的转换和变废为宝。该研究成果还可应用于人体健康防护、居住环境电磁监测、精密仪器仪表电磁泄漏检测。