无线输电技术
无线输电技术研究现状及应用前景
产生高频振荡电流，通过发射线圈向外发射电磁波，在周围形成非辐射 磁场，即将电能转换成磁场；当接收装置的固有频率与收到的电磁波频 率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换， 从而实现电能的高效传输。在能量传输的过程中，电磁波的频率越高其 向空间辐射能量就越大，传输的效率也就越高。
图 2 基于电磁共振的无线输电系统框图 1.3 远场辐射式无线输电系统 远场一般指远远大于装置尺寸的几千米以上的传输距离。只要合 理设计接收机形状，采用高精度定向天线或高质量的平行激光束就可 实现远距离传能。通过无线电波可以在微波范围内实现能量定向传输， 接收端采用硅整流二极管天线可将微波能量转换回电能。在人体允许 的能量密度 1mW/cm2 范围内，在直径为 10km 的空间中，传递能量可达 750MW。无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小。因此，可以利用 微波或激光来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发和利用、解决 未来能源短缺等问题有着重要意义。随着经济和社会的发展,能源消耗 越来越大, 环境污染和电力需求的迅速增长使得人们越来越重视可再 生能源的发展。其中太阳能以其能量高，取之不尽，用之不竭，全天候供 应成为能量的最理想来源之一。 2.无线输电研究现状 2.1 国外研究现状 国外对无线电能传输技术的研究较早，早在 20 世纪 70 年代中期 就出现了无线电动牙刷，随后发布了几项有关这类设备的美国专利。20 世纪 90 年代初期，新西兰奥克兰大学对感应耦合功率传输技术（ICPT） 进行研究，经过十多年的努力，该技术在理论和实践上已经获得重大突 破。研究主要集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下工作的设备的供 电问题，如电动汽车、起重机、手提充电器、电梯、传送带、运货行车，以 及水下、井下设备。其能量等级、距离、效率等指标都在不断提高，目前 实用设备己达 200kW、数千米的传输距离和 85％的以上的传输效率。 1995 年 1 月，美国汽车工程协会根据 Magne- chargeTM 系统的设计，制 订了在美国使用非接触感应电能传输技术进行电动汽车充电的统一标 准—— —SAEJ.1773[4]。 通过对近年来国外无接触功率传输理论与实验的研究成果发现， 目前无接触功率传输的研究绝大部分是近距离传输方面的研究，国外 对带气隙的变压器模型的理论分析和应用设计已有不少成果，且有部 分成果已经得到了实际应用，而对于远距离的无接触功率传输的研究， 国外直到近几年才有相关实验成果的报道。如美国麻省理工学院的马 林·索尔贾希克教授及其团队在 2006 年用所谓的“电磁共振原理”成功 将 2.13m 外的 60W 的灯泡点亮。2008 年 9 月美国内华达州的雷电实验 室成功的将 800W 电力无线传输到 5m 远的距离，日本也研究出远距离 提供 30W 功率的实验装置。 2.2 国内研究现状 国内在无线输电技术方面研究还处于起步阶段，近年来，中科院院 士严陆光和西安交通大学的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术 进行研究。重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自 2001 年便开始了对国内外非接触式电能接入技术相关基础理论与实用 技术的密切跟踪和研究，并与国际上在该领域研发工作处于领先水平 的新西兰奥克兰大学波依斯教授为首的课题组核心成员 Patrick Aiguo Hu 博士进行了深层次的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有 了较大的突破。2007 年 2 月，课题组攻克了非接触感应供电的关键技术 难题，建立了完整的理论体系，并研制出了非接触 （下转第 123 页）
无线供电
方便安全的新技术
01 定义
03 分类 05 无线充电
目录
02 历史 04 技术
无线供电，是一种方便安全的新技术，无需任何物理上的连接，电能可以近距离无接触地传输给负载。实际 上近距离的无线供电技术早在一百多年前就已经出现，而我们生活中的很多小东西，都已经在使用无线供电。也 许不远的未来，我们还会看到远距离和室内距离的无线供电产品，而不会看到电线杆和高压线，“插头”也将会 变成一个历史名词。
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定义
无线供电，无线能量传输或称无线电力传输是一种不经由电导体将电力能量从发电装置或供电端转送到电力 接收装置的技术。无线能量传送是一个通称，当中可使用多种不同技术达成，包括电场、磁场及电磁波。发射器 把电能转换成相对应场的能量状态，传输经过一空间后由一个或多个接收器接收并转换回为电能。
历史
美国无线电力公司在2009年的全球科技、娱乐及设计大会（TED Global）上，成功利用线圈共振原理实现无 线输电，为两台手机隔空充电，并开启了一台没有接电线的电视机。
无线充电
无线充电，又称作感应充电、非接触式感应充电，是利用近场感应，也就是电感耦合，由供电设备（充电器） 将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运作之用。基本上由于充电器 与用电装置之间以电感耦合传送能量，两者之间不需使用电线连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电 接点外露。那样就比有线充电更为方便。
技术
技术上，无线输电技术与无线电通讯中所用发射与接收技术并无本质区别。但是前者着眼于传输能量，而非 附载于能量之上的信息。无线输电技术的最大困难在于无线电波的弥散与不期望的吸收与衰减。对于无线电通讯， 无线电波的弥散问题甚至不一定是件坏事，但是却可能给无线输电带来严重的传输效率问题。一个办法是使用微 波甚至激光传输，理论上，无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小。亦有人担心此项技术可能给人带来的 健康风险，虽然尚无太多证据证实或者否定这种风险，有实验将几代动物暴露于微波及比之更强的辐射环境，并 未发现对健康造成任何影响。
无线输电历史
长程无线输电尽管拥有诱人的前景，但至今仍未形成较好的实用价值 另一方面，随着近十年来移动设备的发展，短程无线输电以无线充电的 形式成为新的研究热门
此后，无线输电技术长期只存在于构想之中。 直到近二十年，各方面的实验才陆续有所进展。 2001年5月16日，一位从事太空研究的工程师居伊· 皮尼奥莱在非洲留尼汪岛西 南部的格朗巴桑大峡谷进行了一场特殊的实验：利用微波进行长距离无线输 电。一部发电机发出的电能首先通过磁控管被转变为电磁微波，再由微波发 射器将微波束送出，40米外的接收器将微波束接收后由变流机转换为电流， 然后将电灯泡点亮。 2015年3月8日，日本宇宙航空研究开发机构成功进行了微波无线输电实验。 研究人员利用微波，将1.8千瓦电力（足够用来启动电水壶）以无线方式，精 准地传输到55米距离外的一个接收装置，接收装置则将这种“无线电”转换 为直流电。
尼古拉.特斯拉的无线传输电能到底是什么技术？
尼古拉.特斯拉的⽆线传输电能到底是什么技术？⽆线输电并不是这些年才冒出来的新技术，在上世纪80年代的⼀些科普图书中就有⽆线输电技术的介绍。
这种⽆线输电的原理很简单，就是将电能通过发射线圈转为电磁波向外发射，然后被远处⼀个接收线圈接收该电磁波，并将其转换成电能输送给负载使⽤。
下⾯我们通过⼀个简单的⽆线输电模块电路来详细介绍⼀下⽆线输电的⼯作原理。
▲成品的⽆线输电收发模块。
上图是⼀款市售的成品⽆线输电模块，其分为发射模块和接收模块两部分，发射模块带的线圈为发射线圈，负责向外发射电磁波能量。
接收模块带的线圈为电磁波接收线圈，其作⽤就是接收发射线圈发出的电磁波，并将其转换成电能。
▲⽆线发射模块电路原理图。
⽆线发射模块⼀般由振荡电路及谐振回路组成。
振荡电路将电源供给的能量转换成数⼗KHz以上的⾼频交流信号，通过驱动电路驱动发射线圈向外发射电磁波。
由于发射线圈两端⼀般并联由谐振电容（谐振频率⼀般与振荡电路的振荡频率相同），故发射线圈向外发出的是某⼀频率的电磁波信号。
▲⽆线接收模块电路原理图。
上图是⽆线接收模块的电路原理图。
输⼊端的线圈为接收线圈，与之并联的电容为谐振电容，当接收线圈周围存在着与其谐振频率相同的电磁波信号时，线圈两端将产⽣感应电流，该电流经⼆极管整流及电容滤波后即可转为直流电压，然后再通过电源管理IC的升降压及稳压处理后，即可变为负载所需的电压供负载使⽤。
这就是⽆线输电的基本⼯作原理。
⽆线输电技术⾮常有⽤，譬如⽤来给⼿机等数码产品充电，⼿机只要内置⽆线接收模块即可省略充电线，这样也就避免了频繁插拔充电线导致⼿机USB端⼝损坏。
若将鱼缸内的LED装饰灯安装上⽆线接收模块，这样隔着鱼缸即可给LED灯供电，省略了电源线，鱼缸移动和放置都更⽅便⼀些。
无线电能传输技术
所谓无线电能传输，就是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。
无线输电分为：电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式。
电磁感应可用于低功率、近距离传输；电磁共振适于中等功率、中等距离传输；电磁辐射则可用于大功率、远距离传输。
近年来，一些便携式电器如笔记本电脑、手机、音乐播放器等移动设备都需要电池和充电。
电源电线频繁地拔插，既不安全，也容易磨损。
一些充电器、电线、插座标准也并不完全统一，这样即造成了浪费，也形成了对环境的污染。
而在特殊场合下，譬如矿井和石油开采中，传统输电方式在安全上存在隐患。
孤立的岛屿、工作于山头的基站，很困难采用架设电线的传统配电方式。
在上述情形下，无线输电便愈发显得重要和迫切，因而它被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。
在此旨在阐述当前的技术进展，分析无线输电原理。
1 无线电能传输技术的发展历程最早产生无线输能设想的是尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)，因而有人称之为无线电能传输之父。
1890年，特斯拉就做了无线电能传输试验。
特斯拉构想的无线电能传输方法是把地球作为内导体，把地球电离层作为外导体，通过放大发射机以径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8 Hz的低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。
最终因财力不足，特斯拉的大胆构想没能实现。
其后，古博(Goubau)、施瓦固(Sohweing)等人从理论上推算了自由空间波束导波可达到近100％的传输效率，并随后在反射波束导波系统上得到了验证。
20世纪20年代中期，日本的H.Yagi和S.Uda发明了可用于无线电能传输的定向天线，又称为八木一宇田天线。
20世纪60年代初期雷声公司(Raytheon)的布朗(W.C.Brown)做了大量的无线电能传输研究工作，从而奠定了无线电能传输的实验基础，使这一概念变成了现实。
在实验中设计了一种效率高、结构简单的半波电偶极子半导体二极管整流天线，将频率2.45GHz的微波能量转换为了直流电。
无线电能传输原理
无线电能传输原理无线电能传输是指通过无线电波将能量从一个地点传输到另一个地点的技术。
这种技术在现代社会中得到了广泛的应用，涉及到诸如手机充电、电动汽车充电、医疗设备供电等多个领域。
无线电能传输的原理是基于电磁感应和共振现象，通过这两种物理现象实现能量的传输。
首先，无线电能传输的基本原理是利用电磁感应实现能量的传输。
当一个电流通过一个线圈时，会产生一个磁场，而当另一个线圈处于这个磁场中时，它会感应出电流。
这就是电磁感应的基本原理。
在无线电能传输系统中，一个线圈被连接到电源，产生一个磁场，而另一个线圈则处于这个磁场中，从而感应出电流，实现能量的传输。
其次，共振现象也是无线电能传输的重要原理。
共振是指当一个系统的振动频率与另一个系统的振动频率相同时，就会发生共振现象。
在无线电能传输系统中，发射端和接收端的线圈都被设计成共振系统，它们的振动频率相同。
这样一来，当发射端的线圈产生磁场时，接收端的线圈就会发生共振，从而实现高效能量传输。
无线电能传输技术的发展离不开电磁学和电磁场理论的支持。
通过对电磁场的研究，科学家们不断改进无线电能传输系统的设计，使其能够实现更远距离、更高效率的能量传输。
同时，无线电能传输技术也受到了材料科学和工程技术的影响，新型材料的应用使得无线电能传输系统更加轻便、高效。
在实际应用中，无线电能传输技术可以解决诸如手机充电、电动汽车充电、医疗设备供电等问题。
通过无线电能传输，人们可以摆脱传统充电器的束缚，使得设备更加便携和灵活。
同时，无线电能传输技术也为新能源汽车的发展提供了可能，通过无线电能传输技术，电动汽车可以更加便捷地进行充电，为环保出行提供了更多可能。
总的来说，无线电能传输技术是一种基于电磁感应和共振现象的能量传输技术，它的发展离不开电磁学、材料科学和工程技术的支持。
通过无线电能传输技术，人们可以实现更加便捷、高效的能量传输，为现代社会的发展提供了更多可能。
随着科学技术的不断进步，相信无线电能传输技术会在更多领域得到应用，为人们的生活带来更多便利。
无线输电技术发展及应用
无线输电技术发展及应用从2007 年美国麻省理工学院成功完成无线电力传输实验开始，人类更加深刻地认识到了无线输电已不再是梦想。
无线输电这项前沿技术被认为是今后电力科技的发展方向，必将带来人类生活和生产方式的重大变革，有着巨大的市场和发展前景。
其中一个重要应用领域是电动汽车无线充电，短期内，静态无线充电技术有望应用于泊车自动充电。
从长期来说，动态无线充电可以为电动汽车在行驶途中进行充电，使得电动汽车可以边行驶边充电。
这将从根本上解决电动汽车充电难题，加速电动汽车普及。
另外无线输电技术还有许多其他应用领域，如家用电器、工业机器人、医疗器械、航空航天、油田矿井、水下作业、无线传感器网络及RFID 等方面。
1 国内外无线输电技术研究现状1.1 国外研究现状19 世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”的尼古拉·特斯拉，在电气与无线电技术方面做出了突出贡献，他也曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，早在1899 年，特斯拉在纽约长岛建造了无线电能发射塔（沃登克里弗塔），设想利用地球本身和大气电离层为导体来实现大功率长距离的无线电能传输，该塔矗立在纽约长岛的特斯拉无线电力传输实验室内，塔高57 m，球形塔顶直径为21 m。
特斯拉想用它来实现全球无线电力传输，可惜由于资金缺乏，这个塔最终并未建成。
2001 年5 月，国际无线电力传输技术会议在法属留尼汪岛召开期间，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，利用微波无线传输电能点亮40 m 外一个200 W 的灯泡。
其后，2003 年在岛上建造的10 kW 试验型微波输电装置，已开始以2.45 GHz 频率向接近lkm 的格朗巴桑村进行点对点无线供电。
2007 年6 月，美国麻省理工学院宣布利用电磁共振技术成功地点亮了一个离电源约2 m 远的60 W电灯泡，该研究小组在实验中使用了2 个直径为60 cm的铜线圈，铜线半径为3 mm，通过调整发射频率使2个线圈在10.56±0.3 MHz 产生共振，效率达到40％。
探秘无线输电技术
探秘无线输电技术作者：高峰来源：《阅读（科学探秘）》2020年第08期近年来，一些科研工作者和相关产业界人士尝试通过无线的方式来实现电能的传输，日本科研人员在这一方面取得了巨大的进展。
2019年，在日本神户港三菱重工业公司下属的神户造船所内，研究人员开创性地使用了一块高13米、宽8米的平板型无线送电设备，成功地将10千瓦的电力转换为电波后，发送至距离500米外的无线受电装置，点亮了与无线受电装置相连接的蓝色LED灯泡。
同年，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）也运用其他方式，成功地通过电波以无线传输的方式，将1.8千瓦的电力传输至距离55米外的接收装置。
这一系列试验的成功，标志着地面上的无线输电技术已經越来越接近实用化阶段。
那么，无线输电技术的实用化究竟将为人们的生产生活带来哪些便利呢？众所周知，在全世界所有用于架设高压电线的高大铁塔顶端，都加装有一个永远闪烁着红色光芒的航空障碍灯，用来为飞机等航空器提供飞行障碍警示。
但很多人不知道的是，由于这些航空障碍灯本身并不能直接使用高压电线所输送的高压电，必须在电塔上为其另外单独架设一条低压电线以提供电力。
多数情况下，这条低压电线的长度大约在500～1000米，所提供的电力约为10千瓦。
而这与神户港试验所达到的输电距离和能力几乎一致。
因此，目前比较乐观的估计是，在未来5年之内，无线输电技术就能够取代上述低压电线的架设。
过去，当电塔和高压电线被地震、霜冻、暴雪等自然灾害破坏后，由于抢修电塔和重新架设高压电线的工程既费力又费时，因此如何尽快恢复断电地区的电力供应，往往成为抢险救灾过程中的一大难题。
而在未来，随着无线输电技术的输电能力的进一步提高，人们完全可以使用直升机将无线送电设备和受电设备吊装至断电地区，从而通过无线输电的方式来实现紧急供电。
此外，当前被视为主要新型能源技术之一的海上风力发电，在未来也完全有可能直接以无线输电的方式，将远离海岸线的海上风力发电机组所产生的电力传输至陆地，而无须铺设海底电缆，从而大幅削减建设和维护的经济成本。
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无线输电技术引领未来五到十年无线网络的发展
摘要:无线输电作为一种特殊的输电方式,利用无线电传输电力能量,相对于传统的输电在特定的场合有其突出的优势,发展前景十分美好。
展望了其在生活、医学、偏远地区供电、军事以及太阳能空间发电站等多种特殊场合的应用,来说明了无线输电的重要性以及无线输电存在的传输效率低等亟待解决的问题。
虽然无线输电的普及应用目前受到各方面因素的限制,但其仍然具有广阔的发展前景。
所以未来5-10年内无线输电技术应用广泛。
关键词:无线输电难以架设线路或危险的地方侦察卫星定向能武器电能输送问题无塔电视台卫星太阳能电站
无线输电技术应用领域
无线输电技术一般用于特殊的场合,具有广阔的应用前景。
1)给一些难以架设线路或危险的地区供应电能
高山、森林、沙漠、海岛等地的台站有时遇到架设线路困难的问题,而工作在这些地方的边防哨所、无线电导航台、卫星监控站、天文观测点等需要生活和工作用电,无线输电可补充电力不足。
此外,无线输电技术还可以给游牧等分散区村落无变压器供电和给用于开采放射性矿物、伐木的机器人供电。
2）医学上的应用
目前很多疾病的治疗需要在人体中植入电子设备,比如心脏起搏器等。
但如果这些电子设备在运行过程中电能被消耗完,病人再去做手术取出来或是换电池将是一件非常麻烦而且危险的事情。
无线输电技术在这方面可以大显身手。
利用无线输电技术,不用对病人做手术即可对人体内的电子设备充电,从而延长其使用期限,减少了不必要的麻烦。
3）在日常生活中的应用
如果无线输电技术能够得以成熟应用,可能会引起一场家居革命。
将发射端隐藏在天花板上,房间里的各种电气设备便可接收无线电能。
杂乱如麻的电线和插板将不复存在,而且一次性非充电电池的使用量也会大为减少,对节约资源和保护环境都非常有利。
各大公共场所都会安装无线充电设备,就不会出现没带充电器而不知所措的问题。
电车也不必到充电站进行充电,而且也会减少因蓄电池没电
而停止运行的情况。
4）在军事上的应用
加电或拯救低轨道军用侦察卫星
低轨道军用侦察卫星进入地球阴影区时,太阳能电池不再工作,这时蓄电池起作用。
由于现代侦察设备的复杂性和侦察手段的多样性,单凭蓄电池供应的电力往往不足,不能完成预期的军事侦察任务。
为了解决这一问题,俄罗斯科学家提出在地面上建立一系列无线供电点,当同步卫星飞掠自己国土上方时,给它们不断供电。
另一方面,随着高功率微波和激光武器反卫星技术的出现,太阳能电池板处于暴露状态,最容易受到损伤,无线输电技术可以解决太阳能电池出故障时的电能供给问题,挽救失去功能的卫星。
保障天基定向能武器系统的电力
定向能武器———微波武器、激光武器和粒子束武器是继核武器之后的高新技术武器,其主要用途是进行软杀伤,即破坏C4I系统中敏感的电子元器件,使其失灵或失效,以达到制胜对方的目的。
近些年来,微波武器、激光武器反导弹、反卫星技术受到世界许多国家的重视,特别是美国和俄罗斯,这方面的资金投入和技术遥遥领先。
从原理分析,在近地表空间使用定向能武器来杀伤大气层外的目标将遇到不可逾越的困难,这是因为空气分子要与高功率电磁射束发生相互作用和大气密度的不均匀性,使得传输的能流密度受到了限制,导致武器发挥不了应有的作用。
因此,若能在外层空间建立定向能武器基地,自然的超高真空状态提供了极好的条件。
除了核燃料是可供选择的能源外,借助于无线输电技术,卫星太阳能电站可作为天基定向能武器的初级能源基地。
4)解决地面太阳能电站、水电站、风力电站、原子能电站的电能输送问题
我国的新疆、西藏、青海等地降雨量少、日照充足(年日照时间3000h)、存在大片荒芜土地,有利于建造地面太阳能发电站。
可是,这些地区人烟稀少、地形复杂,架设线路比较困难。
利用无线输电技术,可以建立一系列微波中继站,将电能输送到便于架设线路的地方后再归入有线电网。
又如我国云南等地水力、风力资源丰富,但在崇山峻岭之中难以架设线路,无线输电技术就有了用武之地。
采用无线输电技术,可把核电站建在沙漠、荒岛等地。
这样一方面便于埋葬核废料,另一方面当电站运行发生故障时也可以避免对周围动植物的大量伤害和耕地的污染。
5)应用于空间太阳能发电
空间太阳能发电,即在地球外层空间建立太阳能发电基地,通过微波将电能送回地球。
一般有两种方式,一种是太阳能电池把阳光直接转变为电能,另一种是用太阳能聚光镜把阳光聚起来作为热源,类似于热电厂发电。
空间太阳能发电站有很多优势,比如,距地球约36000km的轨道上的太阳能约为地球上的1.4倍[1],而且其发电没有昼夜交替的问题,一天24h可以持续发电。
日本拟于2020年建造试验型太阳能发电站SPS2000,2050年进入规模运行。
随着社会不断发展的需求，无线输电作为一种特殊的输电方式,在某些必要的场合能够发挥其无可比拟的优势。
基于无线输电技术原理可用于小功率、短距离的电能传送,而且其对传输效率的要求不是很高,即使效率很低也能实现其功能,因而其应用较广,发展也较快,从普通的电子设备如MP3、手机到电视、笔记本电脑、人体植入仪器等。
而对于大功率、远距离传送电能的微波或激光输电来说,传输效率是其必须要考虑的重要因素,但是目前由于受到器材、技术以及资金等多方面因素的限制,传输效率很低。
无线输电难度大,技术要求高,距离是关键,效率是问题,但随着人类科学技术的不断进步,其传输的效率将会越来越大,成本也会逐渐降低,从而使其在一些特殊场合具有无可比拟的优势,而且这一技术一旦普及,会给人们的生活带来极大便利。
总之,从长远来看,无线输电技术具有非常大的潜在应用价值。