无线电力传输技术的基本原理与应用高铁无线供电成为可能

一、无线电力传输的发展历史

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作出了突出贡献。他1881年发现了旋转磁场原理，并用于制造感应电动机；1888年发明多相交流传输及配电系统；1889—1890年制成赫兹振荡器；1891年发明高频变压器（特斯拉线圈），现仍广泛用于无线电、电视机及其他电子设备。他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，并在1899年演示了不用导线采用高频电流的电动机，但由于效率低和对安全方面的担忧，无线电力传输的技术无突破性进展。1901—1905年在纽约附近的长岛建造Wardenclyffe塔，是一座复杂的电磁振荡器，设想它将能够把电力输送到世界上任何一个角落，特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。

二、无线电力传输的基本原理

1.电磁感应——短程传输

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系与转化。电磁感应是电磁学中的基本原理，变压器就是利用电磁感应的基本原理进行工作的。利用电磁感应进行短程电力传输的基本原理，发射线圈L1和接收线圈L2之间利用磁耦合来传递能量。若线圈L1中通以交变电流，该电流将在周围介质中形成一个交变磁场，线圈L2中产生的感应电势可供电给移动设备或者给电池充电。

2.电磁耦合共振——中程传输

中程无线电力传输方式是以电磁波“射频”或者非辐射性谐振“磁耦合”等形式将电能进行传输。它基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电力高效传输。在电子学的理论中，当交变电流通过导体，导体的周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波的频率低于100kHz时，电磁波就会被地表吸收，不能形成有效的传输，当电磁波频率高于100kHz时，电磁波便可以在空气中传播，并且经大气层外缘的电离层反射，形成较远距离传输能力，人们把具有较远距离传输能力的高频电磁波称为射频（即RF）。将电信息源（模拟或者数字）用高频电流进行调制（调幅或者调频），形成射频信号后，经过天线发射到空中；较远的距离将射频信号接收后需要进行反调制（解调），再还原成电信息源，这一过程称为无线传输。中程传输是利用电磁波损失小的天线技术，并借助二极管、非接触IC卡、无线电子标签，等等，实现效率较高的无线电力传输。

具体来说，整个装置包含两个线圈，每一个线圈都是一个自振系统。其中一个是发射装置，与能量相连，它并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，通过发射线圈向外发射电磁波，在周围形成一个非辐射磁场，即将电能转化为磁场。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。电磁波的频率越高其向空间辐射的能量就越大，传输效率就越高。

3.微波/激光——远程传输

理论上讲，无线电波的波长越短，其定向性越好，弥散就越小。所以，可以利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发利用、解决未来能源短缺问题也有着重要意义。1968年，美国工程师彼得格拉提出了空间太阳能发电的概念。其构想是在地球外层空间建立太能能发电基地，通过微波将电能送回地球。

三、无线电力技术的应用前景无线电力传输作为一种先进的技术一般应用于特殊的场合，具有广泛的应用前景

1.给一些难以架设线路或危险的地区供应电能；2.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；3.传送卫星太阳能电站的电能；4.无接点充电插座.

四、高铁无线供电

1.目前我国高铁概况

近年来，我国高速铁路取得了迅猛发展。截至2013年年底，中国高铁客运专线达11028公里，超过了世界上其他国家高铁运营里程总和，居全球首位。据悉，在列车运行过程中主要通过弓网系统获取电能，受电弓安装在车顶，高铁列车通过受电弓滑板与接触网导线接触，在静止或滑动状态下获取电能。

要确保高铁安全，关键是处理好受电弓与接触网之间的关系，解决好高速受流问题。在高速运行状态下，高铁弓网系统存在摩擦磨损、受电弓离线、振动、打弧和恶劣环境等多方面问题，这些问题是制约高铁列车安全可靠运行的瓶颈。无线供电能很好地解决这一问题，该方式代替受电弓与接触网滑动取电的传统方式，允许存在数十厘米的工作间隙，提高了绝缘强度，避免了弓网电弧频繁出现及高速移动时材料磨损等诸多问题，从而显著提高受流质量。

该技术理论上可行，但改造铁轨工程量大，推广存在一定难度。由于列车本身沿固定路线运动，有自己独立的供电线路，该项目采用悬挂式发射线圈技术，将发射端与接收端置于列车顶部，避免了对铁轨铺设的复杂要求，能大大降低改造及维修成本。

2. 深化应用 带动产业发展提升

目前，无线供电方式还存在效率、成本等问题，是否采用无线供电，取决于是否利大于弊。

无线电能传输技术的发展也改变了医疗植入式电子系统的供电方式。采用该技术可在体外进行电能传输，为人工心脏提供能量，从而避免病人定期开刀更换电池的麻烦。

除此之外，在工业领域还可利用无线电能传输技术为移动机器人进行无线充电，在防爆、防火、水下、工矿等特种应用场合可以满足恶劣的工作环境的需求。

近年来，纯电动汽车越来越受关注，节能、环保、经济等优势使其成为未来汽车发展方向，但之所以一直难以彻底取代传统燃油汽车，是因为存在续航里程以及充电时间等难题。

大功率无线电能传输技术还可为电动汽车等交通工具提供方便的电能，在能源交通、航空航天等领域具有更为广阔的发展空间。电动汽车无线充电有两种模式，一种为静止充电，另一种为在线式无线供电，即边走边充或直接采用无线电力驱动。一旦在道路上实现在线式无线供电，电动汽车可以不再要求有动力电池，摆脱电池负担，将有力地推动纯电动汽车的大规模应用。

3. 协同研究 推动技术完美落地

据了解，无线电能传输主要利用电磁感应、电磁谐振、电磁辐射等形式实现。早在19世纪中后期，无线电能传输技术就被电气工程师尼古拉·特斯拉提出，并进行了相关的实验研究。到20 世纪80 年代，以电磁感应耦合方式为主的无线电能传输技术开始被学者们关注，并逐渐应用到电动牙刷、手机、电动汽车等产品的无线供电中。2007 年麻省理工学院马林·索尔贾希克和他的研究团队，在2米距离以无线供电方式成功点亮60瓦的灯泡，开辟了无线电能传输技术新方向。

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