电磁感应与耦合融合的无线输电

摘 要：科技不断地在创新之中，本文提出的是基于特斯拉线圈电磁感应原理及电磁耦合原理相融合的新无线输电方案，以及将其扩展使用于太空无线输电，为人类带来取之不尽用之不竭的能源。

　关键词：无线输电；电磁耦合；特斯拉线圈；共振线圈；太空输电

　引言：随着人们对世界的探索和对知识的融汇，诞生了很多无线的高科技产品，如无线电话，蓝牙耳机，红外传输，无线鼠标……大家是否盼望电能的传输也能像电话一样开启无线的时代，相信在未来的不久输电的无线时代会逐步走进人们的生活。无线输电严格来讲就是无线电源，一切用电设备将不在需要连接电源的导线。

　无线输电优点

　电能作为一种能量，传统的电能传输主要是靠导线或导体进行输送，但是从发电，输电，变电，配电，用电在这些复杂的环节中，要使用大量的导线，杆塔，变电设备和换流设备，对电网的日常维护也是离不开的。无线输电能够省去电力输送过程中的诸多环节，使电能输送变得更为经济。而且传统的蓄电池也可以不再需要，因为无线输电可以直接将电能输送到用电设备，比如笔记本，手机，电动车……这样就可以为人们的日常生活带来了很多的方便，摆脱了电线及充电器的束缚。所以将电能输送无线化是有很大前景的。

　无线输电原理

　特斯拉无线输电：尼古拉·特斯拉这位架起电与磁之间桥梁的科学巨匠，也是最早提出无线输电的大师。他的理论是将低频高压电流转化为高频电流，然后再由空气作为传输媒介来输电。经常看到的特斯拉线圈就是能够生产出既高频又低电流的高压交流电。而且在一次记者招待会上，特斯拉做出了一个经特斯拉线圈产生的高频电流经过自己的身体，使一颗无线灯泡发亮的展示。特斯拉线圈的线路和原理都很简单，本质是一个可以获得高频电流的变压器。后来特斯拉又发明了放大发射机，也就是现在的大功率高频传输共振变压器。特斯拉把地球作为内导体，地球电离层作为外导体，通过放大发射机，这种放大发射机特有的电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起了低频共振，利用地球表面的电磁波作为媒质来传输能量。可惜特斯拉有生之年没有财力实现这一发明，在这位巨匠陨落之后，这项技术被搁置，目前此技术又被重新研究。特斯拉线圈结构如图1所示

　图1

　电磁耦合共振的无线输电：这种技术已经得到了应用，并且制造出了一些科技产品，为数码相机，手机，笔记本进行无线感应充电。既然是感应充电，需要将用电设备置于感应装置上才能对其进行充电，即充点垫。此技术尚在研究阶段，感应距离是很微小的，远远不能满足输电的要求。近日麻省理工学院的一个研究小组在2米的距离内实现了无线输电，但是传输效率只有40%。这种无线输电的原理是：采用两个耦合共振线圈，一个线圈接电源成为送电端，另外一个为接收端。让两个线圈具有相同的频率，线圈之间就可以进行电能的输送，这两个共振线圈不会被其他频率的物体所干扰，因此可以让两个耦合共振的线圈透过同一磁场传输电力，相当于开启了一个电能传输的通道。

　电磁耦合式无线输电是一种基于电磁感应原理的输电方式，可以达到输电设备与用电设备间非物理接触就可以传输电能的效果，也是目前极有可能成为无线输电的技术手段。该系统主要由三个部分组成，能量发送端，无接触变压器和能量接收端。简化图如图2所示

　图2

　由于这种系统属于疏松耦合系统，传输效率低，为了提高传输能力，初级变压器通常采用高频变压器。无接触变压器是系统中的枢纽部分，对稳定电流，高效传输起决定性作用。能量发射端由整流滤波电路，高频逆变装置和控制电路构成，与变压器的初级相连。能量接收端由输出整流滤波器和控制电路组成，与变压器次级相连。系统简化图如图3所示，耦合程度如图4所示。

　图3

　图4

　无线输电前景展望

　无线输电的科技实践，证实无线输电理论切实可行。如果将这种无线输电的方式扩展为太空输电，那么能源是取之不尽用之不竭的。太阳内部热核反应所造出的太阳能是非常巨大的，太阳每小时所释放的能量，可供人类使用5万年，然而辐射到地球的能量只有22亿分之一。若将太阳能尽可能利用，则可以解决全球因煤炭发电，引起的全球变暖问题，同时环境污染得到了有效遏制，届时人类将会用到廉价、清洁、 可持续的能源。

　由于地面受云层等天气状况的影响，不利于阳光的收集，但是太空中阳光的辐射强度是地面的15倍，从地表发射一个带有单晶硅太阳能电池板的卫星，其高度超过35800公里后没有云层遮盖，昼夜变化，四季之分，相对位置与地球保持不变。将电池板收集储存的能量通过无线输电的技术传送到地表，然后通过无线输电技术将其输送至千家万户。这将是人类能源利用的一次革命性突破，会给各科领域带来新的辉煌。其简化图如图5所示。

　结束语

　本文将特斯拉线圈的电磁感应与电磁耦合相融合，使电磁感应无线输电的低效率与电磁耦合输电的短距离相弥补。以现有的研究水平对无线输电进行了说明和推导公式的展示，以及笔者大胆建立的太空无线输电模式，希望为研究无线输电尽微薄之力。

　参考文献

　[1]曾翔，基于磁耦合共振的无线输电系统设计[J]，四川理工学院学报:自然科学版,2010,23(5)

　[2] 松浦虔士著，电力传输工程[M]，曹广益（译者），钱允琪（译者），北京科学出版社，2001

　[3] 赵相涛,无线输电技术研究现状及应用前景,2010

　[4] 李 平，谐振式无线输电的可行性研究 [ J]， 广西师范学院学报: 自然科学版, 2009, 26( 1): 107 109.

　[5] K re in Philip T. E lem en ts of Pow Electronics [M].New York: Oxford University Press, 2004.

　[6]候清江，无线供电方案及应用 2009（2）

　作者简介：

　张强，三峡大学电气与新能源学院，输电线路专业，20081484班。