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在便攜式電子設備和電動汽車領域中，無線電力傳輸，特別是用于電池充電的無線電力傳輸，正呈現出日益增長的市場發展趨勢。尼古拉?特斯拉（Nikola Tesla）于19世紀晚期首次提出無線電力傳輸這一概念并充分展示了他的理論。最終目標是無需大體積的電池就能使智能手機或平板電腦或物聯網(IoT)長期工作。 尼古拉?特斯拉在1905年發表的文章中寫道： 人類的感覺只能使我們感知到外部世界的很小一部分。我們的聽覺只能聽到很短距離內的聲音。我們的視覺受身體和陰影的阻礙。為了認識對方，我們必須進入我們的感覺能感知的范圍內。我們在生活中必須發送信息，旅行，運輸材料，傳送能量。根據這個思路我們認識到，在人類的所有征服活動以及建立世界和平秩序過程中最想要的、最有用的是距離的完全消失。 特斯拉認為電力是實現距離消失結果的有效方法。只需用你的智能手機或平板電腦登上互聯網就能發現“電力”通信是如何使世界變得更小并縮短距離的。我們可以立即看到全球正在發生的事件，并通過社交媒體認識全球范圍內的鄰居。 特斯拉對這一稱為電力的神秘現象本質進一步解釋說： 如果對即將到來的更大奇跡的預期不加以控制的話，那么我們對實現成果的吃驚程度將一發不可收拾。最偉大的奇跡可以表現為三個方面：信息的傳播，交通運輸，以及電力的傳輸。 電力沒有傳播信息嗎？電動汽車、宇宙飛船和飛機沒有改進我們的交通能力嗎？通過射頻/微波通信和無線電力傳輸傳送電力已經成為現實，并且還在飛速發展，世界因此正變得越來越小。 長距離無線電力傳輸 致力于實現特斯拉對無線電力預期目標的兩項主要技術是：太空太陽能(SSP)和射頻標簽(RFID)。 太空太陽能 太陽能波束系統概念(摘自參考文獻3) 讓我們看看美國能源部網站上的太空太陽能介紹。在太空中，太陽是持續發光的，而缺少空氣使得太陽光非常強。在太空中部署太陽能電池板如今已成為可能，但如何將電能傳回地球呢？ 微波發射衛星 位于地球上空35000km處的衛星是在對地靜止軌道(GEO)上運行的。太陽能反射板可以大至3km，重量超過80000公噸，可以向一個美國城市提供數吉瓦(GW)的電力。微波電力信號使用長天線發射它們的長波長信號，因此很容易穿透地球大氣層。這種輻射功率的強度并不比中午時分照射到我們身上的光更強，也不會對在原有航線飛行的鳥類或飛機造成傷害。這個系統可以正常工作，但極具挑戰性，而且成本很高。地球上的整流天線(在偶極單元之間連接了射頻二極管的一種偶極天線)是這種太空太陽能的首個接收設備。 無線電力傳輸(WPT)系統的基本設計(摘自參考文獻8) 射頻至直流轉換模塊中的二極管對天線中從太空微波信號感應到的交流電流進行整流，并產生直流電源給二極管兩端連接的負載供電。收集微波波束的地面系統需要占用巨大的陸地面積。 激光器衛星 太陽能激光波束系統簡圖(摘自參考文獻3) 安裝有激光器的衛星可以在離地面400km的低軌道上運行。這些衛星要比微波衛星輕得多，而且制造成本也低得多。激光束的直徑只有2米，比微波衛星的幾公里要小得多。這種技術只能產生1MW至10MW的電力，因此需要同時使用一群衛星。雖然美國能源部目前沒有在開發這種技術，但我們相信不久就會有替代性的方法開發出來，通過收集自然界的能量來滿足未來地球上的電力需求。請密切關注這一前沿技術，我認為不用太久就會有私營企業做這方面的嘗試。 地面接收機和發電站 地面發電站可以使用熔鹽發電機。由于激光的光線是單色光，因此轉換單元的電子結構可以針對特定光子能量進行優化，轉換到電能的效率因而可以高達70%。 熔鹽發電機系統(摘自參考文獻3) RFID如何？ 眾所周知，當我們走出商店時，如果收銀員沒有取消商品上的RFID標簽功能，RFID標簽將由射頻信號供電并發出信息。通過使用閉環電力傳輸系統，有許多措施可以用來改善RFID電力傳輸效率中的距離、穩定性和對準問題。 在UHF頻率，有效距離最遠為3米。一些RFID系統可以長達100米以上，比如典型的高速公路收費系統。RFID Journal 宣稱，使用電池廣播信號、主要用于集裝箱和其它大型資產的有源RFID標簽可以從衛星上進行讀取，前提是幾乎沒有射頻“噪聲”(可能導致干擾的環境射頻能量)，廣播的信號有足夠的功率。 通過磁場實現電力的近場傳輸 位于科羅拉多州科泉市的特斯拉無線發射設備使用的是電場和電容耦合以及傳輸線或波導類型效應。位于紐約州長島的特斯拉沃登克里弗塔就是用來廣播的，具有無線通信功能和無線電力計劃。特斯拉更關注于這種系統的無線電力能力，而不是他創建的通信功能。 在第二次世界大戰期間，無線電力不請自來，借助工作在微波頻率的大功率真空管(速調管)可以傳輸很長的距離。 在低功耗傳感器網絡中使用的是遠場傳輸，在這種場合效率不是優先考慮的對象。在大功率系統和太空、工業或軍事使用中的遠場傳輸中，接收無線電力是主要目標，成本是次要的。在我們日常生活中使用的設備將效率和安全標準作為高優先等級，因此微波系統在這種場合無法良好工作。針對中等電力需求，最高數百瓦、距離為幾米且工作在100MHz以下的近場無線系統可以實現更高的效率，并具有較低要求的射頻暴露安全極限。使用低頻磁場還可以比微波系統提供更高的等效平面波功率密度。 特斯拉實驗使用電場進行近場無線傳輸。然而，使用磁場具有在我們周圍相對缺乏磁性材料的優勢。特斯拉線圈有可能電擊到人，只要與人有交互操作，磁場的傷害程度就顯得小很多。 與電場相比，近場磁場傳輸還有另外一個好處，因為它們可以穿透大多數障礙物，并且沒有方向性，不像微波信號具有高度方向性，只能工作在視線范圍內。 電力傳輸 參考文獻6介紹了一個能以超過75%效率傳輸295W電力的系統，其中使用了一個工作在134kHz的E類放大器，線圈距離為1cm。另外還有一個中等距離的系統，可在1米的空氣間隙上發送100W電力。 請參考我在2014年電子技術設計上發表的宜普增強型氮化鎵無線電力傳輸演示系統一文。文章舉例說明了在宜普(EPC)技術、Rezence一致性和無線電力聯盟(WPC)支持的幫助下無線電力領域取得了怎樣的進步。 參考文獻7展示了在兩個調諧好的諧振變壓器之間使用耦合式電場在5至20米距離內傳輸超過500瓦電力的例子，并取得了相當高的效率。 帶諧振變壓器和800W測試負載的測試裝置。接收線圈可以向40Wx20的測試負載提供775W電力(摘自參考文獻7)。 無線電力技術和應用例子 無線電力傳輸的一個關鍵應用是物聯網(IoT)中無約束的傳感器、激勵器和消費類微型器件的供電。 針對工作在2GHz的無線低功耗系統的推薦系統框圖(摘自參考文獻9) 2009年業界開發出了一個運行在低射頻功率電平的2GHz無線電力系統9，它采用了一個用2.7V初始電壓充電的0.8F超級電容，能夠在環境功率為-25.7dBm條件下的10天后存儲額外500mV的電壓。 另外一個這樣的系統例子是由運行在2.4GHz的電磁波遠程供電的一個WID(Wireless Impedance Device)傳感器。 圖中是一個監視結構應力狀態的無線能量發送系統，正在新墨西哥州阿爾莫薩峽谷大橋上進行現場測試。射頻源被配置為發射2.4GHz的1瓦能量，可通過1.2米距離傳送能量(摘自參考文獻10)。 這里使用了帶18和36個單元的雙電壓配置的兩個網絡整流天線。發送功率是1W，用了一個0.1F的超級電容存儲電能，這個電容27秒后即可充電至3.6V。然后發送到基站進行收集數據的后處理。 在參考文獻11中可以見到一個雙頻印刷偶極陣整流天線，它適用于2.4GHz和5.8GHz的無線傳輸(ISM頻段)。 圖中顯示了雙頻整流天線的電路配置。電路離反射板距離17mm。(摘自參考文獻11) 最后，參考文獻12顯示了使用相對大功率的其它應用，比如： 替換從發電站到客戶的高壓電力傳輸線纜、鐵塔和變電站。由于短路和電纜問題引起的電力故障以及因地形困難而無法進入的電廠將被刪除。電力盜竊也不容易做到。特斯拉的沃登克里弗塔就充分展示了這一點。 位于紐約州長島的特斯拉187英尺沃登克里弗塔采用的就是這種系統設計(摘自參考文獻12) WiTricity技術使用耦合式諧振物體。具有相同諧振頻率的兩個諧振物體能以非常高效的方式交換能量。 這張圖顯示了電磁場與WiTricity技術是如何工作的。 尼古拉?特斯拉應該感到高興，因為無線電力傳輸和發電在我們這個行業具有非常美好的前景。能量收集和物聯網肯定還會促進這一技術的發展。在不遠的將來這個行業定會迎來快速的發展和更新。 參考文獻: 1 Nikola Tesla, The transmission of electrical energy without wires as a means for furthering peace, Elect. World Eng., pp. 21–24, Jan. 1905. 2 Harvesting Wireless Power, Christopher R. Valenta, Electro-Optical Systems Laboratory, Georgia Tech Research Laboratory and Gregory D. Durgin,Dept. of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of technology, IEEE Microwave Magazine June 2014 3 Solar Power Beaming: From Space to Earth, A.M. Rubenchik, J.M. Parker, R.J. Beach and R.M. Yamamoto, Lawrence Livermore National Laboratory, May 4, 2009. 4 An RFID-Based Closed-Loop Wireless Power Transmission System for Biomedical Applications, Kiani and Ghovanloo, IEEE Circuits and Systems, April 2010 5 Wireless Power Transmission: From Far Field to Near Field, Jaime Garcia, Raul A. Chinga, Jenshan Lin, Proceedings of IEEE, Vol.101 No.6, June 2013 6 Design and test of a high-power, high-efficiency, loosely coupled planar wireless power transfer system, Z. N. Low, R. A. Chinga, R. Tseng, and J. Lin, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no. 5, pp. 1801–1812, May 2009. 7 Efficient Wireless Transmission of Power Using Resonators with Coupled Electric Fields, Leyh, Kennan, Nevada Lighting Laboratory, IEEE 2008 8 Wireless Power Transmission Technologies and Applications, Lakhal, Dhieb, Ghariani, Lahiani, Laboratory of Electronics and Technologies Information (LETI), Tunisia, December 2013 9 Design of a Cellular Energy-Harvesting Radio, C. Mikeka and H. Arai, Proceedings of the second EuWT Conference, Sept. 28-29, 2009, Rome, Italy, pp 73-76. 10 RF Energy Transmission for a Low-Power Wireless Impedance Sensor Node, K.M. Farinholt, G. Park and C.R. Farrar, IEEE Sensors Journal, vol. 9, no. 7, July 2009, pp 793-800. 11 A high-efficiency dual-frequency rectenna for 2.45 and 5.8 GHz wireless power transmission, Y.-H. Suh and K. Chang, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 50, no. 7, Jul. 2002, pp 1784-1789. 12 Wireless Transmission of Electrical Power Overview of Recent Research & Development, S. K. Singh, T. S. Hasarmani, and R. M. Holmukhe, International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol.4, No.2, April 2012 |
