无线输电关键技术及其应用

无线输电关键技术及其应用

曹珹

国网山西省电力公司超高压输电分公司 山西太原 030000

摘要：随着科技的快速发展，无线输电技术逐渐引起了国内外的高度关注。首先介绍了无线输电技术的背景及国内外发展现状，然后对我国无线输电技术的发展趋势和应用前景进行了分析，论述了我国发展电磁感应的短距离、磁共振的中距离、微波无线输电技术和飞秒激光长距离无线输电技术的重大科学问题和关键技术，最后针对无线输电技术在我国电力设备制造技术、输电网发展、配电网发展、智能电网和新能源利用方面的研究发展与应用进行了探讨。

关键词：无线输电技术；微波系统；电磁波发射器

引言

无线输电技术是指电流不经过电线电缆等有线设备，从发电端传送到接收端的一种新技术。电力企业如果使用了无线输电技术，就能避免架设输电线路、安装变电站等设备，从而降低成本，同时减少电在传输过程中，造成电线、变压器等电网设备浪费[1]。但是无线输电技术还未正式应用于电力传输领域，因此，相关人员要加大科研力量来发展无线输电技术，从而满足社会用电需求。

1无线输电技术的定义

1.1基于电磁感应的短距离传输技术

感应耦合电能传输技术是一种以感应耦合原理为基础的无线电能传输模式。主要以磁场做为电能传输的媒介，基于变压器疏松感应耦合的构造，通过电力电子技术提高磁场频率、降低气隙损耗，实现无线电能的传输。这种无线输电技术的特点是传输功率大，能达千瓦级别，在极近距离内效率很高，但传输效率会随传输距离增加和接收端位置变化而显著减小，所以该技术一般用于厘米级的短距离传输[2]。

1.2基于磁共振耦合的中距离传输技术

磁共振耦合无线输电技术，主要是利用发射线圈与接收线圈在系统本征频率下发生强耦合现象来实现电能的高效传输。这种传输方式可以越过某些材料和金属障碍物，在线圈直径的几倍距离内，以MHz频率的磁近场传输电能。传输效率较高，而且在传输区域内接收端的位置变化对效率不会产生显著影响。由于电力电子器件的制约，传输功率提高到千瓦级别时需要牺牲传输距离，甚至无法达到传输所需的共振频率，从而影响传输效率。

2无线输电关键技术的具体内容

2.1电磁感应原理　　

电磁感应是无线输电关键技术之一，是指电在传输的过程中，通过电磁感应原理来引起电力动势，产生电流。它类似于变压器的工作原理，主要的工作流程是：在发电模块的原边点通入交变电流，在发电模块的另一边就会由于电流的动势产生电力感应，形成感应电流。它的电流方向按照楞次定律进行，能够通过麦克斯韦电磁理论解出电流大小。相对于电磁感应而言，变压器的原边就是电流输出端，而另一边就是接收端，这样可以通过无导线连接的方式进行无线输电技术，能够大大的降低输电成本。

2.2磁耦合共振原理　　

磁耦合共振是指通过发射和接收线圈产生共振系统，从而达到输运电能的技术。它的工作原理有三点：（1）通过调整发射端的电流发射频率，来引起震动。这种震动不是弥散式的普通电波，而是一种能够转化电能，将其变为磁场，然后通过非辐射的方式发送给接收端，当接收端通过同样的原理，将电波反射回来，就能够在共振系统中形成电力回路，当接收端和发射端的固有频率相同时，电流就会传送流动。（2）这种共振效果的频繁反复，就能在感应器上聚集足够多的能量，形成动能转化电能的化学反应，从而实现无线输电。同时，没有被共振端接受的动能会被发射端吸收，在下一次转换的时候释放。（3）电波具有弥散性，非辐射性共振系统能够增加电波的弥散作用，因此，这种磁耦合共振系统不适用于长距离的无线输电，它要求系统发射端和接收端要在一定范围之内，才能发挥作用。

2.3微波无线输电原理　　

相较于以上两种无线输电技术来说，微波输电技术由于波长、具有定向性、弥散程度小的特点，能够更好的适用于远程电力传输。这种传输的过程也更加复杂，主要由电源、电磁波发射器、发射接收装置等构成。主要的工作原理是通过微波发射器，将电源变为大功率的高频电磁波，发送给天线，天线在接收到电波之后，将其输入到整流器中。整流器能够产生高电压，然后经过变电器进入有线电网。因此，整流器是微波无线输电的关键步骤，能够将大功率、高电压的电流转换为低电压、低电流。

3无线输电关键技术的应用展望

3.1在电力线路架设难度大的地方输电　　

如果想要在高山、冻土地带、沙漠等地区进行输电架设，需要非常高的技术，而且这些地区的电路维修也是非常困难，通过无线输电技术取代传统的架空线路输电，能够满足特殊地区的用电需求，同时能够保障相关人员的人身安全。无线输电技术主要有以下三个优势：（1）通过无线输电技术给一些分散的、处于深山中的用电户输送电力，能在满足用户需求的前提下，提高经济效益。（2）通过为长期在恶劣条件下的机器人进行无线输电，可以解决机器人因为电池电量耗尽，无法继续工作的问题。（3）电力系统是复杂的又庞大的集合体，因此有许多精密的仪器和零部件，这些零部件能够使供电系统正常运转，但同时也会产生断电现象，因此可以通过无线输电技术对这些零部件单独输电，从而保证平稳供电。

3.2应用于空间太阳能发电站供电　　

无线输电技术能够应用于地球外层空间输电，例如太阳能发电站。相关人员通过微波输电技术，将电波从太阳能发电基地传送到地球接收站，能够最大化的利用太阳能发电。太阳能发电站应用无线技术主要体现在两方面：（1）太阳能电池直接将光能转化为电能，利用无线输电技术实现自主供电，来维持蓄电池的工作。（2）用太阳能聚光镜将阳光收集起来，作为发电源，再通过无线输电技术传回地球。因此，通过无线输电技术进行太阳能发电传送，能够有效的解决电力来源，减少使用火力发电，节能环保。

3.3应用于日常输电　　

无线输电技术如果成功投入使用，将会引起产业变革，带动生产力发展，主要有两方面影响：（1）家居产业。在家庭电路网中，很多藏在墙里面的电线、插座等，在运用无线输电技术之后，能够省去这些电线。同时，也可以降低因为触碰开关引起的事故，极大的提高了安全性能。随着科技的发展，越来越多的家庭产品应用了无线输电技术，例如，电冰箱、电视机等。在2010年1月，第四十三届国际消费类电子产品展览会(CES展)上，海尔推出了全球首台“无尾电视”，并且宣布这台电视使用了麻省理工学院发明的无线输电技术，是利用了“磁耦合共振”原理实现了电视无线供电。（2）无线输电技术还能够应用在公共场所，比在电车。据《人民日报海外版》报道，在日本，已有科学家通过研发电磁感应输电技术，实现一定范围内有轨电车无线输电，相信在不久的将来，会有越来越多的应用电磁感应输电技术的产品出现。

4结束语

综上说述，掌握无线输电技术能够保证输电安全。在此基础上，通过使用电磁感应输电技术、取代传统的架线输电技术，能够使有轨电车完成无线输电、满足工作机器人用电；同时通过兴建太阳能发电站、使用微波技术输电能够解决电力能源问题。因此通过无线输电技术，可以解决电力传输问题。

参考文献

[1]程时杰,陈小良,王军华,文劲宇,黎静华.无线输电关键技术及其应用[J].电工技术学报,2015,30(19):68-84.DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.2015.19.011.

[2]关就.多维旋转式无线输电装置的研究与设计[D].华南理工大学,2014.