尼古拉•特斯拉和无线电力传输的未来
发布时间：2015-1-15 14:57
发布者：designapp
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在便携式电子设备和电动汽车领域中，无线电力传输，特别是用于电池充电的无线电力传输，正呈现出日益增长的市场发展趋势。尼古拉?特斯拉（Nikola Tesla）于19世纪晚期首次提出无线电力传输这一概念并充分展示了他的理论。最终目标是无需大体积的电池就能使智能手机或平板电脑或物联网(IoT)长期工作。 尼古拉?特斯拉在1905年发表的文章中写道： 人类的感觉只能使我们感知到外部世界的很小一部分。我们的听觉只能听到很短距离内的声音。我们的视觉受身体和阴影的阻碍。为了认识对方，我们必须进入我们的感觉能感知的范围内。我们在生活中必须发送信息，旅行，运输材料，传送能量。根据这个思路我们认识到，在人类的所有征服活动以及建立世界和平秩序过程中最想要的、最有用的是距离的完全消失。 特斯拉认为电力是实现距离消失结果的有效方法。只需用你的智能手机或平板电脑登上互联网就能发现“电力”通信是如何使世界变得更小并缩短距离的。我们可以立即看到全球正在发生的事件，并通过社交媒体认识全球范围内的邻居。 特斯拉对这一称为电力的神秘现象本质进一步解释说： 如果对即将到来的更大奇迹的预期不加以控制的话，那么我们对实现成果的吃惊程度将一发不可收拾。最伟大的奇迹可以表现为三个方面：信息的传播，交通运输，以及电力的传输。 电力没有传播信息吗？电动汽车、宇宙飞船和飞机没有改进我们的交通能力吗？通过射频/微波通信和无线电力传输传送电力已经成为现实，并且还在飞速发展，世界因此正变得越来越小。 长距离无线电力传输 致力于实现特斯拉对无线电力预期目标的两项主要技术是：太空太阳能(SSP)和射频标签(RFID)。 太空太阳能  太阳能波束系统概念(摘自参考文献3) 让我们看看美国能源部网站上的太空太阳能介绍。在太空中，太阳是持续发光的，而缺少空气使得太阳光非常强。在太空中部署太阳能电池板如今已成为可能，但如何将电能传回地球呢？ 微波发射卫星 位于地球上空35000km处的卫星是在对地静止轨道(GEO)上运行的。太阳能反射板可以大至3km，重量超过80000公吨，可以向一个美国城市提供数吉瓦(GW)的电力。微波电力信号使用长天线发射它们的长波长信号，因此很容易穿透地球大气层。这种辐射功率的强度并不比中午时分照射到我们身上的光更强，也不会对在原有航线飞行的鸟类或飞机造成伤害。这个系统可以正常工作，但极具挑战性，而且成本很高。地球上的整流天线(在偶极单元之间连接了射频二极管的一种偶极天线)是这种太空太阳能的首个接收设备。  无线电力传输(WPT)系统的基本设计(摘自参考文献8) 射频至直流转换模块中的二极管对天线中从太空微波信号感应到的交流电流进行整流，并产生直流电源给二极管两端连接的负载供电。收集微波波束的地面系统需要占用巨大的陆地面积。 激光器卫星  太阳能激光波束系统简图(摘自参考文献3) 安装有激光器的卫星可以在离地面400km的低轨道上运行。这些卫星要比微波卫星轻得多，而且制造成本也低得多。激光束的直径只有2米，比微波卫星的几公里要小得多。这种技术只能产生1MW至10MW的电力，因此需要同时使用一群卫星。虽然美国能源部目前没有在开发这种技术，但我们相信不久就会有替代性的方法开发出来，通过收集自然界的能量来满足未来地球上的电力需求。请密切关注这一前沿技术，我认为不用太久就会有私营企业做这方面的尝试。 地面接收机和发电站 地面发电站可以使用熔盐发电机。由于激光的光线是单色光，因此转换单元的电子结构可以针对特定光子能量进行优化，转换到电能的效率因而可以高达70%。  熔盐发电机系统(摘自参考文献3) RFID如何？ 众所周知，当我们走出商店时，如果收银员没有取消商品上的RFID标签功能，RFID标签将由射频信号供电并发出信息。通过使用闭环电力传输系统，有许多措施可以用来改善RFID电力传输效率中的距离、稳定性和对准问题。 在UHF频率，有效距离最远为3米。一些RFID系统可以长达100米以上，比如典型的高速公路收费系统。RFID Journal 宣称，使用电池广播信号、主要用于集装箱和其它大型资产的有源RFID标签可以从卫星上进行读取，前提是几乎没有射频“噪声”(可能导致干扰的环境射频能量)，广播的信号有足够的功率。 通过磁场实现电力的近场传输 位于科罗拉多州科泉市的特斯拉无线发射设备使用的是电场和电容耦合以及传输线或波导类型效应。位于纽约州长岛的特斯拉沃登克里弗塔就是用来广播的，具有无线通信功能和无线电力计划。特斯拉更关注于这种系统的无线电力能力，而不是他创建的通信功能。 在第二次世界大战期间，无线电力不请自来，借助工作在微波频率的大功率真空管(速调管)可以传输很长的距离。 在低功耗传感器网络中使用的是远场传输，在这种场合效率不是优先考虑的对象。在大功率系统和太空、工业或军事使用中的远场传输中，接收无线电力是主要目标，成本是次要的。在我们日常生活中使用的设备将效率和安全标准作为高优先等级，因此微波系统在这种场合无法良好工作。针对中等电力需求，最高数百瓦、距离为几米且工作在100MHz以下的近场无线系统可以实现更高的效率，并具有较低要求的射频暴露安全极限。使用低频磁场还可以比微波系统提供更高的等效平面波功率密度。 特斯拉实验使用电场进行近场无线传输。然而，使用磁场具有在我们周围相对缺乏磁性材料的优势。特斯拉线圈有可能电击到人，只要与人有交互操作，磁场的伤害程度就显得小很多。 与电场相比，近场磁场传输还有另外一个好处，因为它们可以穿透大多数障碍物，并且没有方向性，不像微波信号具有高度方向性，只能工作在视线范围内。 电力传输 参考文献6介绍了一个能以超过75%效率传输295W电力的系统，其中使用了一个工作在134kHz的E类放大器，线圈距离为1cm。另外还有一个中等距离的系统，可在1米的空气间隙上发送100W电力。 请参考我在2014年电子技术设计上发表的宜普增强型氮化镓无线电力传输演示系统一文。文章举例说明了在宜普(EPC)技术、Rezence一致性和无线电力联盟(WPC)支持的帮助下无线电力领域取得了怎样的进步。 参考文献7展示了在两个调谐好的谐振变压器之间使用耦合式电场在5至20米距离内传输超过500瓦电力的例子，并取得了相当高的效率。  带谐振变压器和800W测试负载的测试装置。接收线圈可以向40Wx20的测试负载提供775W电力(摘自参考文献7)。 无线电力技术和应用例子 无线电力传输的一个关键应用是物联网(IoT)中无约束的传感器、激励器和消费类微型器件的供电。  针对工作在2GHz的无线低功耗系统的推荐系统框图(摘自参考文献9) 2009年业界开发出了一个运行在低射频功率电平的2GHz无线电力系统9，它采用了一个用2.7V初始电压充电的0.8F超级电容，能够在环境功率为-25.7dBm条件下的10天后存储额外500mV的电压。 另外一个这样的系统例子是由运行在2.4GHz的电磁波远程供电的一个WID(Wireless Impedance Device)传感器。  图中是一个监视结构应力状态的无线能量发送系统，正在新墨西哥州阿尔莫萨峡谷大桥上进行现场测试。射频源被配置为发射2.4GHz的1瓦能量，可通过1.2米距离传送能量(摘自参考文献10)。 这里使用了带18和36个单元的双电压配置的两个网络整流天线。发送功率是1W，用了一个0.1F的超级电容存储电能，这个电容27秒后即可充电至3.6V。然后发送到基站进行收集数据的后处理。 在参考文献11中可以见到一个双频印刷偶极阵整流天线，它适用于2.4GHz和5.8GHz的无线传输(ISM频段)。  图中显示了双频整流天线的电路配置。电路离反射板距离17mm。(摘自参考文献11) 最后，参考文献12显示了使用相对大功率的其它应用，比如： 替换从发电站到客户的高压电力传输线缆、铁塔和变电站。由于短路和电缆问题引起的电力故障以及因地形困难而无法进入的电厂将被删除。电力盗窃也不容易做到。特斯拉的沃登克里弗塔就充分展示了这一点。  位于纽约州长岛的特斯拉187英尺沃登克里弗塔采用的就是这种系统设计(摘自参考文献12) WiTricity技术使用耦合式谐振物体。具有相同谐振频率的两个谐振物体能以非常高效的方式交换能量。  这张图显示了电磁场与WiTricity技术是如何工作的。 尼古拉?特斯拉应该感到高兴，因为无线电力传输和发电在我们这个行业具有非常美好的前景。能量收集和物联网肯定还会促进这一技术的发展。在不远的将来这个行业定会迎来快速的发展和更新。 参考文献: 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 |
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