微波長距離無線電能傳輸是無線輸電的一種方式。近日，中國電力科學研究院有限公司承擔的“十米級微波無線電能傳輸技術研究”項目形成原理樣機并完成了性能試驗，在國內首次實現了20米距離內電能的無線傳輸。
這種技術可在小功率、中遠距離用電場景中實現電能隔空補給，未來可為海島、峽谷、深山等人跡罕至的特殊地理環(huán)境中的電能傳輸提供技術方案。
9月10日，中國電力科學研究院儲能與電工新技術研究所蔣成博士查看了“十米級微波無線電能傳輸技術研究”項目樣機運行的數據。這些數據為研究團隊進一步提升傳輸效率和距離提供了重要支撐。
微波長距離無線電能傳輸通過將電能轉化成電波進行傳輸和接收，傳輸距離十米級，可作為傳統(tǒng)有線輸電網絡的重要輔助和補充手段?！笆准壩⒉o線電能傳輸技術研究”項目在微波長距離無線電能傳輸的多個關鍵技術上取得突破，為后續(xù)持續(xù)提升微波無線輸電的傳輸距離、傳輸效率和電磁環(huán)境安全特性，逐步實現百米級乃至千米級無線輸電技術的示范應用奠定了基礎。
選擇合適的輸電頻率
在微波半暗室里，發(fā)射端與接收端兩點一線，相隔20米，隨著微波無線電能傳輸系統(tǒng)的啟動，電能以微波形式無線輸送……這是十米級微波無線電能傳輸原理樣機的一次實驗現場。
“無線電能傳輸技術大致可以分為電磁感應式、磁共振式、電場耦合式和微波/激光等。我們這個項目利用的就是微波的方式。”團隊負責人魏斌博士介紹。
項目研制的微波無線電能傳輸系統(tǒng)樣機傳輸距離是十米級。研究人員首先要解決的問題是，選擇最適合樣機的無線輸電使用頻率。
當前，國際通信聯(lián)盟規(guī)定的可自由開發(fā)的頻段有12個，主要開放給工業(yè)、科學和醫(yī)學機構使用。研究人員考慮到微波源小型化以及大氣衰減等因素，最終確定了實驗頻段。
研究團隊按照一定的發(fā)射功率要求選擇頻率，避免對其他頻段造成干擾。同時，這個頻段對微波源的體積要求不是很高，微波傳輸效率在國際通信聯(lián)盟開放的頻率中是最高的。這為團隊的實驗打下了基礎。
在電能發(fā)、傳、收中解決問題
“我們這套微波無線電能傳輸系統(tǒng)主要包含微波源、發(fā)射天線、整流天線、負載4個部分。電能通過微波源轉成微波能，經發(fā)射天線發(fā)射、整流天線收集整流后供給負載?！?月8日，蔣成博士介紹了實驗中的電能傳輸過程。
2019年1月，中國電科院與國內4家科研院校和企業(yè)單位組成技術團隊，在千瓦級微波源小型化（發(fā)射層面）、低衍射高聚焦天線設計方法（傳輸層面）、分區(qū)陣列的整流網絡設計方法（接收層面）等方面開展技術攻關，目的是在實驗室環(huán)境下實現20米距離的無線電波輸電。
在發(fā)射層面，研發(fā)團隊設計了具備放大功能的高功率密度微波電子管，并采用雙曲超材料設計了高頻電磁波轉化裝置，實現了低開啟電壓、高功率密度的小型化微波源，解決了傳統(tǒng)大功率微波源小型化、輕量化的實際應用問題。
在傳輸層面，研發(fā)團隊提出了基于高增益微波無衍射的遠距離聚焦方法：通過陣列孔徑場相位控制及綜合優(yōu)化，突破微波無線電能傳輸系統(tǒng)遠距離聚焦的技術瓶頸，解決了傳統(tǒng)收發(fā)天線之間電磁波遠距離傳輸彌散損耗大、無線輸電效率低的問題。
在接收層面，研發(fā)團隊提出了基于氮化鎵二極管分區(qū)分子陣的高效整流網絡設計方法：根據接收陣列表面的功率分布進行分區(qū)和子陣分解，通過優(yōu)化設定合適的子陣數量和各子陣所得功率，確定子陣功率邊界和分布情況，保證各路整流的最佳功率匹配，解決傳統(tǒng)接收整流陣列表面功率密度分布差異化造成的整流效率低下問題。
同時，項目采用第三代半導體氮化鎵二極管作為大功率整流管，使單路整流電路在1瓦到2瓦之間效率最大化，為提升實驗傳輸效率做好充分準備。
為特殊環(huán)境輸電提供技術方案
8月26日，十米級微波無線電能傳輸技術研究項目通過國家電網有限公司專家組驗收，實現了20米內千瓦級功率的隔空輸電。
“基于取得的研究成果，項目可以應用到高空無人機、桿塔監(jiān)控設備、無線傳感網絡等小功率、中遠距離場景中，實現隔空能量補給?！笔Y成在進行項目成果分析時說。
目前，在公司輸電線路巡檢工作中，蓄電池供電無人機已經廣泛應用。在智能變配電臺區(qū)全景信息采集系統(tǒng)中，多種功能的小功率傳感器形成“傳感網絡”。而微波無線電能傳輸技術與無人機巡檢技術相結合，可實現無人機靈活、安全、智能的電能續(xù)航，提高無人機巡線的工作水平。微波無線電能傳輸技術融入傳感網絡，則可以滿足傳感器的補能需求，優(yōu)化網絡布局。
此外，在發(fā)生自然災害或特殊搶修情況時，這項技術可以幫助受災地區(qū)或停電區(qū)域快速恢復供電。小型化可移動微波無線輸電設備還可以用于為大容量臨時用戶供電。
（中國電科院供圖）
評論