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(xué)研究院有限公司承擔(dān)的“十米級微波無線電能傳輸技術(shù)研究”項目形成原理樣機并完成了性能試驗，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了20米距離內(nèi)電能的無線傳輸。
這種技術(shù)可在小功率、中遠(yuǎn)距離用電場景中實現(xiàn)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(shù)方案。
9月10日，中國電力科學(xué)研究院儲能與電工新技術(shù)研究所蔣成博士查看了“十米級微波無線電能傳輸技術(shù)研究”項目樣機運行的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為研究團隊進(jìn)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(zhuǎn)化成電波進(jìn)行傳輸和接收，傳輸距離十米級，可作為傳統(tǒng)有線輸電網(wǎng)絡(luò)的重要輔助和補充手段。“十米級微波無線電能傳輸技術(shù)研究”項目在微波長距離無線電能傳輸?shù)亩鄠€關(guān)鍵技術(shù)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(xiàn)百米級乃至千米級無線輸電技術(shù)的示范應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
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(xiàn)場。
“無線電能傳輸技術(shù)大致可以分為電磁感應(yīng)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(fù)責(zé)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(dāng)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(xué)和醫(yī)學(xué)機構(gòu)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(chǔ)。
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(fù)載4個部分。電能通過微波源轉(zhuǎn)成微波能，經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射、整流天線收集整流后供給負(fù)載。”9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(nèi)4家科研院校和企業(yè)單位組成技術(shù)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(shè)計方法（傳輸層面）、分區(qū)陣列的整流網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法（接收層面）等方面開展技術(shù)攻關(guān)，目的是在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)20米距離的無線電波輸電。
在發(fā)射層面，研發(fā)團隊設(shè)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(shè)計了高頻電磁波轉(zhuǎn)化裝置，實現(xiàn)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(yīng)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(yuǎn)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(yuǎn)距離聚焦的技術(shù)瓶頸，解決了傳統(tǒng)收發(fā)天線之間電磁波遠(yuǎn)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法：根據(jù)接收陣列表面的功率分布進(jìn)行分區(qū)和子陣分解，通過優(yōu)化設(shè)定合適的子陣數(shù)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(dǎo)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(zhǔn)備。
為特殊環(huán)境輸電提供技術(shù)方案
8月26日，十米級微波無線電能傳輸技術(shù)研究項目通過國家電網(wǎng)有限公司專家組驗收，實現(xiàn)了20米內(nèi)千瓦級功率的隔空輸電。
“基于取得的研究成果，項目可以應(yīng)用到高空無人機、桿塔監(jiān)控設(shè)備、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等小功率、中遠(yuǎn)距離場景中，實現(xiàn)隔空能量補給。”蔣成在進(jìn)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(jīng)廣泛應(yīng)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(wǎng)絡(luò)”。而微波無線電能傳輸技術(shù)與無人機巡檢技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)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(shù)融入傳感網(wǎng)絡(luò)，則可以滿足傳感器的補能需求，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布局。
此外，在發(fā)生自然災(zāi)害或特殊搶修情況時，這項技術(shù)可以幫助受災(zāi)地區(qū)或停電區(qū)域快速恢復(fù)供電。小型化可移動微波無線輸電設(shè)備還可以用于為大容量臨時用戶供電。
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