工程實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目工作室

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)無線傳能裝置基于靜態(tài)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳播，電能轉(zhuǎn)化效率低下的現(xiàn)狀，文中利用電磁諧振耦合技術(shù)，將主線圈能量通過諧振線圈進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)情況下的無線電能傳輸。

關(guān)鍵詞：電磁諧振;無線電能傳輸

1 項(xiàng)目背景

無線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transfer Technology）又稱無接觸電能傳輸（Contactless Power Transmission）技術(shù)，早在1890年由著名電氣工程師（物理學(xué)家）尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）提出，并做了非接電能實(shí)驗(yàn)，于1891年發(fā)明了“特斯拉線圈”。2007年，麻省理工學(xué)院（MIT）以物理學(xué)教授馬林·索爾賈西克為首的研究團(tuán)隊(duì)試制出了無線供電裝置，采用兩米外的一個(gè)電源“隔空”點(diǎn)亮了一盞60 W的燈泡，效率可達(dá)40%，他們采用的就是非輻射電磁能諧振隧道效應(yīng)，稱作“Witricity”無線供電技術(shù)。

2 理論依據(jù)

無線電能傳輸軌道系統(tǒng)采用兩個(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生較強(qiáng)的耦合，利用線圈及放置兩端的平板電容器組成諧振電路，實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。該系統(tǒng)可利用磁場(chǎng)進(jìn)行中等距離傳輸，輻射小，具有方向性，傳輸效率高且能量傳輸不受空間障礙物的影響。傳輸效果與頻率線圈尺寸密切相關(guān)，但不足在于諧振耦合方式的安全實(shí)現(xiàn)較難，要想更好地實(shí)現(xiàn)諧振耦合，需要傳輸頻率在幾兆到幾百兆赫茲之間，而這一段頻率又是產(chǎn)生諧振最困難的波段。無線傳能小車系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)方式設(shè)計(jì)，當(dāng)發(fā)射線圈通入高頻電流并在線圈周圍產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)時(shí)，處于一定距離的接收線圈將產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電壓，同時(shí)，與發(fā)射端和接收端并、串聯(lián)的電容將完成充電。當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈處于同一諧振頻率時(shí)，驅(qū)動(dòng)小車將在軌道上行使。

3 作品特點(diǎn)綜述

目前的無線傳能裝置大多基于靜態(tài)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳播，將傳輸?shù)碾娔苓M(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化，增加中間環(huán)節(jié)，使得電能的轉(zhuǎn)化效率變低。我們的軌道系統(tǒng)完全摒棄了當(dāng)前采用的低效方式，在負(fù)載兩端直接連接接收線圈，將傳遞的能量轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行使用。我們利用電磁諧振耦合技術(shù)，將主線圈的能量通過諧振線圈進(jìn)行傳遞，然后由接收端接收能量，由此實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)情況下的無線電能傳輸。該裝備實(shí)現(xiàn)了整體共振，可將能量源源不斷的傳遞，由此形成一個(gè)閉合的磁場(chǎng)回路，負(fù)載在該磁場(chǎng)中持續(xù)接收能量，轉(zhuǎn)化效率大大提高，約為40%。該技術(shù)的重點(diǎn)在于磁場(chǎng)的傳遞和耦合，將所有諧振線圈的頻率調(diào)到一個(gè)諧振點(diǎn)是我們的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也是我們克服的難題。由于負(fù)載是可以移動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)中的負(fù)載接收圈會(huì)對(duì)系統(tǒng)頻率產(chǎn)生影響，在系統(tǒng)的某一區(qū)域頻率分裂現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，將導(dǎo)致系統(tǒng)的整體傳輸效率大打折扣。我們通過多次理論思考和實(shí)驗(yàn)摸索大大弱化了這個(gè)問題產(chǎn)生的影響，使系統(tǒng)整體穩(wěn)定性大大提高。整體技術(shù)由我們自主摸索、實(shí)驗(yàn)，并轉(zhuǎn)化應(yīng)用，具有一定的先進(jìn)性與科學(xué)性?；谝陨嫌布壍老到y(tǒng)，我們對(duì)整個(gè)系統(tǒng)增加了控制部分，使能量的傳遞切實(shí)可控。

無線傳能軌道系統(tǒng)將Arduino控制板作為主控板，外加繼電器、紅外遙控裝置、電源模塊等部件實(shí)現(xiàn)了對(duì)無線傳能軌道系統(tǒng)的控制。用遙控控制繼電器的閉合與斷開實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈兩端電壓的切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速度的切換和定點(diǎn)起動(dòng)、停止等。作品實(shí)物如圖1所示。

4 未來展望

無線傳能作為一種新型軌道交通方式，避免了目前軌道系統(tǒng)存在的部分不足，可在交通領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。與感應(yīng)耦合無線電能傳輸技術(shù)相比，其能量傳輸距離更遠(yuǎn)，性能更加穩(wěn)定;與微波無線電能傳輸相比，其能量損耗小，傳輸效率更高。其市場(chǎng)主要以軌道交通為主，經(jīng)濟(jì)效益超千萬元。

無線電力傳輸供電是人類的夢(mèng)想之一。隨著無源式RFID電子標(biāo)簽和各種非接觸式無線充電技術(shù)的推進(jìn)，無線電力傳輸已經(jīng)引起人們的極大興趣。如果遠(yuǎn)程無線輸電變成現(xiàn)實(shí)，那么我們就可以輕而易舉地利用宇宙空間的射線作為能量來源，能量?jī)?chǔ)備遠(yuǎn)超海水中的氫能。本世紀(jì)以來，能點(diǎn)亮燈泡的無線供電技術(shù)毫無疑問點(diǎn)亮了人們對(duì)無線生活的憧憬。