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无线电力传输书籍无线电力传输

无线电力传输技术：发展现状及潜在应用

Ⅰ.简介

无线电力传输在过去的几十年中一直是一个热点话题，其讨论的焦点主要集中在远距
离大功率无线微波传输（主要应用于空间太阳能传输以及偏远地区能量供应）以及短距离
小功率传输（主要应用于无线充电系统及医学应用）。对远距离高功率电能无线传输而言，
主要的问题有：大气效应或称之为电离层窗口的影响、高功率微波的产生、传输天线、整
流天线、已有无线系统的电磁干扰以及对生物的辐射影响。对短距低功率电能无线传输而
言，主要关注：电感耦合效应、电力网络以及医学应用。

Ⅱ.电力无线传输的历史研究成果

历史上对电力无线传输的研究成果列举如下，从中我们不难看出对电力无线

传输的研究在很早以前就已经开始了，然而第一次成功的电力无线传输实验却是由
NikolaTesla在1899年实现的[1]、[2]、[3]、[4]，如图1所示。

?1864:JamesC.Maxwellpredictedtheexistenceofradiowaves;

?1884:JohnH.PoyntingrealizedthePoyntingVectortoquantify
electromagneticenergy;

?1888:HeinrichHertzshowedexperimentalevidenceofradiowaves;

?1899:MarcheseG.MarconiandReginaldFessendeninventedwireless
communicationsviaradiowaves;

?1856-1943:NikolaTeslaconductedthe1stwirelesspowertransmission
experiment;?1889:WardenclyfeeTowerwasproposedbyTesla;

?WorldWarII:MicrowaveEnergyConverterwasinvented;

?1964:WillianC.Brownstartedthe1stMPTR&Din1960s;

?1940-50s:PhotovoltaicCellwasbuilt;

?1958:USSolarPowerSatelliteSPSwasproposed;

?1970’sOilEmbargoturnedout;

?1968:PeterGlaserProposedSPSSystem;

?1978-1981:USDeptofEnergyProgramwassupported;
?1980’s:JapaneseSPSSystemstarted;

?1987:CanadianProjectstarted;

?1995:NASA’sFreshLookwasconducted;

?1999:NASA’sSERTwassupported;

?1990s:FranchGrandBassin-LaReunionwasbuilt;

?2000:JapaneseProjectand8JointCountrieswerereported;

?2021:ChineseProjecttobelaunched2nationalwidemeetingswereheld
andwhitepapersweresubmitted;

?2025:Lowcostmodeldemonstrationwillbeexpected.

很显然，早期对远距离高功率的电力无线传输主要应用于空间太阳能卫星系统以及其
对地面设备的高功率能量传输，如图2所示。电能的传播方式可以分为两种：微波传输以
及激光传输。由于激光传输方式受天气影响严重，且其能量损失比较大，故而一般采用微
波传输的方式。

Ⅲ.远距离高功率电力无线传输

A.大气效应（电离层窗口）

要建立这样的系统，我们需要确定一个微波频率，使其能在空气中传播。在现有的研
究中，两种频率比较常用：2.45GHz、5.8GHz。然而，许多细节仍然需要进一步的探索，
从而找到一个既能在大气中很好传播又不会使电离层电离形成阻挡层的合适频率。整个传
输系统也应该考虑对流效应和阵雨层效应。尽管在实验中已经取得了很大的成绩，但由于
天气状况风云莫测，还需要更多的研究。

B.高功率微波发生

在高功率远距离电力无线传输中常见的两种微波发生器为：微波电子管和半导体放大
器。这两种器件具有相反的电学特性，微波电子管在高电压下（通常为几千伏特）可以放
大较高功率的微波（通常为几千瓦特）。而半导体放大器通常只放大低功率微波，其所需
要的电压也比较低，然而它的成本却较高。在实际应用中由于微波电子管具有较高的效率
（70%），因此常采用它作为高功率微波