無線輸電關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

程時(shí)杰 陳小良 王軍華 文勁宇 黎靜華

(1.中國電機(jī)工程學(xué)會(huì) 北京 100031 2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 4300723.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430074 4.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院 南寧 530004)

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無線輸電關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

程時(shí)杰1,3陳小良1王軍華2文勁宇3黎靜華4

(1.中國電機(jī)工程學(xué)會(huì) 北京 100031 2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 4300723.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430074 4.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院 南寧 530004)

隨著科技的快速發(fā)展，無線輸電技術(shù)逐漸引起了國內(nèi)外的高度關(guān)注。首先介紹了無線輸電技術(shù)的背景及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，然后對我國無線輸電技術(shù)的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，論述了我國發(fā)展電磁感應(yīng)的短距離、磁共振的中距離、微波無線輸電技術(shù)和飛秒激光長距離無線輸電技術(shù)的重大科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，最后針對無線輸電技術(shù)在我國電力設(shè)備制造技術(shù)、輸電網(wǎng)發(fā)展、配電網(wǎng)發(fā)展、智能電網(wǎng)和新能源利用方面的研究發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行了探討。

無線輸電技術(shù) 感應(yīng)耦合 磁共振耦合 微波無線輸電 飛秒激光

0 引言

隨著社會(huì)現(xiàn)代化與電氣化程度不斷加深，從遍布世界各地的輸配電線路網(wǎng)架到為工作和生活中的各類電氣設(shè)備提供電能，采用金屬導(dǎo)線直接連接來進(jìn)行電能傳輸?shù)慕佑|式傳輸方式已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。雖然這種“有線”的傳輸方式已經(jīng)發(fā)展得十分成熟，但仍有許多問題難以解決。傳統(tǒng)電氣設(shè)備的接觸式供電因觸點(diǎn)接觸摩擦產(chǎn)生火花、絕緣與導(dǎo)體消損的問題，嚴(yán)重縮短電氣設(shè)備的使用壽命，甚至對供電的安全性與可靠性產(chǎn)生威脅。不良電氣接觸連接會(huì)增加接觸電阻，造成高溫引起火災(zāi)，電氣開關(guān)還會(huì)引起拉弧的危險(xiǎn)[1]。

另外，傳統(tǒng)的接觸式電能傳輸方式不能滿足一些特殊應(yīng)用場合的需要，例如在礦井、油田和水下探測等場合[2]。在傳統(tǒng)的接觸式供電方式下，觸點(diǎn)由于摩擦易導(dǎo)致電火花，在礦井和油田鉆采中會(huì)增加爆炸的可能性，引發(fā)嚴(yán)重的危害。水下探測機(jī)器人需要頻繁更換電池或采用水下電纜連接來提供足夠設(shè)備運(yùn)行的能源，給水下探測設(shè)備的正常運(yùn)行和維護(hù)帶來了許多不便。給運(yùn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行供電時(shí)，一般都采用滑動(dòng)接觸供電，但這種供電方式存在滑動(dòng)磨損、接觸火花、積碳和不安全裸露導(dǎo)線等缺點(diǎn)[3-5]。海上的島嶼、邊遠(yuǎn)山區(qū)和工作于山頭的基站等交通不便、遠(yuǎn)離大電網(wǎng)、缺乏規(guī)范能源的地點(diǎn)，采用架設(shè)電線的傳統(tǒng)配電方式成本過高，實(shí)現(xiàn)起來十分困難。

隨著各種便攜式電子設(shè)備的廣泛普及，新的問題也隨之出現(xiàn)。電源插頭頻繁地拔插，易發(fā)生觸點(diǎn)的磨損、變形和老化，導(dǎo)致安全性得不到保障。不同電子產(chǎn)品的充電器生產(chǎn)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，而每個(gè)充電器都需要獨(dú)立的插孔和配套電線，這樣既造成了資源的浪費(fèi)，在生產(chǎn)制造和垃圾處理環(huán)節(jié)也會(huì)污染環(huán)境。便攜式電子設(shè)備需要頻繁地充電，而各式各樣繁雜的充電器和纏繞在一起的電線給人們的生活帶來極大的不便。此外，為植入體內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備的長期供電也存在很大的不便[6]。這些有線傳輸方式現(xiàn)存的問題需要一種無需導(dǎo)線連接的電能供應(yīng)模式解決，而電力電子技術(shù)和電磁場理論的發(fā)展，使得無線輸電的實(shí)用化成為可能。無線輸電技術(shù)的引入將使電能的生產(chǎn)、輸配和使用途徑更加寬廣、方式更加多樣化。無線輸電技術(shù)利用了感應(yīng)耦合、磁共振耦合、飛秒激光和微波等形式進(jìn)行能量傳輸，是一種安全、可靠和便捷的新型輸電方式。

1 無線輸電技術(shù)的定義及原理

1.1 分類定義

目前，國內(nèi)外學(xué)者對無線輸電概念的闡述各有特點(diǎn)，但無線輸電技術(shù)的定義和分類方式仍缺乏權(quán)威或官方的定義。國際上對于無線輸電研究的快速增長出現(xiàn)在2007年前后，2014年以來相關(guān)的研究和報(bào)道逐漸增多。文獻(xiàn)中對無線輸電分類定義的闡述很多[2-20]，經(jīng)過歸納其中典型的傳輸方式可以分為以下幾類。

1)基于電磁感應(yīng)的短距離傳輸技術(shù)。

感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)(Inductively Coupled Power Transmission，ICPT)是一種以感應(yīng)耦合原理為基礎(chǔ)的無線電能傳輸模式。主要以磁場做為電能傳輸?shù)拿浇椋谧儔浩魇杷筛袘?yīng)耦合的構(gòu)造，通過電力電子技術(shù)提高磁場頻率、降低氣隙損耗，實(shí)現(xiàn)無線電能的傳輸。這種無線輸電技術(shù)的特點(diǎn)是傳輸功率大，能達(dá)千瓦級(jí)別，在極近距離內(nèi)效率很高，但傳輸效率會(huì)隨傳輸距離增加和接收端位置變化而顯著減小，所以該技術(shù)一般用于厘米級(jí)的短距離傳輸。

2)基于磁共振耦合的中距離傳輸技術(shù)。

磁共振耦合無線輸電技術(shù)(Resonant Wireless Power Transmission，RWPT)主要是利用發(fā)射線圈與接收線圈在系統(tǒng)本征頻率下發(fā)生強(qiáng)耦合現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。這種傳輸方式可以越過某些材料和金屬障礙物，在線圈直徑的幾倍距離內(nèi)，以MHz頻率的磁近場傳輸電能。傳輸效率較高，而且在傳輸區(qū)域內(nèi)接收端的位置變化對效率不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。由于電力電子器件的制約，傳輸功率提高到千瓦級(jí)別時(shí)需要犧牲傳輸距離，甚至無法達(dá)到傳輸所需的共振頻率，從而影響傳輸效率。

3)基于微波/飛秒激光的長距離傳輸技術(shù)。

微波電能傳輸技術(shù)(Microwave Power Transmission，MPT)是通過能量轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)化為微波形式，利用發(fā)射天線向目標(biāo)位置定向發(fā)送微波，再經(jīng)接收裝置接收并整流來實(shí)現(xiàn)的電能傳輸方式。這種傳輸技術(shù)適合應(yīng)用于距離較長、容量較大的電能傳輸場合，例如將空間太陽能電站的能量傳回地面，向平流層飛艇和軌道衛(wèi)星供電等?；陲w秒激光的無線輸電技術(shù)(Femtosecond Laser Power Transmission，F(xiàn)LPT)利用超強(qiáng)超快激光在大氣中傳輸時(shí)的非線性效應(yīng)，將空氣分子電離，從而產(chǎn)生可長達(dá)十幾公里的等離子體通道。將等離子體通道內(nèi)存在的大量電子作為載流子，可以為電能的轉(zhuǎn)移提供媒介，其作用相當(dāng)于在空氣中架設(shè)的一條虛擬導(dǎo)線。該項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)幾十公里距離的高效無線輸電，傳輸?shù)墓β屎涂煽啃杂写M(jìn)一步地深入研究，適合于地面的大功率無線輸電。

微波輸電技術(shù)在對埋入式傳感器和植入式醫(yī)療設(shè)備等進(jìn)行電能的傳輸時(shí)，將對人體造成未知的影響，在功率較大的場合甚至直接造成損傷，因而微波輸電技術(shù)不適用于醫(yī)療器械充電方面的電能傳輸。由于微波或飛秒激光形式的能束有一定的功率密度，將對現(xiàn)有的微波系統(tǒng)造成一定干擾，因此這種傳輸方式多用于環(huán)境影響較小的場合。

1.2 基本原理

1.2.1 基于感應(yīng)耦合的短距離傳輸技術(shù)

ICPT系統(tǒng)是將變壓器緊密型耦合磁路分開，一、二次側(cè)繞組分別繞在具有不同磁性的結(jié)構(gòu)上，當(dāng)變壓器松耦合時(shí)，在高頻交流激勵(lì)下，變壓器的一、二次側(cè)存在很強(qiáng)的電磁耦合從而使得大氣隙下的輸電變得可行，實(shí)現(xiàn)在電源和負(fù)載單元之間進(jìn)行能量傳遞而不需物理連接[7]。其一、二次側(cè)之間通過電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能傳輸，由于相比于緊密耦合的變壓器，這種傳輸方式在一、二次側(cè)的鐵心之間存在較大的氣隙，導(dǎo)致勵(lì)磁電抗的降低引起傳輸效率的下降，一般通過電力電子技術(shù)提高輸入電源的頻率加以補(bǔ)償。

ICPT系統(tǒng)主要由以下3部分組成：

1)變頻模塊，運(yùn)用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)將低頻輸入轉(zhuǎn)換為高頻，可以根據(jù)不同傳輸功率和距離的需要，調(diào)整輸出頻率和功率。

2)傳輸模塊，通過鐵心分離的松耦合變壓器，實(shí)現(xiàn)一、二次側(cè)沒有物理連接的感應(yīng)耦合無線輸電。

3)整流模塊，利用整流將接收到的的高頻電能轉(zhuǎn)換為直流形式供負(fù)載使用。

圖1為短距離感應(yīng)耦合系統(tǒng)框圖。其中，一次線圈和二次線圈之間有各自的補(bǔ)償環(huán)節(jié)和調(diào)節(jié)控制電路，這樣能使得傳輸效率達(dá)到最大化。兩線圈側(cè)整流濾波電路，高頻逆變單元，一、二次側(cè)相應(yīng)的補(bǔ)償電路，調(diào)節(jié)控制電路等部分共同構(gòu)成了整個(gè)ICPT系統(tǒng)。

圖1 短距離電磁感應(yīng)耦合系統(tǒng)框圖

圖2為短距離感應(yīng)耦合電路原理圖，其工作原理是交流電源在經(jīng)過整流濾波后可以得到直流電，再利用高頻逆變單元得到高頻交流電通入一次側(cè)線圈，因高頻交流電而在一次側(cè)線圈中產(chǎn)生的磁鏈Φ高頻整流濾波等調(diào)節(jié)之后便能向負(fù)載供給相應(yīng)大小的直流電能。

圖2 短距離電磁感應(yīng)耦合電路原理圖

1.2.2 基于磁共振耦合的中距離傳輸技術(shù)

傳統(tǒng)射頻傳輸技術(shù)雖然在信息傳輸方面具有極大的優(yōu)勢，但是如果使用射頻形式來傳輸能量卻很難實(shí)現(xiàn)。如果采用非定向輻射，由于接收端附近的功率密度很低，難以提供足夠的能量；如果采用定向發(fā)射的微波，那么需要準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)跟隨接收端移動(dòng)。磁共振耦合現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為射頻傳輸提供了一種便捷、安全的新型傳輸方式。

2006年，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)提出了磁共振耦合方式，并成功制造了一臺(tái)樣機(jī)可以為2 m外的60 W的燈泡進(jìn)行供電。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電能的傳輸距離為2 m時(shí)，其效率高達(dá)92%，采用這種技術(shù)可以在線圈直徑的幾倍范圍內(nèi)的中距離上進(jìn)行高效的能量傳輸。

在振動(dòng)系統(tǒng)(如聲音，振動(dòng)的物體)中，具有相同固有頻率的振動(dòng)體常常產(chǎn)生強(qiáng)耦合狀態(tài)，處于這種狀態(tài)時(shí)，共振體之間的能量交換大于在能量傳遞過程中的損耗和振動(dòng)體本身的能量耗散，達(dá)到很高的傳輸效率。磁共振耦合是一種近磁場的強(qiáng)耦合方式，在磁共振下的電能傳輸效率很高，且不受傳輸通道上越過某些材料和金屬障礙物的影響，在傳輸范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的非定向傳輸，而對于非共振物體來說，中距離電能傳輸無法實(shí)現(xiàn)。

圖3為中距離磁共振耦合系統(tǒng)框圖。它主要包括工頻交流電源、整流濾波模塊、射頻放大器、阻抗匹配及調(diào)節(jié)控制電路、發(fā)射和接收線圈、整流器和負(fù)載。通過射頻放大器變得到具有使發(fā)射端、接收端線圈發(fā)生共振的頻率的電流，這種情況下可以使得能量的傳輸效率最大化。

圖3 中距離磁共振耦合系統(tǒng)框圖

圖4為中距離磁共振耦合電路原理圖。L1線圈用作激勵(lì)，C1是發(fā)射線圈的補(bǔ)償電容，C4是接收線圈的補(bǔ)償電容，第二個(gè)閉合回路表示發(fā)射線圈等效電路，第三個(gè)閉合回路表示接收線圈等效電路。該圖中共有6個(gè)互感，其中M13、M14、M24之間的耦合十分微弱可以忽略。

圖4 中距離磁共振耦合電路原理圖

結(jié)合耦合模理論的微分方程組，強(qiáng)耦合磁共振系統(tǒng)可以進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算。發(fā)射裝置與接收裝置發(fā)生共振狀態(tài)下功率最優(yōu)，該狀態(tài)下效率η為

1.2.3 基于微波及飛秒激光的長距離傳輸技術(shù)

美國工程師P.Glaser很早便設(shè)想了一種太陽能發(fā)電衛(wèi)星，他設(shè)想建立空間基地，這樣便能通過發(fā)電衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)吸收大量太陽能來供應(yīng)電能，采用微波的形式將能量傳輸?shù)降孛?，?jīng)接收裝置接收后微波轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)歷了太陽能→電能→微波→電能的變化過程。MPT效率較低，C波段(5.8～35) GHz是其聚集的工作頻段，在地理位置及周邊境況等因素的影響下，MPT技術(shù)受到的干擾較大，距離實(shí)際投入使用尚有較長一段路要走。MPT電能傳輸技術(shù)適用于大范圍、長距離、且受環(huán)境影響小的場合，但在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，采用微波電能傳輸技術(shù)，會(huì)在一定程度上傷害到人體。

無線輸電中效率是重點(diǎn)之一。因而必須要考慮有較強(qiáng)目標(biāo)針對性、能夠集中發(fā)射能量的方式，激光及微波束是非常好的選擇。但在傳輸過程中，氣體和灰塵容易造成激光光束散射，具有較為明顯的非線性效應(yīng)，且最后接收的功率偏低。利用微波進(jìn)行輸電即首先將微波進(jìn)行高密度聚集，然后對準(zhǔn)目標(biāo)并發(fā)射到接收側(cè)的整流天線(Rectenna)，進(jìn)一步通過整流將微波轉(zhuǎn)化為直流。

圖5為長距離微波系統(tǒng)框圖。微波無線輸電系統(tǒng)主要有3個(gè)組件，微波功率發(fā)生器、微波的發(fā)射和傳輸、整流模塊及阻抗匹配，最后可得到穩(wěn)定的直流輸出。工作原理是：經(jīng)微波產(chǎn)生裝置直流電可轉(zhuǎn)換成微波，進(jìn)而由天線高密度聚集后進(jìn)行發(fā)射，最后由接收天線接收，整流后負(fù)載可得到穩(wěn)定直流輸入。

圖5 長距離微波系統(tǒng)框圖

由于微波無線輸電技術(shù)是目前將能量從衛(wèi)星傳送到地球的相對成熟的技術(shù)，最適合于地面向空間或者空間向地面的大功率無線輸電，因此被應(yīng)用到空間太陽能電站的方案中，而且可以應(yīng)用到電力中繼衛(wèi)星中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微波無線輸電系統(tǒng)效率的提高和尺寸的減小將使該技術(shù)具有更強(qiáng)的競爭力。

圖6為飛秒激光系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)主要包含飛秒激光發(fā)生裝置、調(diào)節(jié)控制裝置、等離子體通道診斷裝置、供能及儲(chǔ)能模塊裝置、同步調(diào)控裝置。該系統(tǒng)發(fā)出的飛秒激光經(jīng)調(diào)整控制匯聚后釋放到周圍環(huán)境中，這樣等離子體通道便形成于大氣環(huán)境。供能模塊可以提供電能輸出，同步控制裝置可將強(qiáng)電耦合介入到等離子體通道之中，電能便能夠依靠等離子體通道傳導(dǎo)至儲(chǔ)能模塊，進(jìn)而可供給負(fù)載或另作他用。

圖6 長距離飛秒激光系統(tǒng)框圖

基于飛秒激光的無線輸電技術(shù)利用超強(qiáng)超快激光在大氣中傳輸時(shí)的非線性效應(yīng)，將空氣分子電離后形成克爾自聚焦與等離子體散焦平衡，產(chǎn)生可長達(dá)十幾公里傳輸?shù)牡入x子體通道，從而實(shí)現(xiàn)幾十公里距離的高效無線輸電，傳輸?shù)墓β屎涂煽啃杂写M(jìn)一步地深入研究，這種方式適合于地面的大功率無線輸電。

目前國內(nèi)外尚未有關(guān)于基于等離子體通道的無線輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的報(bào)道。相關(guān)研究內(nèi)容主要是圍繞等離子體通道本身特性的理論及實(shí)驗(yàn)研究、等離子體通道傳導(dǎo)射頻輻射的理論研究等。等離子體通道的電學(xué)特性非常穩(wěn)定，它最先被用在研究人工引導(dǎo)雷電之中，此后各國紛紛開展了關(guān)于等離子體通道的研究工作，在理論與實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面都取得了非常重要的進(jìn)步。目前，中國空間技術(shù)研究院也正在開展基于飛秒激光的無線輸電技術(shù)的原理性和應(yīng)用研究工作。

2 發(fā)展趨勢與應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 基于專利統(tǒng)計(jì)的發(fā)展趨勢分析

無線輸電技術(shù)不斷累積增多的相關(guān)專利數(shù)據(jù)，具有展示應(yīng)用情況和指導(dǎo)研發(fā)方向的潛在價(jià)值。在無線輸電技術(shù)的快速變化發(fā)展階段，專利統(tǒng)計(jì)分析是一種能夠有效地認(rèn)識(shí)國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r、監(jiān)控技術(shù)環(huán)境變化的方法，可以很好地把握技術(shù)動(dòng)態(tài)、了解技術(shù)競爭力。

通過在國家專利局的專利檢索與服務(wù)系統(tǒng)的檢索，經(jīng)過人工篩選后，得出國內(nèi)外在短、中、長距離無線輸電技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠纳暾埩壳闆r，從而繪制出國內(nèi)外專利申請隨年度變化的趨勢圖，圖7為國內(nèi)外短距離無線輸電技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾堧S年度變化的趨勢圖，圖8為國內(nèi)外中距離無線輸電技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾堧S年度變化的趨勢圖，圖9為國內(nèi)外長距離無線輸電技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾堧S年度變化的趨勢圖。

對比圖7～圖9可以看出：在無線輸電技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埛矫?，國外比國?nèi)要早十多年，這說明國內(nèi)在該領(lǐng)域內(nèi)的研究較晚，但從申請量方面來看，自2011年開始，國內(nèi)的申請量超越了國外，而且申請量呈增長趨勢。國外從2012年開始申請量略微下滑，態(tài)勢趨于平緩。國內(nèi)研究的起點(diǎn)時(shí)間雖然晚于國外十多年，但近幾年國內(nèi)的研究勢頭遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越國外。

圖7 國內(nèi)外短距離無線輸電技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾堧S年度變化的趨勢圖

圖8 國內(nèi)外中距離無線輸電技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾堧S年度變化的趨勢圖

圖9 國內(nèi)外長距離無線輸電技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾堧S年度變化的趨勢圖

從申請時(shí)間可以看出國外的技術(shù)成熟度已經(jīng)較高，專利申請量的下滑可能是因?yàn)檫M(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，更傾向于某些產(chǎn)品的實(shí)質(zhì)應(yīng)用推廣，而不局限于大量地申請專利來保護(hù)潛在產(chǎn)品，不再是數(shù)量領(lǐng)先而是技術(shù)領(lǐng)先。

圖10和圖11是按照IPC分類方法分別統(tǒng)計(jì)的國內(nèi)外專利申請技術(shù)構(gòu)成圖，可以看出，國內(nèi)H02(發(fā)電、變電或配電)大類占比45.81%、H04(電通信技術(shù))大類占比10.05%，其他類占比較少，占比量相對均勻；國外H02(發(fā)電、變電或配電)大類占比也是第一位，但所有的大類占比都相對均勻。對比國外的發(fā)展?fàn)顩r可以看出，國內(nèi)在其他領(lǐng)域，尤其是B60(一般車輛大類)、H01(基本電氣元件大類)、H04(電通信技術(shù)大類)這三類技術(shù)領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間。

圖10 國內(nèi)無線輸電技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埣夹g(shù)構(gòu)成圖

圖11 國外無線輸電技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埣夹g(shù)構(gòu)成圖

專利分析更多體現(xiàn)的是無線輸電技術(shù)的應(yīng)用前景和可能的市場布局。經(jīng)過對國外無線輸電的進(jìn)展?fàn)顩r，特別針對是2013下半年至2014上半年國外科技文獻(xiàn)的調(diào)研，技術(shù)方面發(fā)展的趨勢可以總結(jié)為更加可控、高效、安全、便攜和美觀，下面摘錄一些國外無線輸電最新進(jìn)展的代表性工作簡要介紹。

2.2 最新進(jìn)展

1)新型材料的使用

超材料(Metamaterial)所指的是人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，特點(diǎn)在于它們具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)。在材料的關(guān)鍵物理尺度上的進(jìn)行結(jié)構(gòu)特別的設(shè)計(jì)，能夠突破某些表觀自然規(guī)律的約束，如此獲得超出自然界天然材料所具有的普通特性的超常材料功能。朱拉隆功大學(xué)(Chulalongkorn University)的Y.Zhao等[21]分別采用了double negative material、μ-negative material和indefinite material (IM)3種超材料，制成薄片狀用于放大特定的電磁波，從而達(dá)到增強(qiáng)共振耦合模式下無線輸電效率的目的，其結(jié)構(gòu)形式如圖12所示。

圖12 IM薄片在雙線圈WPT系統(tǒng)中的放置位置示意圖

超材料與原有的材料制備相比，應(yīng)用差別非常大，一般情況下都是利用自然中原本具有的材料制造出相應(yīng)的物品，但是超材料采用了獨(dú)特的方式，結(jié)合逆向思維，在考慮制造出具有某功能的材料時(shí)，根據(jù)對于電磁波的具體投入使用后的需求。倏逝波(Evanescent waves)指的是在兩種不同介質(zhì)的分界面上因全反射引起得到的一種電磁波，其幅值隨與分界面相垂直的深度的增大而呈指數(shù)形式衰減，Y.Zhao等[21]認(rèn)為倏逝波在共振耦合無線輸電中起著至關(guān)重要的作用，double negative material、μ-negative material和indefinite material (IM)3種超材料正是設(shè)計(jì)用于放大倏逝波的超材料。利用這幾種超材料的多層結(jié)構(gòu)使得特定波長的電磁波形成近場聚焦，像透鏡一樣增強(qiáng)接收端的磁場。在經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)IM對于提升傳輸效率的效果最為明顯，結(jié)果如圖13所示。

圖13 IM薄片加入后對磁場分布影響的仿真結(jié)果

類似的還有杜克大學(xué)(Duke University)的G.Lipworth等[22]采用磁質(zhì)超材料(Magnetic metamaterial)超級(jí)透鏡，對近磁場進(jìn)行集中，增加無線輸電距離。實(shí)物如圖14和圖15所示，進(jìn)行了13～16 MHz的仿真并以實(shí)驗(yàn)證明了仿真的正確性。

圖14 磁性超材料和超級(jí)透鏡集合

圖15 線圈連接細(xì)節(jié)圖

對于使用感應(yīng)耦合方式的無線輸電設(shè)備，例如手機(jī)充電墊，由于傳能線圈的接收端距離發(fā)射端很近，發(fā)射端的驅(qū)動(dòng)電路會(huì)產(chǎn)生頻率在30 MHz～1 GHz的電磁波干擾，影響手機(jī)等便攜式通訊設(shè)備的信號(hào)發(fā)送與接收。香港城市大學(xué)(City University of Hong Kong)的P.Wu等[23]使用頻率選擇性表面(Frequency-selective surface)來抑制充電墊對外部的射頻干擾，結(jié)構(gòu)示意圖如圖16所示。

圖16 采用頻率選擇表面材料的充電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

之后他們選用GSM900和GSM850兩種通信系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)測，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明手機(jī)對信號(hào)的靈敏度得到了提高，據(jù)此提出可以將表面選擇性材料做成低成本的充電墊附件來解決目前充電墊的射頻干擾問題。

2)傳能線圈結(jié)構(gòu)

首爾大學(xué)(Seoul University)的Tae-Soon Chang[24]提出了一種使用空腔諧振器進(jìn)行無線輸電的方法，并設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率在5.76 Hz，傳輸效率高達(dá)75%的實(shí)例。在該傳輸方法中，發(fā)射端和接收端并非傳統(tǒng)形狀的線圈，而是鑲嵌在諧振腔壁上的帶線，其結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖17 諧振腔帶無線輸電裝置裝置結(jié)構(gòu)示意圖

韓國高等科技學(xué)院(Korea Advanced Institute of Science and Technology)的Wang-Sang Lee等[25]提出了一種新型發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，其是一種具有電容的電流控制線圈，如圖18所示。

圖18 帶電容的電流控制線圈示意圖

采用這種線圈后，通過調(diào)整電容值，可以控制正向和反向的循環(huán)電流的比例，這種方式解決了傳輸距離變化帶來的阻抗不匹配問題，在0～7 cm的距離內(nèi)可以保持60%的傳輸效率，且并不需要接入額外的匹配電路，系統(tǒng)原理圖如圖19所示[25]。

類似的，弘益大學(xué)(Hongik University)的B.C.Park等[26]也提出了一種不敏感的共振傳能線圈結(jié)構(gòu)，如圖20和圖21所示。其中饋電線圈起著共振耦合方式中阻抗匹配的關(guān)鍵作用。呈120°夾角的是接收端共振線圈，另一個(gè)是發(fā)射端高Q值共振線圈。

圖19 采用電流控制線圈之后的系統(tǒng)原理圖

圖20 線圈結(jié)構(gòu)示意圖

圖21 線圈結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

東京大學(xué)(the University of Tokyo)的W.Wei等[27]提出了一種雙螺旋結(jié)構(gòu)的共振傳能模式，并且適合將線圈印制于廉價(jià)基材(例如薄膜)上。雙螺旋共振線圈可以提供更高的峰值傳輸效率和更遠(yuǎn)的距離，該研究歸納了雙螺旋諧振器的5個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，并通過理論分析解釋了雙螺旋結(jié)構(gòu)效率更高的原因。雙螺旋共振線圈結(jié)構(gòu)如圖22和圖23所示。

圖22 線圈結(jié)構(gòu)示意圖

圖23 雙螺旋共振傳能系統(tǒng)簡化圖

3)應(yīng)用方式的拓展

普林斯頓大學(xué)(Princeton University)的W.Rieutort-Louis等[28]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于光伏薄板的能量采集儲(chǔ)存輸出系統(tǒng)。由于低溫大面積微電子元件的采用，使新型的層疊式電能采集儲(chǔ)存輸出裝置成為可能，可以在一個(gè)薄膜結(jié)構(gòu)上完成電能采集、管理、儲(chǔ)存和交付華盛頓大學(xué)(University of Washington)的B.H.Waters等[29]提出一種接收端可以自由活動(dòng)的共振傳能方式，用于植入式心臟起搏器的供電，從而改善患者的生活質(zhì)量。這種可隨意移動(dòng)的充電裝置一方面要求終端線圈必須足夠小，可以舒適地佩戴在患者身上，同時(shí)供電系統(tǒng)高效地向電池充電?？晒╇姷陌l(fā)射器由發(fā)射線圈、中繼線圈、貼身線圈和接收線圈組成。

2014年，韓國高等科技學(xué)院某研究小組研究出一種無線電能供應(yīng)技術(shù)，據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)2014年4月17日報(bào)道，該校原子核與量子工程教授C.T.Rim的團(tuán)隊(duì)展出了一種名為“雙極線圈共振系統(tǒng)(DCRS)”的無線電能供應(yīng)設(shè)備，這種設(shè)備使得感應(yīng)電能傳輸?shù)木嚯x擴(kuò)展成為可能，傳輸與接收線圈相距可達(dá)數(shù)米。

在2014年國際消費(fèi)電子展(CES)上，恩智浦半導(dǎo)體展示了一種智能照明網(wǎng)絡(luò)，該設(shè)備采用了無線充電技術(shù)，且安裝十分便捷。

村田制作所日前研制出了“直流共振”無線電力傳輸系統(tǒng)的新技術(shù)方式。在該技術(shù)中，直流電的能量被轉(zhuǎn)變了電磁能，這樣在能量的傳輸過程中使得轉(zhuǎn)換效率得到有效提高，同時(shí)還可大大減少傳輸過程中的能量轉(zhuǎn)換次數(shù)，使得相關(guān)設(shè)備得到有效簡化。

2.3 應(yīng)用領(lǐng)域

1)交通運(yùn)輸

ICPT技術(shù)在交通運(yùn)輸行業(yè)運(yùn)用的最多，廣泛應(yīng)用于部分機(jī)車及電動(dòng)汽車之中。準(zhǔn)確進(jìn)行能量的目標(biāo)定位以及最大化的增大效率是ICPT技術(shù)的主要難點(diǎn)。ICPT技術(shù)在新西蘭奧克蘭大學(xué)所屬奇思公司的研究下，被成功應(yīng)用到Rotorua國家地?zé)峁珗@的30 kW旅客電動(dòng)運(yùn)輸車上[15，16]。而目前電動(dòng)汽車在不斷的發(fā)展過程中也有了多種相關(guān)樣品，圖24為2012年日本Nagano市電動(dòng)汽車現(xiàn)場試驗(yàn)的照片，圖25為高通公司展示的電動(dòng)汽車樣品。

圖24 2012年日本Nagano市電動(dòng)汽車現(xiàn)場試驗(yàn)圖

圖25 2012年高通公司發(fā)布的電動(dòng)汽車

在電動(dòng)汽車充放電過程中采用無線充電技術(shù)，不但能夠有效解決充電樁的建設(shè)問題，還能夠緩和電動(dòng)汽車充電過于集中的弊端，并且能夠在電動(dòng)汽車規(guī)?；院?，在很大程度上緩解其對電網(wǎng)的沖擊。針對電動(dòng)汽車的無線充電，國內(nèi)外多家汽車廠商以及機(jī)構(gòu)等都在迫切地進(jìn)行研究，取得了較為顯著的成果。

另外，作為電網(wǎng)關(guān)鍵的構(gòu)成之一，電動(dòng)汽車規(guī)?；院笠嗫梢詢?chǔ)存電網(wǎng)的電能。采用無線充電，不僅能夠極大增強(qiáng)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)間的互聯(lián)，同時(shí)對智能電網(wǎng)也具有顯著的促進(jìn)作用。

2)醫(yī)療器械

隨著WPT技術(shù)的進(jìn)步，醫(yī)療領(lǐng)域的電能供應(yīng)模式發(fā)生了極大的改變，目前主要有ICPT 和RFPT(Radio Frequency Power Transmission)等方式進(jìn)行體外電能供應(yīng)。RFPT是醫(yī)療領(lǐng)域采用最多的供能方式，在體外有一個(gè)線圈，體內(nèi)也有一個(gè)小線圈，利用兩者之間的感應(yīng)耦合輸送電能，電能的主要傳輸方式其一是經(jīng)表面皮膚輸送能量，另外一種是直接輸送電能。醫(yī)療系統(tǒng)中的消耗會(huì)隨著植入裝置的復(fù)雜化而增加，就采用電池而言，較短時(shí)間的植入式裝置電能供應(yīng)一般是滿足要求的，但對于長時(shí)間式的植入裝置常難以滿足。采用無線輸電和光電能量供應(yīng)方式可有效解決這個(gè)問題。電磁感應(yīng)方式中若采用基于E類放大器供電后效率可達(dá)約70%，同時(shí)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但因電子設(shè)備的影響，RFPT技術(shù)易產(chǎn)生一些電磁兼容問題。對于不同的供電方式，我們可以考慮將它們結(jié)合起來使用。

圖26為采用無線充電技術(shù)供電的深部腦刺激器安裝示意圖。對于植入式醫(yī)療裝置而言，其對功率的要求非常小，小至幾十微瓦，功率較大的也僅幾十瓦左右，經(jīng)表面皮膚的直接電能供應(yīng)以及植入式電池?zé)o線輸電等是經(jīng)常采用的幾種方式。人體植入裝置是無線輸電的重點(diǎn)研究方向之一，采用無線能量傳輸方式后具有以下優(yōu)勢：

a)能量供應(yīng)中消除了物理連接，有效解決了導(dǎo)線與皮膚直接接觸的問題，進(jìn)而可以在一定程度上防止因感染導(dǎo)致的炎癥。

b)植入式電池消耗完后，以前必須手術(shù)進(jìn)行電池的更換，現(xiàn)在采用無線充電可以有效解決這個(gè)問題，極大提高了患者的生活質(zhì)量。

c)和人體皮膚之間沒有直接的電氣關(guān)系，無裸露的導(dǎo)線和接觸機(jī)構(gòu)，極大降低了觸電的概率，有效解決了裝置的安全問題。

圖26 采用無線充電技術(shù)供電的深部腦刺激器

d)無直接的摩擦，有效解決了機(jī)械上的損耗和電氣銷蝕問題，提高了供能的可靠性并減少了對設(shè)備的維護(hù)。

e)對于非接觸變壓器一次側(cè)和二次側(cè)來說，兩者是松耦合的，因而兩者在一定方位上錯(cuò)開時(shí)依然可以正常運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)靈活供電，同時(shí)可提升患者生活的舒適程度。

3)便攜通信

近幾年，便攜通信對WPT的呼聲也日漸高漲，且不少高科技公司已經(jīng)向該領(lǐng)域進(jìn)軍。結(jié)合匹茲堡大學(xué)研發(fā)的無源型RFID 技術(shù)，Power Cast 公司研發(fā)出一種電波接收型能量存儲(chǔ)設(shè)備，它采用了射頻發(fā)射裝置進(jìn)行能量的傳輸。Splash Power 公司則深入研究了ICPT 技術(shù)，并取得了重大突破，研制出了用于給手機(jī)電能供應(yīng)的平臺(tái)。在進(jìn)一步研究下，香港城市大學(xué)的許樹源教授開發(fā)出多種便攜式通信裝置的電能供應(yīng)平臺(tái)，并對成果進(jìn)行了轉(zhuǎn)化。

圖27為WOW5 Qi標(biāo)準(zhǔn)無線充電器在同一時(shí)間內(nèi)對5個(gè)支持Qi標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)進(jìn)行無線充電的照片。2012年，Nokia公司推出新一代Windows Phone 8系列手機(jī)，其搭載的無線充電技術(shù)作為手機(jī)的賣點(diǎn)之一，受到了測評媒體的廣泛好評。據(jù)IMC Research預(yù)測，無線供電設(shè)備的出貨量到2015年將達(dá)到1億；經(jīng)Pike Research研宄表明，無線供電市場規(guī)模到2020年將高達(dá)150億美元，無線充電技術(shù)在不久的將來會(huì)極大改變我們每一個(gè)人的生活方式。

圖27 WOW 5 Qi無線充電器在同一時(shí)間內(nèi)對5個(gè)支持Qi標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)無線充電

4)航空航天

在航空航天和電力領(lǐng)域，微波電能傳輸(WPT)已被廣泛使用。隨著WPT技術(shù)不斷的深入研究，空間太陽能發(fā)電和衛(wèi)星技術(shù)也在不斷推進(jìn)和進(jìn)步。對于空間太陽能電站而言，WPT 技術(shù)至今歷經(jīng)了多個(gè)發(fā)展階段，多方面的技術(shù)都在不斷革新和進(jìn)步。在以往，微波頻率一般為2.45 GHz，而現(xiàn)在微波頻率已得到了極大提升，達(dá)到5.8 GHz，進(jìn)而大大縮減了WPT設(shè)備的體積，減少了成本。就MPT 技術(shù)的難題而言，主要存在傳輸效率低下、發(fā)射以及接收效率低、大氣衰減劇烈等難點(diǎn)。對于完整的無線輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，電流到微波這一階段的轉(zhuǎn)換效率不高，因而提升微波發(fā)生器的轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。圖28為空間太陽能電站的示意圖。

圖28 空間太陽能電站示意圖

5)水下探測

伴隨著無線輸電技術(shù)的逐步深入和進(jìn)步，在工業(yè)行業(yè)已經(jīng)體現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在一些特殊的情況下(如化工裝置的檢測、水下機(jī)器人、分布式傳感器的能量供應(yīng)等)，用電設(shè)備電能供應(yīng)大多數(shù)采用更換電池的方法或采用電纜輸送，使得相關(guān)裝置的操作和維修比較繁瑣，而采用無線輸電可有效解決以上問題，從而成為近幾年來國內(nèi)外一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

WPT系統(tǒng)的重點(diǎn)應(yīng)用方向之一便是水下探測。在這個(gè)方面，美國WiTricity公司進(jìn)行了相關(guān)研究。具體實(shí)驗(yàn)如圖29所示，主要采用ICPT技術(shù)。對于WPT設(shè)備在水中的應(yīng)用，其額外阻抗和功率損耗、同軸變壓器的研制準(zhǔn)則、變換器一次側(cè)和二次側(cè)的電路結(jié)構(gòu)與傳輸電纜的設(shè)計(jì)是幾個(gè)重要方面。

圖29 水下無線充電研究實(shí)驗(yàn)

對于無線輸電在水中的高頻功率傳輸，重要的一點(diǎn)就是如何降低其能量消損。對于良好導(dǎo)體的海水而言，伴隨頻率的提升，其阻值也會(huì)逐漸提升。運(yùn)行狀態(tài)下頻率升高，則海水導(dǎo)電范圍會(huì)變小，電纜將是電流流經(jīng)的重要通道，消損亦會(huì)大大提升。探索水下無線能量傳輸，海水可以視為與一次繞組同軸匝鏈的繞組，經(jīng)由增添相應(yīng)的耦合關(guān)系來限定電流的路徑，從而降低耦合海水的消損。水中無線能量傳輸可應(yīng)用到深海的潛水、油田開發(fā)以及礦物開采等多個(gè)方面。同時(shí)對非核動(dòng)力船只的續(xù)航能力有較大的加強(qiáng)作用。

6)智能家居

近幾年來國內(nèi)外對智能家居給予了很大重視，尤其是智能家電中能量的無線輸送，這項(xiàng)科技凸顯出巨大優(yōu)點(diǎn)，成功脫離了有線的制約，極大的方便了人們的生活，“無尾”設(shè)備已逐漸成為人們生活的需求趨勢。

Powercast公司開發(fā)了能夠把無線電波轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷慕邮赵O(shè)備，能夠在近1 m距離內(nèi)給多個(gè)電子設(shè)備供電，具體應(yīng)用到采用無線電能供應(yīng)的家電產(chǎn)品中如圖30所示。

圖30 采用無線充電的家電產(chǎn)品

3 重大科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 重大科學(xué)問題

如前文所述，無線輸電技術(shù)的技術(shù)需求與傳統(tǒng)的有線傳輸方式等有很大的不同，主要體現(xiàn)在與工頻交流和直流傳輸方式不同，主流的無線輸電方式頻率較高，因此需要解決設(shè)備在大功率、高頻率和長壽命條件下產(chǎn)生的一系列問題，并研究此條件下系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和控制策略，驗(yàn)證傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1)傳輸理論研究和系統(tǒng)建模

基于磁共振耦合的中距離傳輸方式是一種新興的傳輸方式，在對這種方式的傳輸系統(tǒng)進(jìn)行建模分析時(shí)，很少直接采用線圈的詳細(xì)物理參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，大多數(shù)采用基于耦合模理論的微分方程、含有耦合電感的電路模型或者二端口網(wǎng)絡(luò)對其傳輸機(jī)理進(jìn)行分析。這些傳輸模型都能較為準(zhǔn)確地反映出磁共振耦合現(xiàn)象，并在一定程度上解決實(shí)際問題，但都存在明顯的不足使其應(yīng)用條件受到很大限制。

電磁場分析方法理論上可以計(jì)算非常詳盡的電磁場分布[17]，計(jì)算出耦合磁場輸電細(xì)節(jié)。然而對于尺寸較大的系統(tǒng)，分析計(jì)算過程是非常復(fù)雜的，雖然借助電磁場有限元分析仿真軟件可以求得分部場的直觀數(shù)值解，但會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間和資源，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化時(shí)十分不便。

耦合模理論是解釋兩個(gè)或多個(gè)電磁波模式間耦合的普遍規(guī)律的微擾分析理論，可以避免具體對象繁雜的物理參數(shù)，徑直對目標(biāo)間的能量耦合進(jìn)行計(jì)算?；隈詈夏＠碚摰奈⒎址匠屉m然可從能量角度進(jìn)行分析，但不夠直觀，無法將線圈的詳細(xì)物理參數(shù)，與傳輸效率和傳輸容量等系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化所關(guān)注的數(shù)值直接關(guān)聯(lián)起來；含有耦合電感的電路模型較為直觀，認(rèn)為發(fā)射端電路和負(fù)載端電路之間，由發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感耦合，根據(jù)電路理論進(jìn)行分析計(jì)算，是目前國內(nèi)分析建模時(shí)較多使用的模型，但是由于忽略了線圈和器件在高頻條件下的特性，分析計(jì)算較粗略，不利于有關(guān)高頻電磁場方面的分析，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可適用的頻率范圍受到很大限制。二端口網(wǎng)絡(luò)分析方法將輸電與轉(zhuǎn)換部分看作一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，利用測得的端口參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行求解，同樣缺乏直觀性。傳輸理論研究和系統(tǒng)建模時(shí)還需要關(guān)注更多與設(shè)計(jì)優(yōu)化直接相關(guān)的問題，如發(fā)射端與接收端的阻抗匹配問題，系統(tǒng)本征頻率的控制問題，傳輸通道上的功率密度分布問題。

基于微波的長距離無線輸電系統(tǒng)作為一個(gè)以微波能量為傳輸介質(zhì)、以高效率為核心要求的系統(tǒng)，微波無線輸電系統(tǒng)涉及到高效率高能量的微波器件、低損耗的微波潰電、高效率高功率微波發(fā)射、高精度的波束指向、低反射高效率的微波接收、高效率的微波整流及收集，其關(guān)注點(diǎn)和相關(guān)收發(fā)機(jī)理和理論方面與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)存在很大的差距。需要重點(diǎn)考慮能量收/發(fā)合作系統(tǒng)波束匹配、功率密度/工作點(diǎn)匹配、黑體接收、大功率空間賦型波束合成、非線性負(fù)載陣列天線等問題。

2)大功率高頻器件

在中短距離的無線輸電方面，高效率大功率的應(yīng)用需求要求電源不僅擁有足夠的高頻電能轉(zhuǎn)換能力，亦需要具有穩(wěn)定可控的輸出頻率，因?yàn)殡娫吹臉?gòu)造是一個(gè)巨大的難點(diǎn)。長距離、大容量的長距離無線輸電技術(shù)更是要求相關(guān)器件的設(shè)計(jì)方法、基礎(chǔ)材料理論和機(jī)理具有重大的創(chuàng)新，是需要重點(diǎn)研究的科學(xué)問題。

3)多場耦合機(jī)理和理論

中短距離的傳輸系統(tǒng)中由于很大一部分能量散失是由于電源的功率損耗，在電源損耗與線圈之間的傳輸損耗之間取舍，需要考慮電路與高頻電磁場的耦合聯(lián)合分析計(jì)算問題。溫度變化也會(huì)導(dǎo)致最優(yōu)傳輸頻率的改變，因此還需要深入研究溫度場與電路、電磁場的耦合關(guān)系。

長距離微波功率發(fā)射陣列天線的多場問題表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)位移場、電磁場、溫度場3場的雙向及強(qiáng)耦合關(guān)系。首先要研究3場耦合建模，微波功率發(fā)射天線結(jié)構(gòu)位移場的變化會(huì)導(dǎo)致溫度場與電磁場的變化，溫度場的變化又會(huì)通過熱傳導(dǎo)方式影響結(jié)構(gòu)位移場，同時(shí)通過改變電子器件性能從而影響電磁場，因此需深入研究電磁場、結(jié)構(gòu)位移場、溫度場等多物理場之間的耦合關(guān)系，挖掘多場之間的物理聯(lián)系參數(shù)及影響因素，研究影響微波功率陣列天線綜合性能的因素，提出多場耦合理論模型的數(shù)學(xué)表達(dá)方法，尋求系統(tǒng)規(guī)劃構(gòu)造的最優(yōu)平衡解，從而解決發(fā)射天線多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域之間、多個(gè)目標(biāo)之間的耦合、計(jì)算復(fù)雜性等問題。

4)效率最優(yōu)和功率最優(yōu)控制策略

中短距離傳輸中，頻率漂移和頻率分裂的現(xiàn)象時(shí)常產(chǎn)生。頻率分裂現(xiàn)象是無線輸電系統(tǒng)中發(fā)射端與接收端之間的耦合系數(shù)存在多個(gè)極大值的現(xiàn)象，這是在磁耦合共振式和電磁感應(yīng)式無線輸電中都經(jīng)常會(huì)發(fā)生的問題。頻率分裂使系統(tǒng)控制策略面臨巨大的問題，難以快速尋找到全頻段最優(yōu)的傳輸頻率，同時(shí)對于已經(jīng)處于最優(yōu)工作點(diǎn)的系統(tǒng)，狀態(tài)很難穩(wěn)定。運(yùn)作頻率的抉擇和調(diào)控對整體傳輸效率的提升起決定性的作用。為了有效解決短中無線輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題，需要研究系統(tǒng)傳輸效率峰值如何取得的問題，確定影響效率峰值的變量因子，同時(shí)開展跟蹤系統(tǒng)傳輸效率峰值控制理論與方法研究，從而保持傳輸系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定高效的運(yùn)行狀態(tài)。

長距離傳輸中從安全性和高效率的角度都要求微波波束保持非常高的指向性。天線抖動(dòng)、電離層閃爍和大氣湍流均會(huì)直接影響高精度波束指向，依靠傳統(tǒng)的機(jī)械控制極難實(shí)現(xiàn)如此高的精度，目前主要考慮通過調(diào)整微波發(fā)射天線各發(fā)射單元的微波相位實(shí)現(xiàn)整體快速的波束高精度指向調(diào)整。由于發(fā)射天線尺寸大，發(fā)射單元多，給相應(yīng)的波束控制帶來很大的難度，對于移相精度、控制電路等提出極高的要求，有必要展開相關(guān)高精確度的波束指向控制理論與方法研究。

5)對電磁環(huán)境的影響和電磁兼容問題

在中短距離的無線輸電系統(tǒng)內(nèi)部及其工作環(huán)境中，有著各式各樣的在電子設(shè)備，在高頻大功率的電磁場中，它們很易受到干擾。相較于傳統(tǒng)的電能傳輸方式，中短距離無線傳輸系統(tǒng)中有很多對高頻電磁場敏感的參數(shù)，可成為等效負(fù)載，造成系統(tǒng)最優(yōu)傳輸頻率的漂移。尤其在中距離磁共振耦合方式中，干擾電磁場的頻率越接近系統(tǒng)的共振頻率，對傳輸?shù)挠绊懺酱?，例如其他設(shè)備中的整流、逆變模塊產(chǎn)生的高次諧波有時(shí)會(huì)與共振頻率相近，對傳輸效率會(huì)造成非常明顯的干擾。關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定工作對于電磁環(huán)境的要求，以及系統(tǒng)工作時(shí)對周邊電氣設(shè)備影響的研究還不多，這是無線輸電領(lǐng)域一個(gè)值得引起注意的重大科學(xué)問題。

無線輸電尚不能像有線傳輸模式在傳能通道上實(shí)施徹底的安全措施，也不是像無線通信方式只傳輸功率極小的信號(hào)，而是在頻率相對較高的情況下傳輸較大的能量，而在高頻磁場中人體會(huì)承擔(dān)何種程度的安全風(fēng)險(xiǎn)，以及將潛在威脅盡可能規(guī)避，至今仍舊沒有權(quán)威的定論或得到普遍認(rèn)可的結(jié)論。雖然有部分與電磁環(huán)境對傳輸?shù)挠绊憜栴}、傳輸電磁兼容問題和安全問題相關(guān)的研究，但大部分研究尚處于起步階段，有必要進(jìn)一步探究中短距離無線輸電系統(tǒng)的高頻電磁場對人體健康和自然環(huán)境是否有負(fù)面作用的問題。

對電磁環(huán)境的影響和電磁兼容問題不僅是中短距離無線輸電技術(shù)需要解決的重大問題，較大功率的微波輻射對于地面生物體和環(huán)境的長期影響效應(yīng)也需要開展深入研究。還需要特別考慮大功率微波傳輸對于通信等應(yīng)用的干擾影響、對誤進(jìn)入該區(qū)域的飛行器等的安全性研究。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)大功率高頻電源技術(shù)

高頻電源作為無線輸電系統(tǒng)中工頻交流和直流到高頻能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，在無線輸電中，需要高頻率、大功率且使用壽命長的功率放大器作為電能變換裝置，主要考慮的設(shè)備參數(shù)有輸出功率、輸出頻率、轉(zhuǎn)換效率、重量和體積等。從實(shí)際應(yīng)用需求的角度出發(fā)，高頻電源需要具備輸出頻率和相位可控且輸出高度穩(wěn)定的特點(diǎn)。但是由于器件性能的限制，傳統(tǒng)的電力電子領(lǐng)域的高頻逆變器輸出頻率不夠高，微波通信領(lǐng)域的大功率射頻功輸出功率不夠大，使用磁控管的微波源雖然可以兼顧輸出頻率和功率的要求但使用壽命短，均難以滿足無線能量供應(yīng)的要求。

無線輸電中，目前多采用電力電子逆變技術(shù)以實(shí)現(xiàn)電源的可控[19，20，30]，然而受開關(guān)管等元件的技術(shù)參數(shù)約束，這一類電源的輸出頻率若要達(dá)到兆赫茲的水平難度非常大，隨著輸出功率的提升，提升頻率難度也進(jìn)一步增強(qiáng)。在功率需求不高的場合，為達(dá)到傳輸大頻率功率的目的，使用射頻領(lǐng)域的電源技術(shù)，采用E類射頻功率放大器原理進(jìn)行電源構(gòu)造，這一種電源頻率相對更高很容易達(dá)到兆赫茲級(jí)別，不足之處在于對阻抗匹配的需求相對較高，進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證比較有難度。

2)發(fā)射端技術(shù)

磁共振耦合方式中，發(fā)射線圈線的物理參數(shù)是決定系統(tǒng)共振頻率的決定性參數(shù)，傳輸效率的關(guān)鍵因素在于線圈是否具有合適的品質(zhì)因數(shù)。線圈的品質(zhì)因數(shù)Q=ωL/R，與線圈的電感、電阻值以及系統(tǒng)工作頻率相關(guān)，所以線圈設(shè)計(jì)技術(shù)的核心就是線圈高頻下阻抗特性的調(diào)整。當(dāng)發(fā)射線圈的高品質(zhì)因數(shù)過高時(shí)，傳輸系統(tǒng)的共振頻率很高，傳輸效率也很高，但受系統(tǒng)中各種高頻雜散電容參數(shù)的影響，線圈的穩(wěn)定性相對較低，工作頻率稍有偏移效率會(huì)急劇下降。需要通過線圈自匹配技術(shù)或帶可控電容的線圈結(jié)構(gòu)控制線圈的電容參數(shù)，實(shí)現(xiàn)跟隨頻率變化的阻抗匹配。

發(fā)射線圈本身參數(shù)的優(yōu)化主要對線圈的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行考量，例如采用中繼線圈的多線圈傳輸技術(shù)、基于多場耦合聯(lián)合仿真分析技術(shù)設(shè)計(jì)具有良好磁場分布的線圈結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的效率優(yōu)化，采用超導(dǎo)材料線圈、線圈表面覆蓋磁性介質(zhì)等技術(shù)改善線圈的物理參數(shù)和傳輸通道上的磁場分布的新材料應(yīng)用與新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。

長距離微波傳輸中，發(fā)射天線尺寸極大，保證微波能量經(jīng)一定距離傳輸后仍能集中于接收天線位置。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線與接收天線之間高效率、大功率的無線輸電，微波無線輸電所要求的高增益、大功率容量、頻帶寬度等要求，需要涉及多場耦合分析與集成設(shè)計(jì)技術(shù)、天線結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)、大尺寸柔性形面高精度保持技術(shù)、精密波束調(diào)整技術(shù)和高效熱控技術(shù)等。

3)動(dòng)態(tài)跟蹤控制技術(shù)

在中短距離的無線輸電中，使得傳輸效率最大化的傳輸頻率和阻抗匹配情況均會(huì)隨環(huán)境條件的變化發(fā)生一定程度的改變，尤其是在前文提到的頻率分裂現(xiàn)象和溫度引起的頻率漂移現(xiàn)象發(fā)生時(shí)。通過系統(tǒng)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)來規(guī)避這些問題具有一定的局限性，因此目前中短距離的無線輸電的優(yōu)化和控制技術(shù)是必不可少的。

在長距離的無線輸電中，能束對準(zhǔn)接收端的狀態(tài)極大程度地影響系統(tǒng)整體效率。微波發(fā)射天線和接收天線間需要具有很高的指向精度，必須采用高精度的發(fā)射波束控制，需要研究逆向波束控制技術(shù)、大規(guī)模發(fā)射天線陣列校準(zhǔn)技術(shù)和分布式信號(hào)同步技術(shù)來實(shí)現(xiàn)所需的波束指向精度。

4 對我國電力系統(tǒng)的發(fā)展的影響

4.1 電力設(shè)備制造

圖31為需要定期更換設(shè)備電池的塔上監(jiān)測設(shè)備示意圖。應(yīng)用于高壓輸電線路塔上監(jiān)測系統(tǒng)的無線供電電源，代替使用太陽能、風(fēng)能或定期更換電池方式，安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、方便。無線輸電技術(shù)的發(fā)展與普及，會(huì)使得電力設(shè)備制造商在制造時(shí)更多考慮采用無線供電的方式或者有線無線相結(jié)合的供電方式，以保證在安全可靠運(yùn)行的條件下，提供安裝維護(hù)更為便捷、工作時(shí)長更為穩(wěn)定的電力設(shè)備。

圖31 需要定期更換設(shè)備電池的塔上監(jiān)測設(shè)備

4.2 輸電網(wǎng)

在中國，東部和西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差距逐漸增大，兩者資源占有比例非常不均，其間的矛盾也變得越來越嚴(yán)重。一些邊遠(yuǎn)山區(qū)離大電網(wǎng)距離遠(yuǎn)，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展受到了嚴(yán)重約束。而電網(wǎng)的死角，采用無線能量供應(yīng)后可以較好地得到解決。輸電領(lǐng)域最關(guān)注的問題一是效率，二是經(jīng)濟(jì)性。無線能量輸送的效率主要由3個(gè)方面決定：①電源的效率；②發(fā)射/接收天線的效率；③整流逆變裝置的效率。判斷它的經(jīng)濟(jì)性如何，需要將其與有線方式下所用的相應(yīng)器材價(jià)格進(jìn)行比較，另一方面針對某一個(gè)具體存在的輸電網(wǎng)絡(luò)，其各項(xiàng)參數(shù)屬性也與經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。

4.3 配電網(wǎng)

由于受多種因素的影響，無線充電方式在實(shí)現(xiàn)用電靈活性的同時(shí)，其充電需求在時(shí)間和空間上將具有更為隨機(jī)、分散等特點(diǎn)，增加了整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)營管理難度。在對配電網(wǎng)的影響方面，進(jìn)行大容量的無線充電時(shí)，如果沒有合理地配置變壓器容量或繼電保護(hù)裝置的工作閾值，有可能引起變壓器或配電線路的動(dòng)作、電容損耗的增加，以及電能質(zhì)量的惡化。

在無線輸電技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，電池獲得了一種新型的充電方式。作為非線性負(fù)荷，充電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的諧波污染，引起線路發(fā)熱和變壓器的附加損耗，甚至引起電感和電容諧振，這樣會(huì)加大諧波的危害，對電網(wǎng)的影響更嚴(yán)重。蓄電池作為容性負(fù)荷，其負(fù)荷功率較為低下，導(dǎo)致公司對功率因數(shù)的需求難以得到滿足。此外，無線電能供應(yīng)的品質(zhì)在一些場合下會(huì)有所降低，故在大型無線充電站中，對于安裝的電能計(jì)量設(shè)備，不僅需要能夠?qū)χC波起到消除作用，同時(shí)還需要能夠?qū)χ绷麟娔芎蛯捸?fù)載進(jìn)行計(jì)量。無線充電站主要有快充和慢充兩種情況，這就要求在充電站中，充電負(fù)荷能夠得到合理的調(diào)整，使容量達(dá)到一個(gè)比較均衡的水平。無線電能供應(yīng)類負(fù)載的充電時(shí)間較為分散，無線充電站仍要適當(dāng)安排充電行程，提升充電站的負(fù)荷利用效率。

電動(dòng)汽車對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾的因素表現(xiàn)在電動(dòng)汽車的普及程度、類型、供電時(shí)間、電能供應(yīng)方式、電池特性以及供電設(shè)施規(guī)劃建設(shè)等。對電網(wǎng)的影響具體表現(xiàn)在電力網(wǎng)絡(luò)的整體性、同步電機(jī)的穩(wěn)定、系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定以及其他影響。對于電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的方式，當(dāng)其僅限于充電站(樁)時(shí)，它對電網(wǎng)的影響就借由充電站(樁)籠統(tǒng)地反映出來。

當(dāng)下中國的電動(dòng)汽車行業(yè)正處于迅猛進(jìn)步之中，對于電網(wǎng)而言，龐大數(shù)量、不同種類電動(dòng)汽車的電能供應(yīng)行為會(huì)造成極大影響，但就電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性而言，電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能特性亦能夠提供一個(gè)新的機(jī)會(huì)。電動(dòng)汽車的商業(yè)發(fā)展模式正深深地影響著電動(dòng)汽車充電對電網(wǎng)所造成的沖擊，不確定性的因素眾多；結(jié)合負(fù)荷均衡來看待這個(gè)問題，電動(dòng)汽車的應(yīng)用和充電站電能供應(yīng)時(shí)間特性相結(jié)合可以起到削峰填谷的作用，故不會(huì)對輸電網(wǎng)造成過大的干擾，但對配網(wǎng)局部而言，可能會(huì)引起大的干擾，這主要是由其群聚效應(yīng)所引起，就這一點(diǎn)而言仍有待深入探索鉆研。與此同時(shí)，就我國的充電設(shè)施建設(shè)而言，尚存在對充電站進(jìn)行合理規(guī)劃的問題，目前還沒有特別成熟的理論與辦法。

在配電網(wǎng)規(guī)劃中進(jìn)行布點(diǎn)和配置容量對于電動(dòng)汽車的發(fā)展是必須考慮的問題。長遠(yuǎn)看來，電動(dòng)汽車進(jìn)入人們的生活是一種必然，伴隨充電和計(jì)量技術(shù)的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，分布式的家庭電能供應(yīng)必將具有極大規(guī)模，這也將成為探究電動(dòng)汽車電能供應(yīng)領(lǐng)域?qū)﹄娋W(wǎng)的干擾時(shí)必須考慮的一個(gè)重點(diǎn)因素。

4.4 智能電網(wǎng)

目前對于變電站的巡檢，有著必須要考慮的非常重要的兩個(gè)方面，一是工作效率，二是其運(yùn)行的安全可靠，在這種情況下，大力發(fā)展變電站的無人值守化，利用巡檢機(jī)器人在一定程度上替代人工巡檢已成為了一種不可避免的趨勢。變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人是近幾年開始研究和發(fā)展的，經(jīng)過這幾年的探索，我國的變電站巡檢機(jī)器人技術(shù)取得了較大進(jìn)展，在變電站巡檢機(jī)器人充電方面，已經(jīng)投入運(yùn)行的變電站巡檢機(jī)器人均采用接觸式(相當(dāng)于有線)充電方式，但是接觸式充電方式容易存在定位不準(zhǔn)確使充電裝置與機(jī)器人對接不穩(wěn)定導(dǎo)致充電失敗、有安全隱患等缺點(diǎn)。能夠不接觸充電、對定位精度要求不高、安全等優(yōu)點(diǎn)使無接觸電能傳輸技術(shù)在變電站巡檢機(jī)器人充電方面有巨大的研究價(jià)值。其中耦合諧振式的無線輸電技術(shù)的發(fā)展空間更廣闊。

電動(dòng)汽車在規(guī)?；院笠嗄軌騼?chǔ)存電網(wǎng)的電能。在使用無線輸電技術(shù)后能夠顯著提升電動(dòng)汽車與電網(wǎng)之間的互聯(lián)，極大地促進(jìn)智能電網(wǎng)的發(fā)展。具體優(yōu)勢表現(xiàn)為：

1)對于再生能源，能更好地抑制其輸出波動(dòng)。對于電動(dòng)汽車的充放電來說，采用無線輸電的方式后可以與電網(wǎng)更加強(qiáng)有力地進(jìn)行互動(dòng)，這樣便能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電和放電的自動(dòng)優(yōu)化調(diào)控，進(jìn)一步可以壓制可再生能源的波動(dòng)，對于可再生能源的消耗與容納也可以起到提高作用。

2)減少電網(wǎng)受到的沖擊。與有線的電能供應(yīng)模式相比，無線電能供應(yīng)的地點(diǎn)更加分散，對電動(dòng)汽車充電的集合程度而言比較有優(yōu)勢；因?yàn)榕c電網(wǎng)之間無物理連接，電能采用無線供能的模式其應(yīng)變能力、安全性得到了很大程度的提高，不僅能夠分開過于集中的供能時(shí)刻，而且也使得短時(shí)間供電完畢的概率極大降低。在無線電能供應(yīng)模式下，電動(dòng)汽車從電網(wǎng)取電導(dǎo)致的的不良影響得到了極大的緩解。

3)可強(qiáng)力削峰填谷，這樣便達(dá)到平衡負(fù)荷的目標(biāo)。通過用戶意愿設(shè)定，合理調(diào)度電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)，與電網(wǎng)積極互動(dòng)，完成充放電。同時(shí)電網(wǎng)穩(wěn)定性可以得到極大提高，也符合當(dāng)今節(jié)能減排的主題。

4)電池容量要求低。電池在很大程度上約束了電動(dòng)汽車的進(jìn)一步投入使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)電動(dòng)汽車的行駛里程達(dá)到150 000 km時(shí)，電池的失效問題便會(huì)變得很嚴(yán)重，這種情況不得不更換新電池。但采用無線電能供應(yīng)的模式后在很大程度上能夠降低對于電池容量大小的需求，從而達(dá)到減少經(jīng)濟(jì)成本的目的。

4.5 新能源利用

風(fēng)電、太陽能、潮汐發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等屬于新能源發(fā)電，但是它們均存在發(fā)電間隔，這樣電網(wǎng)會(huì)受到較大的沖擊影響，因而在新能源發(fā)電廠附近建設(shè)電動(dòng)汽車無線電能充電站是一種不錯(cuò)的選擇。因在距市區(qū)較遠(yuǎn)的地方是建設(shè)新能源發(fā)電廠的主要場所，在新能源電廠周圍建設(shè)充電站的主要目的是采用無線輸電的方式對需要長途行駛的電動(dòng)汽車進(jìn)行供電。這種舉措對分布式新能源發(fā)電的發(fā)展將起到非常積極的推進(jìn)功效。

作為空間太陽能電站結(jié)構(gòu)的根基，無線輸電技術(shù)是決定其結(jié)構(gòu)、效率和尺寸的一個(gè)非常重大的影響因子，同時(shí)無線輸電技術(shù)非常重大的一個(gè)使用投入方向是空間太陽能電站。目前空間太陽能電站的電能供應(yīng)主要有3種方式：①直接將太陽光反射到地面；②利用微波以無線的方式傳送電能；③利用激光以無線的方式傳送電能。對于直接將太陽光反射到地面的方式，由于太陽光線發(fā)散角的存在，需要的地面接收尺寸非常大，要求空間聚光系統(tǒng)尺寸也非常大；對于利用微波進(jìn)行電能的供應(yīng)，對接收天線的面積要求相對來說較高；對于將電能轉(zhuǎn)換激光進(jìn)行電能的供應(yīng)，要求接收面積相對較小。利用微波進(jìn)行無線方式電能的供應(yīng)是空間太陽能電站研究最多的供能方式，具有較高的轉(zhuǎn)換和供能效率，在特定頻段上的氣體、云層穿透性非常優(yōu)良，技術(shù)也比較完善，波束功率密度低，并且可以通過波束進(jìn)行高精度指向控制，具有較高的安全性。但由于波束寬，發(fā)射和接收天線的規(guī)模都非常大，工程實(shí)現(xiàn)具有較大的難度，比較適合于超大功率的空間太陽能電站系統(tǒng)。空間太陽能電站作為未來一種前景廣闊的可再生供能方式，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)便是無線輸電。天地之間的無線輸電適合采用微波或激光的方式，各有優(yōu)缺點(diǎn)，太陽能發(fā)電陣和發(fā)射天線間適合采用基于電磁耦合的無線輸電方式。由于功率巨大、傳送效率大等需求，對于各種無線方式下電能的供應(yīng)要求相對比較高。需要結(jié)合應(yīng)用加強(qiáng)無線輸電系統(tǒng)和重點(diǎn)技術(shù)的鉆研，突破核心技術(shù)，推進(jìn)性的進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，從而為將來空間太陽能電站的應(yīng)用打下一個(gè)良好的根基。

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Supported by National Natural Science Foundation of China (51377183，51277192).

Received June 1，2015；revised June 22，2015

Key Technologies and Applications of Wireless Power Transmission

ChengShijie1,3ChenXiaoliang1WangJunhua2WenJinyu3LiJinghua4

(1.Chinese Society for Electrical Engineering Beijing 100031 China2.School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China3.School of Electrical and Electronic Engineering Huazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074 China4.School of Electrical Engineering Guangxi University Nanning 530004 China)

With the rapid development of technology，the wireless power transmission (WPT) technology gradually attached high importance at home and abroad.Based on the description which refers to the background and development of WPT technology，this paper discusses the development trends and the application prospects of WPT technology.Then the important scientific problems and key technologies in the development of inductively coupled power transmission in short distance，magnetic coupled resonant power transmission in middle distance，microwave power transmission technology，and femtosecond laser energy transmission technology in long distance are discussed.Finally，the WPT technology development and application in the field of electrical equipment manufacturing technology，transmission network，distribution network，smart grid，and new energy utilization are further investigated.

Wireless power transmission，inductively coupled，magnetic coupled resonant，microwave power transmission，femtosecond laser

國家電網(wǎng)項(xiàng)目“電網(wǎng)新技術(shù)(無線輸電技術(shù))前景研究”資助。

2015-05-31 改稿日期2015-06-21

TM724

程時(shí)杰 男，1945年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閮?chǔ)能技術(shù)、人工智能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制、超導(dǎo)電力和無線輸電技術(shù)等。

陳小良 女，1961年生，博士，高級(jí)工程師，研究方向電力系統(tǒng)運(yùn)行、規(guī)劃和新技術(shù)應(yīng)用等。