可再生能源接入电力系统后，存在哪些新的电能质量问题及解决方法

无线电力传输:科学家试用微波传输太阳能

法属留尼汪位于浩瀚的印度洋中，岛上有处风景美丽的山谷，一个名为格兰德－巴辛的小村庄就坐落在山谷里。这个只有10来户人家的村庄远离闹市，无力承担铺设电源电缆的昂贵费用，因此村民的用电主要依靠太阳能。由于小岛上空常常遮云蔽日，人们每天享受太阳能电能的时间仅为数小时，多年来，村民一直期盼着更丰富的电力资源。 值得庆幸的是，出生在该岛、现在法国国家科学研究中心工作的科学家古依·皮格努莱特所负责的无线电力传输（WPT）技术研究，将有望帮助他们梦想成真。 科学家认为，人类能源消耗量巨大，今后数十年内，全球将面临能源危机。从目前看，核能和包括太阳能、风能等在内的可再生能源将是未来的能源，但它们却各有弊端：核能产生的核废料使它成为一块烫手山芋；太阳能、风能受限于自然环境，此外，由于电力自身的两大缺点---不能储存和不易传输，因此有人认为，即使未来大量使用太阳能发电，人们也难以将沙漠中太阳能板产生的电能用电线输送到遥远的人类居住区。 针对上述情况，具有远见的科学家在20世纪的后十几年便开始着手研究无线电力传输技术。法国科学家古依·皮格努莱特、美国阿拉巴马州立大学教授理查德·福克和日本河边大学教授鹿谷信顺都是该项新技术的开拓者，他们无不看好这次机遇。 根据科学家构想，未来的无线电力传输系统将解决电力生产和输送两大问题。首先，他们计划将50千米宽的太阳能板安装在月球上或在地球太空轨道上飞行，由于这时的太阳能板不像在地球上那样受空中云彩、大气尘埃以及白昼交替的影响，因而接受的光照将比在地球上多8倍。电能产生后，科学家构想的第二步便是通过微波束把电能传向地球，由地面上长达10千米的矩形天线接收。每套由空中太阳能电池板和地面接受装置构成的电力产生和无线传输系统，其发电量相当于一座地面核电站。 早在1913年，既是航海家又是网球选手的法国人罗兰·加洛斯（承办法国网球公开赛的法国国家网球场就以他的名字命名）就提出能否从地面为空中飞行器提供动力的问题，随着微波炉和移动电话技术的成熟，加洛斯的问题有了答案。留尼汪大学的帕垂克·金狄解释说，从低频波到宇宙射线，整个电磁波波谱皆存在着波动。而波动向外发射时携带着能量，频率越高，能量越大。如果这些波能烹饪食品，当然也能提供电能，人们要做的仅仅是将微波转变成长波。 今年5月，留尼汪岛上召开了一次无线电力传输技术的国际会议。根据会议制定的纲要，工作频率在2．45千兆赫兹的磁控管（类似家用微波炉中的磁控管）将用于波动传输，该频率可使能量轻易穿过大气层，随后能量被由盘式天线、低压电流二极管和电子束回旋加速器（波动转换器）共同组成的地面设备"捕获"，最终转变成高压直流电源。会议上，研究人员还展示了一台样机并进行了演示。 3个月前，日本负责太空研究的竹之内纳曾宣布，2040年时，日本将在地球空间轨道上建造一座重达2万吨的太阳能电池板，发电能力为1000兆瓦。他说，这可能是清洁和永久性的能源，缺点是电价格将是现在核电售价的7倍。价格固然高，但皮格努莱特相信，由于石油燃料日趋枯竭和核燃料废物增加已造成越来越多的隐患，今后全球最终都将向日本学习，发展无线电力传输。 皮格努莱特表示，无线电力传输工程规模巨大，不亚于当年巴拉马运河的开凿和英吉利海底隧道的建造。如此工程，资金是最大的问题。科学家希望在月球上利用机器人采集月球材料建造大型太阳能电池板的设想要让商业银行家信服，目前也许还是天方夜谭。另外，尽管在月球上建太阳能电池板比在地球空间轨道上建耗费要小得多，但要立刻盈利仍然十分困难。皮格努莱特认为现在唯一的希望是政府投资，而要获得工程经费，科学家必须向全球的政策制定者证明天空无线电力传输的优越性。 1991年皮格努莱特向美国、加拿大和日本同行建议，在他出生的留尼汪岛进行无线电力传输试点项目，他认为该岛是世界首台工业化无线电力传输系统安装场地的理想地。现在，留尼汪大学的帕垂克·金狄作为无线电力传输试验项目经理，正负责将磁控管同离村庄最近的地面电源电缆相连，并发射微波能量，微波跨过村庄由一个15平方米的矩形天线接收。金狄说，他们的预算为25万法郎（约合3．1万美元），无线电力传输系统将在今后几年内完成。 为帮助试验地区的村民消除对微波的担忧，研究人员在当地学校举办了展览，让大家明白试验系统的工作原理，了解试验没有危害的原因。皮格努莱特说，对微波的担心纯粹源于无知。微波炉的危害在于炉中微波密度高，但如果其微波射向宽广的区域，则毫无危险可言。也就是说，如果将手放入工作中的微波炉中，手会被烧伤；但将微波炉门打开，人站在离其3米以外，不会对人体造成任何伤害。就像电灯一样，用手去触摸亮着的灯泡会感到灼热，但并不妨碍人们在灯下阅读报纸。

关键词： 无线电力传输技术 电磁感应 射频 原理与应用前景

1.引言

自17世纪人类发现如何发电后就用金属电线来四处传输电力。时至今日，供电网、高压线已遍布全球的角角落落。在工作和生活中，越来越多的电器给我们带来极大便捷的同时，不知不觉各种“理不清”的电源线、数据线带来的困扰也与日俱增。不过，这些年的科技发展表明，在无线数据传输技术日益普及之时，科学家对无线电力传输（Wireless Power Transmission，WPT）的研究也有了很大突破，从某种意义上来讲，无线电力传输也不再是幻想——在未来的生活中摆脱那些纷乱的电源线已成为可能。

2.无线电力传输的发展历史

19世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”的名尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）在电气与无线电技术方面作出了突出贡献。他1881年发现了旋转磁场原理，并用于制造感应电动机；1888年发明多相交流传输及配电系统；1889—1890年制成赫兹振荡器；1891年发明高频变压器（特斯拉线圈），现仍广泛用于无线电、电视机及其他电子设备。他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，并在1899年演示了不用导线采用高频电流的电动机，但由于效率低和对安全方面的担忧，无线电力传输的技术无突破性进展［1］。1901—1905年在纽约附近的长岛建造Wardenclyffe塔，是一座复杂的电磁振荡器，设想它将能够把电力输送到世界上任何一个角落，特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。

2001年5月，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。其后，2003年在岛上建造的10kW试验型微波输电装置，已开始以2.45GHz频率向接近1km的格朗巴桑村进行点对点无线供电。

2005年，香港城市大学电子工程学系教授许树源成功研制出“无线电池充电平台”，但其使用时仍然要将产品与充电器接触。

2006年10月，日本展出了无线电力传输系统。此系统输出端电力为7V、400mA，收发线圈间距为4mm时，输电效率最大为50%，用于手机快速充电。

2007年6月，美国麻省理工学院的物理学助理教授马林·索尔贾希克研究团队实现了在短距离内的无线电力传输。他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.83米）之外连接在另一个线圈上的60瓦的灯泡被点亮了。这种马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振”。

2008年9月，北美电力研讨会发布的论文显示，他们已经在美国内华达州的雷电实验室成功地将800W电力用无线的方式传输到5m远的距离。

2009年10月，日本奈良市针对充电式混合动力巴士进行了无线充电实验。供电线圈埋入充电台的混凝土中，汽车驶上充电台，将车载线圈对准供电线圈就能开始充电。

3.无线电力传输的基本原理

3.1电磁感应——短程传输

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系与转化。电磁感应是电磁学中的基本原理，变压器就是利用电磁感应的基本原理进行工作的。利用电磁感应进行短程电力传输的基本原理如图1所示，发射线圈L1和接收线圈L2之间利用磁耦合来传递能量。若线圈L1中通已交变电流，该电流将在周围介质中形成一个交变磁场，线圈L2中产生的感应电势可供电给移动设备或者给电池充电。

3.2电磁耦合共振——中程传输

中程无线电力传输方式是以电磁波“射频”或者非辐射性谐振“磁耦合”等形式将电能进行传输。它基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电力高效传输。在电子学的理论中，当交变电流通过导体，导体的周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波的频率低于100khz时，电磁波就会被地表吸收，不能形成有效的传输，当电磁波频率高于100khz时，电磁波便可以在空气中传播，并且经大气层外缘的电离层反射，形成较远距离传输能力，人们把具有较远距离传输能力的高频电磁波称为射频（即：RF）。将电信息源（模拟或者数字）用高频电流进行调制（调幅或者调频），形成射频信号后，经过天线发射到空中；较远的距离将射频信号接收后需要进行反调制，再还原成电信息源，这一过程称为无线传输。中程传输是利用电磁波损失小的天线技术，并借助二极管、非接触IC卡、无线电子标签，等等，实现效率较高的无线电力传输。

具体来说，整个装置包含两个线圈，每一个线圈都是一个自振系统。其中一个是发射装置，与能量相连，它并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，通过发射线圈向外发射电磁波，在周围形成一个非辐射磁场，即将电能转化为磁场。当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。图2是一个典型的利用电磁共振来实现无线电力传输的系统方案。电磁波的频率越高其向空间辐射的能量就越大，传输效率就越高。

3.3微波/激光——远程传输

理论上讲，无线电波的波长越短，其定向性越好，弥散就越小。所以，可以利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发利用、解决未来能源短缺问题也有着重要意义。1968年，美国工程师彼得格拉提出了空间太阳能发电（Space Solar Power，SSP）的概念。其构想是在地球外层空间建立太能能发电基地，通过微波将电能送回地球。

4.无线电力技术的应用前景

无线电力传输作为一种先进的技术一般应用于特殊的场合，具有广泛的应用前景。

4.1给一些难以架设线路或危险的地区供应电能

高山、森林、沙漠、海岛等地的台站经常遇到架设电力线路困难的问题，而工作在这些地方的边防哨所、无线电导航台、卫星监控站、天文观测点等需要生活和工作用电，无线输电可补充电力不足。此外，无线输电技术还可以给游牧等分散区村落无变压器供电和给用于开采放射性矿物、伐木的机器人供电。

4.2解决地面太阳能电站、水电站、风力电站、原子能电站的电能输送问题

我国的新疆、西藏、青海等地降雨量少、日照充足且存在大片荒芜土地，南方部分地区水力、风力资源丰富，这些地区有利于建造地面太阳能发电站或水电站、风力电站。可是，这些地区人烟稀少、地形复杂，在崇山峻岭之中难以架设线路，这时无线输电技术就有了用武之地。采用无线输电技术，还可以把核电站建在沙漠、荒岛等地。这样一方面便于埋葬核废料，另一方面当电站运行发生故障时也可以避免对周围动植物的大量伤害和耕地的污染。

4.3传送卫星太阳能电站的电能

所谓卫星太阳能电站，就是用运载火箭或航天飞机将太阳能电池板或太阳能聚光镜等材料发送到赤道上空35800km的地球静止同步轨道上。在太空的太阳光线没有地球大气层的影响，辐射能量十分稳定，是“取之不尽”的洁净能源。并且一年中有99%的时间是白天，其利用效率比地面上要高出6—15倍［3］。在那里利用太阳能电池板把阳光直接转变为电能，或者用太阳能聚光镜把阳光汇聚起来作为热源，像地面热电厂一样发电。这样产生的电能供给微波源或激光器，然后采用无线输电技术将大功率电磁射束发送至地面，接收到的微波能量经整流器后变成直流电，由变、配电设施供给用户。

　 4.4无接点充电插座

随着无线电力技术的发展，一些小型用电设备已经实现了无线供电。如：电动牙刷、“免电池”无线鼠标、无线供电“膜片”/“垫”等。无线供电“膜片”/“垫”是一种家用电器无线供电方式，用一片图书大小的柔软塑料膜片就可对家电进行无线供电，可为圣诞树上的LED、装饰灯、鱼缸水中的灯泡、小型电机、手机、MP3、随身听、温度传感器、助听器、汽车零部件、甚至是植入式医疗器件等供电。

4.5给以微波发动机推进的交通运输工具供电

现在大部分交通运输工具燃烧石油产品，其发动机叫做柴油发动机、汽油发动机等。与此类比，以微波作为能源推进的发动机叫做微波发动机。微波是工作频率在0.3—300GHz的电磁波，不能直接用它来驱动电动机，因为要设计出在如此高的频率下工作的发动机非常困难。如果思路加以改变，把微波能量转变为直流电流的整流器，那么微波就可以直接作为交通工具的能源了。煤、石油、天然气的存储量有限，而日消耗量巨大，总有耗尽之日，到那时卫星太阳能电站可望成为能源供给的主干，通过无线输电技术就可以直接把微波能量输给交通运输工具。

4.6在月球和地球之间架起能量之桥

世界人口的不断增长和地球资源的日益耗尽，太阳系中其他星球的开发利用是人类一直以来的夙愿。月球是地球的天然卫星，其上资源丰富，地域辽阔，是首先要开发的星体。未来人类对月球的利用主要是移民和资源获取。月球的土壤里富含SiO2，是制造太阳能电池的原料。如果先在月球上建立起工厂，然后把太阳能电站直接建在月球上，比起建在地球静止同步轨道上要容易些，借助于微波束或激光束把电能发送到地球。

5.结语

随着无线电力传输技术的不断发展与成熟，不但使人们未来的生活有望摆脱手机、相机、 笔记本 电脑等移动设备电源线的束缚，享受在机场、车站、酒店多种场所提供的无线电力，而且可用于一些特殊场合，如人体植入仪器如心脏起搏器等的输电问题、新能源（电动）汽车、低轨道军用卫星、太阳能卫星发电站等。在世界经济迅速发展的今天，节能和新的、可再生能源的开发是摆在能源工作者面前的首要问题。太阳能是取之不尽、用之不竭的干净能源。除核能、地热能和潮汐能之外，地球上的所有能源都来自太阳，建造卫星太阳能电站是解决人类能源危机的重要途径。要将相对地球静止的同步轨道上的电能输送的地面，无线输电技术将发挥至关重要的作用。从长远来看，该技术具有潜在的广泛应用前景。但是，每一种无线传输方式，都有一系列问题需要解决，如电能传输效率问题，电力公司如何收费和计费，能量传输所产生的电磁波是否对人体健康带来危害，等等。不管怎样，一旦这项技术能够普及，就会给人们的生活带来巨大的便利。

参考文献:

［1］白明侠，黄昭.无线电力传输的历史发展及应用［J］.湘南学院学报，2010，31，（5）：51-53.

［2］刘永军.无线电力传输技术：创造未来空间神话［J］.中国电子商情（基础电子），2008，11：70-75.

2.一般情况下，电厂里面有好几个变压器的，要检修的时候总归要开一台，一般情况下不会全停的。一般假设发电机出来的是6.6KV给一段给变压器升到110KV输送，一段给厂用电，像磨煤机等设备，然后再变压器降压到400V给照明啊什么的。

3.输送就是发电机假设出来6.6KV的电（一般情况下的电压等级），然后到升压变压器到110KV然后经过电网输送出去。

新西兰的一家初创企业开发出了一种无需使用铜线就能安全、无线地远距离传输电力的方法，并正在与该国第二大电力分销商合作实施。 无线输电的梦想远非新鲜事物，大家最尊敬的电气天才尼古拉·特斯拉曾在19世纪90年代证明，他可以用140英尺长的特斯拉线圈为两英里以外的灯泡供电，尽管他这样做时烧坏了当地发电厂的发电机，让整个科罗拉多斯普林斯镇陷入停电状态。

特斯拉的梦想是在世界各地安放巨大的塔楼，可以将电力无线传输到全球任何一点，为家庭、企业、工业甚至是海洋上的巨型电动船供电。投资人J. P. 摩根用一个著名的问题扼杀了这个想法： "那我把电表放在哪里？"

120年后，但新西兰公司Emrod似乎终于说服了一家主要的电力分销商，让他们在供电传输无线化方面有所突破。新西兰第二大配电商Powerco正在投资Emrod，其技术似乎能够更有效地在任何两个可以用继电器连接的点之间转移大量电力。

Emrod公司目前已经制作出一个可以工作的原型设备，还将为Powerco公司制造另一个原型，计划在10月前交付，然后花几个月时间在实验室测试，最后转入现场试验。该原型设备将能够提供 "仅几千瓦"的电力，但可以很容易地扩大规模。"我们可以使用完全相同的技术在更远的距离上传输100倍的功率，"Emrod创始人和连续创业者Greg Kushnir说。"并且，使用Emrod技术的无线系统可以传输当前有线解决方案传输的任何功率。"

该系统使用一个发射天线、一系列继电器和一个接收整流天线（能够将微波能量转化为电能的整流天线），这些组件中的每一个都简单地出现在电线杆上，看起来就像一个大块的方块。它的波束使用无线电频谱中的非电离工业、科学和医疗波段，包括Wi-Fi和蓝牙中常用的频率。

与特斯拉全球通用免费电力梦想不同，这种方法可让电力直接在特定的点之间传输，周围没有任何辐射，在鸟类、无人机、窃电者或直升机等任何物体接触到主光束之前，一个 "低功率激光安全幕 "会立即关闭电力传输，所以放置仪器的位置有了更大的灵活性。

Emrod表示，它还可以在任何大气条件下工作，包括雨、雾和尘埃，传输距离仅受限于每个中继器之间的视线，使其有可能将电力传输数千公里，而所需的基础设施成本、维护成本和有线解决方案对环境的影响却微乎其微。

Emrod认为无线传输是可再生能源发电的一项关键技术，因为可再生能源发电通常是在远离需要的地方进行。这种系统可以很好地将海上和远程可再生能源发电的产品送入城市电网，而不需要巨大的蓄电池。它在某些意外停电事件中也很方便；一辆卡车可以安装一个矩形天线，然后在中继器可以在可视范围内的任何地方行驶，从而建立一个临时的无线电源连接。

该公司在整个开发过程中一直与新西兰无线电频谱管理部门保持沟通，以期在该技术达到高功率水平时也能满足所有安全标准，Kushnir表示，这一过程也帮助Emrod为将使用该技术的公司制定了指导方针。

电能不是可再生能源，是一种二次能源。

电能是由煤炭、水力、天然气、石油等一次能源转换来的，是经过加工后，由一次能源转化而成的二次能源。而可再生资源是指不需要人力参与便会自动再生，取之不尽、用之不竭的能源，所以电能不是可再生资源。

电能是指使用电以各种形式做功的能力，既是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，又是电力部门向电力用户提供由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品，它同样具有产品的若干特征，如可被测量、预估、保证或改善。

电能形式

日常生活中使用的电能，主要来自其他形式能量的转换，包括水能（水力发电）、热能（火力发电）、原子能（核电）、风能（风力发电）、化学能（电池）及光能（光电池、太阳能电池等）等。

电能也可转换成其他所需能量形式，如热能、光能、动能等等。

电能可以靠有线或无线的形式，作远距离的传输。

智能电网是信息通信、自动化、能源等技术与传统电网高度集成而形成的新型智能化电网。包括发电、输电、变电、配电、用电、调度六个环节。