微波长距离无线电能传输是无线输电的一种方式。近日，中国电力科学研究院有限公司承担的“十米级微波无线电能传输技术研究”项目形成原理样机并完成了性能试验，在国内首次实现了20米距离内电能的无线传输。
这种技术可在小功率、中远距离用电场景中实现电能隔空补给，未来可为海岛、峡谷、深山等人迹罕至的特殊地理环境中的电能传输提供技术方案。
9月10日，中国电力科学研究院储能与电工新技术研究所蒋成博士查看了“十米级微波无线电能传输技术研究”项目样机运行的数据。这些数据为研究团队进一步提升传输效率和距离提供了重要支撑。
微波长距离无线电能传输通过将电能转化成电波进行传输和接收，传输距离十米级，可作为传统有线输电网络的重要辅助和补充手段。“十米级微波无线电能传输技术研究”项目在微波长距离无线电能传输的多个关键技术上取得突破，为后续持续提升微波无线输电的传输距离、传输效率和电磁环境安全特性，逐步实现百米级乃至千米级无线输电技术的示范应用奠定了基础。
选择合适的输电频率
在微波半暗室里，发射端与接收端两点一线，相隔20米，随着微波无线电能传输系统的启动，电能以微波形式无线输送……这是十米级微波无线电能传输原理样机的一次实验现场。
“无线电能传输技术大致可以分为电磁感应式、磁共振式、电场耦合式和微波/激光等。我们这个项目利用的就是微波的方式。”团队负责人魏斌博士介绍。
项目研制的微波无线电能传输系统样机传输距离是十米级。研究人员首先要解决的问题是，选择最适合样机的无线输电使用频率。
当前，国际通信联盟规定的可自由开发的频段有12个，主要开放给工业、科学和医学机构使用。研究人员考虑到微波源小型化以及大气衰减等因素，最终确定了实验频段。
研究团队按照一定的发射功率要求选择频率，避免对其他频段造成干扰。同时，这个频段对微波源的体积要求不是很高，微波传输效率在国际通信联盟开放的频率中是最高的。这为团队的实验打下了基础。
在电能发、传、收中解决问题
“我们这套微波无线电能传输系统主要包含微波源、发射天线、整流天线、负载4个部分。电能通过微波源转成微波能，经发射天线发射、整流天线收集整流后供给负载。”9月8日，蒋成博士介绍了实验中的电能传输过程。
2019年1月，中国电科院与国内4家科研院校和企业单位组成技术团队，在千瓦级微波源小型化（发射层面）、低衍射高聚焦天线设计方法（传输层面）、分区阵列的整流网络设计方法（接收层面）等方面开展技术攻关，目的是在实验室环境下实现20米距离的无线电波输电。
在发射层面，研发团队设计了具备放大功能的高功率密度微波电子管，并采用双曲超材料设计了高频电磁波转化装置，实现了低开启电压、高功率密度的小型化微波源，解决了传统大功率微波源小型化、轻量化的实际应用问题。
在传输层面，研发团队提出了基于高增益微波无衍射的远距离聚焦方法：通过阵列孔径场相位控制及综合优化，突破微波无线电能传输系统远距离聚焦的技术瓶颈，解决了传统收发天线之间电磁波远距离传输弥散损耗大、无线输电效率低的问题。
在接收层面，研发团队提出了基于氮化镓二极管分区分子阵的高效整流网络设计方法：根据接收阵列表面的功率分布进行分区和子阵分解，通过优化设定合适的子阵数量和各子阵所得功率，确定子阵功率边界和分布情况，保证各路整流的最佳功率匹配，解决传统接收整流阵列表面功率密度分布差异化造成的整流效率低下问题。
同时，项目采用第三代半导体氮化镓二极管作为大功率整流管，使单路整流电路在1瓦到2瓦之间效率最大化，为提升实验传输效率做好充分准备。
为特殊环境输电提供技术方案
8月26日，十米级微波无线电能传输技术研究项目通过国家电网有限公司专家组验收，实现了20米内千瓦级功率的隔空输电。
“基于取得的研究成果，项目可以应用到高空无人机、杆塔监控设备、无线传感网络等小功率、中远距离场景中，实现隔空能量补给。”蒋成在进行项目成果分析时说。
目前，在公司输电线路巡检工作中，蓄电池供电无人机已经广泛应用。在智能变配电台区全景信息采集系统中，多种功能的小功率传感器形成“传感网络”。而微波无线电能传输技术与无人机巡检技术相结合，可实现无人机灵活、安全、智能的电能续航，提高无人机巡线的工作水平。微波无线电能传输技术融入传感网络，则可以满足传感器的补能需求，优化网络布局。
此外，在发生自然灾害或特殊抢修情况时，这项技术可以帮助受灾地区或停电区域快速恢复供电。小型化可移动微波无线输电设备还可以用于为大容量临时用户供电。
（中国电科院供图）
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