采用微波無線供電系統(tǒng)國外研發(fā)成功

　　因東日本大地震的影響，日本的“電子信息通信學(xué)會2012年綜合大會”隔了一年才再次舉辦。在2010年的上屆大會上吸引了與會者目光的無線供電技術(shù)此次更是備受矚目。本屆大會的發(fā)表數(shù)量增加，甚至有人站著聽講。

　　上屆綜合大會上大多是旨在用于汽車的研究發(fā)表，而此次還出現(xiàn)了瞄準其他用途的動向。除了汽車和已經(jīng)開始實用化的智能手機外，從mW級的小電力到1萬kW以上大電力用途的應(yīng)用已經(jīng)開始進入具體討論階段。

　　以mW級為例，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）和京都大學(xué)等考慮在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用無線供電。京都大學(xué)試制出了采用微波無線供電的系統(tǒng)，用作ZigBee通信方式的無線傳感器驅(qū)動電源。超大電力方面也有發(fā)表顯示，宇宙光伏電站（solar power satellite/station：SPS）的綜合研究正在一點一滴地扎實推進。

　　考慮到對人體影響的線圈

　　此次，除了應(yīng)用范圍得到擴大外，還大量發(fā)表了解決實用化課題的研究成果。比如，對人體影響的評測以及電力傳輸效率的提高。

　　尤其是對人體影響的評測，在實用化時是不可或缺的。此前基本沒有相關(guān)發(fā)表，而此次設(shè)想了實際利用場景的影響評測接連不斷。

　　圖1：用途不斷擴大

　　無線供電的應(yīng)用范圍在不斷擴大。此前大多是面向智能手機和汽車的研究開發(fā)，而最近，從傳感器到宇宙光伏發(fā)電等多種用途的應(yīng)用已經(jīng)進入具體討論階段。

　　例如，東京理科大學(xué)的研發(fā)小組發(fā)表了設(shè)想為人工心臟的電源無線供電的研究內(nèi)容。該小組驗證了供受電線圈配置位置不同時的人體輻射變化（圖2）。比較了配置在胸大肌上和配置在前鋸肌上（靠近腋下）的情況。供電線圈和受電線圈間的距離為5mm。傳輸條件方面，輸出電力為20W，傳輸頻率為600kHz。

　　圖2：減小電流密度

　　設(shè)想用于人工心臟，探討了應(yīng)該將線圈配置在人體的哪個位置。比較了配置在胸大肌上和前鋸肌上（靠近腋下）的情況后得知，配置在胸大肌上可以減小電流密度。，體素模型以信息通信研究機構(gòu)（NICT）的模型為基礎(chǔ)。（圖由本刊根據(jù)東京理科大學(xué)副教授柴建次的數(shù)據(jù)制作）

　　驗證結(jié)果顯示，起刺激作用的指標(biāo)——電流密度J（A/m2）在受電線圈周圍的皮膚和肌肉上稍高，為2～4A/m2，不過仍然在國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）的職業(yè)輻射標(biāo)準值。比較供受電線圈的配置位置后證實，根據(jù)電流密度的分布來看，“考慮到對肺和肝臟等臟器的影響，還是配置在胸大肌上比較合適”（東京理科大學(xué)基礎(chǔ)工學(xué)部電子應(yīng)用工學(xué)科副教授柴建次）。

　　電磁場對人體組織產(chǎn)生的主要影響包括：人體組織內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱引起溫度上升的熱作用，以及感應(yīng)電流引起肌肉和神經(jīng)興奮的刺激作用。熱作用的指標(biāo)采用單位重量的吸收電力SAR（specific absorption rate（W/kg）），刺激作用的指標(biāo)采用電流密度J（A/m2）和體內(nèi)電場E（V/m）。

　　“人體碰到受電側(cè)周圍存在的非接地導(dǎo)體時的接觸電流也應(yīng)該列入考慮范圍”。這是首都大學(xué)東京的教授多氣昌生領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)小組提出的。該小組在此次發(fā)表中表明，有時即使達到了ICNIRP指南的基本限制值，也達不到接觸電流的參考水平。

　　提高系統(tǒng)整體的效率

　　關(guān)于電力傳輸效率的提高，仍在繼續(xù)推進面向?qū)嵱没呐e措。此次，松下和靜岡大學(xué)等針對線圈形狀方面的改進做了發(fā)表。松下證實，線圈卷繞方式不同，“磁共振式”無線供電的傳輸效率也不同（圖3）。作為近距離傳輸用途，從中心向外側(cè)緊密卷繞銅（Cu）線，從而增大了容量成分C的螺旋式線圈比較合適。

　　圖3：緊密卷繞線圈

　　松下證實，在不同的線圈卷繞方式下，電力傳輸效率各不相同。作為近距離傳輸用途，向線圈Ⅲ那樣從中心向外側(cè)緊密卷繞銅線增大了容量成分C的方式比較適合。（圖由本刊根據(jù)松下的發(fā)布資料制作）

　　此外，RyuTech公司代表董事粟井郁雄提出，“開發(fā)時應(yīng)該考慮到系統(tǒng)整體”。他呼吁，電子信息通信學(xué)會上的眾多天線和通信技術(shù)人員與“其他行業(yè)”的電源電路技術(shù)人員必須展開合作。這是因為，要想提高系統(tǒng)整體的效率，不僅是線圈間的效率，還需要與前段的高頻電源和后段的整流電路等實現(xiàn)優(yōu)化。