2014年8月12日，《科学家》以《一场酝酿中的电力传输革命 ——访中国高铁无线供电技术研发团队》为题对我校做了报道，现将全文转发如下，以飨读者。
一场酝酿中的电力传输革命
——访中国高铁无线供电技术研发团队
近期，“高铁外交”这个词伴随着中国领导人的出访而在网络上引起热议，有媒体将国务院总理李克强称为“最佳高铁推销员”，其5次出访中曾4次明确提到高铁，频率最高时，间隔不超一个月。对仅有十年高铁建造历史的中国来说，高铁如今取得的成就足以让它成为中国在世界上最好的名片。不过这张名片也曾遭受质疑，2011年“甬温”动车事故让“中国高铁热”一度跌至冰点，尽管“甬温” 事故主要问题在于管理层面，但许多国家都不再引进中国的高铁，而转向技术同样成熟的日本。
高铁技术的国际竞争从来没有停止过。如何让中国高铁继续处于世界领先行列，这是中国相关技术人员一直思考的议题。如今一场高铁供电技术的革命正在悄然酝酿着，它计划以无线电力传输代替有线电力传输。为了深入了解这场技术变革及其背后的故事，我们有幸采访到了中国在这一研究领域的领头者——天津工业大学教授杨庆新以及他的研发团队。
供电是高铁的瓶颈
人们不会忘记2008年中国南方的冰灾，电网在这场气候灾难中遭受了致命打击，大范围的断电对经济、民生造成了恶劣影响。而这也是依赖电力供给的高铁最“担心”遇上的情况。
虽然像当年那样极端的天气并不多见，但是铁路供电线覆冰的现象却时有发生，尤其是在我国一些低温雨雪天气较多的地区。由于高铁是依靠车厢顶部的一根“受电弓”接触输电线供电，一旦输电线覆冰，“受电弓”与输电线被冰层隔开，就会造成列车断电、减速，如果大范围覆冰，列车将无法通过覆冰区。
杨庆新教授指出，目前高铁普遍采用的这种接触供电的方式，本身就存在一定的缺陷。因为即使是正常的天气，输电线与“受电弓”长期高速地摩擦，也势必造成电线磨损。而且列车一旦震动，电线就会打弧，造成烧损，如此一来，难免发生意外断电的情形，也给电网维修增加了很多负担。虽然有一些耐磨导电材料的研究，但不能从根本上解决高铁供电的稳定性问题。在这种背景下，针对高铁的无线供电技术呼之欲出。
“未来制约高铁发展的关键因素之一就是供电。”杨庆新教授说。他当年就是受到这一点启发，想到将无线电能传输技术运用在高铁上。“无线供电不需要接触，就没有摩擦损耗，也不受覆冰影响。”
从未有过的尝试
无线供电，又称“无线电力传输”。其实这一概念并不是最近才提出来的。一百多年前，著名的“交流电之父”、无线电鼻祖尼古拉·特斯拉就建立了用于无线电力传输的广播塔，他想继发明交流电之后，再一次实现电力传输革命，但因为客观条件限制，并没有成功。尽管特斯拉失败了，但“隔空传电” 的伟大设想却保留了下来。
今天，科学家们已经成功实现了无线电力传输， 基本上可以采用三种方式：电磁耦合、光电耦合与电磁共振。2007年，美国麻省理工学院一名物理教授带领的研究团队成功利用电磁共振器，在2米外点亮了一个60瓦的灯泡。然而，值得注意的是，在这项实验中高达45%的能量在传输至灯泡的途中损耗掉了。
无线供电用于小功率、近距离的电力传输是没有问题的，但用于高铁的供电，需要考虑的因素就更为复杂了。首先，列车受电的同时还处在高速运动之中，其次高铁所需的功率非常大，功率一大，又要考虑辐射问题。用无线供电来驱动高铁，这是国内外还没有人做过的尝试。
杨庆新教授的研发团队计划采用电磁共振与电磁耦合两种方式相结合的方法，以提高传输效率，解决传输中能量损耗问题。“我们让高铁的受电弓离开高压线一点点的距离，在这么小的距离内传输电能，效率是可以保障的。无线电能传输效率取决于距离。距离越远效率越低，但有科学家证明在1.9米的距离内传输效率还能达到97%，当然高铁无线供电不会离开这么远。”杨庆新教授解释说。
解决高速运动中的受电与受力问题，是研发团队接下来要做的事。因为高速运动中存在一个问题，电线切割磁场时，要受到力的作用，必须控制电线的变形，不能超过允许限度。“我们已经做了一个模型试验，一个高速旋转的电机，它配备一个电力接收装置，模拟列车受电情况。我们设计的是每秒100米，就是360公里每小时。将来模拟真正运行起来的时候，就是研究在360公里的速度下，看看发射部分和接收部分之间的受力情况，现在正在做这个实验。”
而为了消除公众对于高铁无线供电辐射问题的忧虑，杨庆新教授进一步解释道：“高速列车顶部与高压线之间大概有一米多的距离，我们的受电装置只离开高压线一点点。这个距离越小越好，越小输电效率越高。在这种情况下，电磁耦合发生在这个小距离之间，到列车顶部时，磁场已经非常弱了。再加上列车顶部我们计划安装屏蔽层，所以车厢里安全的电磁环境是可以保障的，不必要有这样的担心。”
到目前为止，国际上还没有一个高速无线供电的先例。研发团队可谓在开拓荒野，遇到的都是没人解决过的新问题，比如如何加大无线传输功率，高速运动中线圈的受力问题，磁场屏蔽实验等。“一旦我们突破了这些技术问题，离高铁无线供电的日子就不远了。”
白手起家
2008年，从河北工业大学调任天津工业大学校长的杨庆新教授，心里早有了要做无线电能传输的想法。然而最初跟随他脚步的只有两个人，一个是刚考上他博士研究生的天津工业大学教师李阳，另一个则是从河北工业大学硕士毕业，跟随杨老师一起来到天津工大，也是刚考上他博士研究生的张献。
人员的缺乏或许还不是最糟糕的，在2008年、2009年的时候，高铁无线供电并没有引起多少关注，业内有些专家更是对无线供电持反对意见，因此研究没有获得任何资金支持，全靠学校一点微薄的科研经费支撑着。据张献回忆， 当时他们连一台基础设备都没有， 许多仪器都是向别处借来的。“我们真正的研究可以说是从有了第一台自己的仪器开始，或者说从有了第一台自己的计算机开始。”杨庆新教授笑着说。
然而，这仅有3人的团队，就在如此艰苦的环境中坚持着。他们做了一些前期的基础研究，获得了国家自然基金委的认可，接着就有了一些资金支持。随后，研究队伍又加入了一些新鲜血液。从中科院自动化所毕业的张欣博士，2010年来天津工作后，通过一个偶然的机会，知道了高铁无线供电团队。张欣对项目产生了浓厚的兴趣，便加入了进来。研究队伍骨干不断扩大到今天的20余人，获得的资金支持也由最初的一两项，变成现在的近十项，其中好几项都是国家自然基金资助的。
提及今天取得的成绩，杨庆新教授笑着说：“都是摸爬滚打换来的。”团队里大部分都是杨庆新教授的学生，他们常对老师抱怨的就一句话“杨老师，太累了！”
“我想他们反映的是现实。”杨庆新教授说。最近，他带着团队刚整理完一本书稿，其内容是关于“无线电能传输技术及其应用”的。这本书凝聚了团队六年多的研究成果，目前国内外还没有过这样一本专著，为了做这本书，他们连续好多晚上都熬到深夜。
为了高铁无线供电技术能在2014年中国科协夏季科学展上顺利展出，张献和张欣带着队员们在工厂连续奋战了两个月，制作用来展出的模型。他们每天工作的时间长达15小时。“基本上是在工厂附近吃住，早上6点起来干活，午休也没有，然后晚上9点到10点才离开。那个工厂偏僻又很简陋，灯光都很暗，蚊子咬得身上都是包。”回忆刚过去的两个月，张欣颇有感慨地说。
尽管工作强度大是常有的事情，然而整个团队在杨庆新教授的带领下，却一直保持着自由、轻松、和谐的氛围。团队中每一个人都是平等的，各个项目的基金由具体的申请人管理，每个人都能从中获得机会、支持以及信任。
除了带着团队做研究，杨庆新教授还要完成作为教授的授课任务，以及作为校长的管理职责，后者占据了他大部分的精力。忙碌的他只能利用休息时间来上课，所以他的课都是安排在晚上或者周末，或许只有这样才能让他协调好这三种不同的角色。在学校，学生们都叫他“杨老师”，几乎没人叫他“杨校长”，这个简单的称谓里透着一种尊敬与亲切。
从高铁革命到电力传输革命
“也许20年后，我们会像离不开手机一样，离不开无线供电。”
杨庆新教授对整个无线电能传输领域的前景充满了期待。目前，国内已经有很多个做无线供电技术的团队，他们大都活跃在电动汽车、智能家电行业。高铁无线供电与其他团队的研究具有共性，一些基础的前沿问题需要通力解决。因此，中国电工技术学会成立了全国的“无线电能传输专业委员会”，杨庆新教授担任主任委员。从2011年开始，学会每年都有一个学术会议，召集全国各地研究无线电能传输的专家一起研讨，也会有很多人去国外参加国际会议。
“无线电能传输是国际上被看好的21世纪十项技术之一。”杨庆新教授说，“无线供电代替有线供电， 对于高铁来说，是一次革命性的改变。中国做好了示范，世界都会效仿。”