無線電力傳輸技術的發(fā)展

1、無線電力傳輸技術的開展人類追逐自由的本能，在現(xiàn)實面前屢屢受挫。自從廣泛使用電能以來，許多人都為了那 些電器拖著的長長電線而絞盡腦汁，但無線供電卻一直只能作為一個在前方遠遠招手的夢 想。現(xiàn)在，我們也許看到了一線曙光。在2021年8月的英特爾開發(fā)者論壇(IDF, Intel Developer Forum)上，西雅圖實驗室的 約書亞史密斯(Joshua R. Smith)領導的研究小組向公眾展示了一項新技術-基于磁耦合共振原理的無線供電，在展示中成功地點亮了一個一米開外的60瓦燈泡，而在電源和燈泡之間沒有使用任何電線。他們聲稱，在這個系統(tǒng)中無線電力的傳輸效率到達了75%。大劉在三體II黑暗森林?中

2、描繪了一個兩百年后的世界。因為人們掌握了可控核聚變技 術，可以提供極大豐富的能源，無線供電的損失在可接受范圍之內(nèi)，所以大局部電器都可以采用無線方式來供電，從電熱杯一直到個人飛行器都是如此。電像空氣一樣無處不在，人類再也不用受電線的拖累了。正如書中所提到的那樣，無線供電技術現(xiàn)在也已經(jīng)出現(xiàn)了。實際上，近距離的無線供電技術早在一百多年前就已經(jīng)出現(xiàn)，而我們現(xiàn)在生活中的很多小東西，都已經(jīng)在使用無線供電。也許不遠的未來，我們還會看到遠距離和室內(nèi)距離的無線供電產(chǎn)品，而不會看到電線桿和高壓線，插頭也將會變成一個歷史名詞。好兆頭英特爾的這種無線供電技術，是基于麻省理工大學的一項研究成果而開發(fā)的。2007年6月，

3、麻省理工大學的物理學助理教授馬林 索爾賈希克(Marin Soljacic )和他的研 究團隊公開做了一個演示。他們給一個直徑60厘米的線圈通電，6英尺(約1.9米)之外連接在另一個線圈上的60瓦燈泡被點亮了。這種馬林稱之為“WiTricity技術的原理是 磁耦 合共振，而他本人也因為這一創(chuàng)造獲得了麥克阿瑟基金會2021年的天才獎。新技術所消耗的電能只有傳統(tǒng)電磁感應供電技術的百萬分之一，不由讓人們對室內(nèi)距離的無線供電重新燃起了希望。而它的關鍵在于共振?？茖W家們早就發(fā)現(xiàn)，共振是一種非常高效的傳輸能量方式。我們都聽過諸如共振引起的鐵橋坍塌、雪崩或者高音歌唱家震碎玻璃杯的故事。無論這些故事可信度如何

4、，但它們的根本原理是正確的：兩個振動頻率相同的物體之間可以高效傳輸能量，而對不同振動頻率的物體幾乎沒有影響。在馬林的這種新技術中，將發(fā)送端和接收端的線圈調(diào)校成了一個磁共振系統(tǒng)，當發(fā)送端產(chǎn)生的振蕩磁場頻率和接收端的固有頻率相同時，接收端就產(chǎn)生共振，從而實現(xiàn)了能量的傳輸。根據(jù)共振的特性，能量傳輸都是在這樣一個共振系統(tǒng)內(nèi)部進行，對這個共振系統(tǒng)之外的物體不會產(chǎn)生什么影響。這就像是幾個厚度不同的玻璃杯不會因為同一頻率的聲音而同時炸碎一樣。最妙的就是這一點了。 當發(fā)射端通電時，它并不會向外發(fā)射電磁波，而只是在周圍形成一個 非輻射的磁場。這個磁場用來和接收端聯(lián)絡，激發(fā)接收端的共振，從而以很小的消耗為代價 來

5、傳輸能量。在這項技術中，磁場的強度將不過和地球磁場強度相似， 人們不用擔憂這種技 術會對自己的身體和其他設備產(chǎn)生不良影響。在2007年馬林演示他的成果的時候，這項技術能夠到達40%左右的效率。這在某些場合是可以接受的，但是人們還想更進一步。剛剛我們提到的英特爾公司研究員們已經(jīng)把傳輸效率 提升到了75%，而馬林小組最近聲稱，他們做到了90%。這意味著，一年之間提高到原來的兩倍以上！雖然成效驚人，但改良空間也依然很大。下一步，有望在提高傳輸效率的同時縮小發(fā)射端和接收端的體積，最終實現(xiàn)用電設備內(nèi)置接收端的目標。想象一下， 這會對生活帶來什么樣的影響？我們可以完全從需要的角度出發(fā)來擺放家用電器，不用再

6、考慮附近是否有插座；我們在裝修房間的時候不用再考慮如何布設電線，筆記本電腦和這樣的小件電子設備永遠顯示電池充滿，清掃機器人在房間里跑來跑去，不用過一會就去找地方充電這一天也許很快就會來到。市場上已經(jīng)有了一些采用這種技術的原 型產(chǎn)品，廣泛使用也只是時間問題罷了。第二基地尼古拉 特斯拉(Nikola Tesla )的夢想一一使用電磁波來遠距離供電 一一也許很快就會變成 現(xiàn)實。早在1890年，這位現(xiàn)代交流電系統(tǒng)的奠基者就開始設想無線供電方法，最后提出了 一個非常宏大的方案 一一把地球作為內(nèi)導體、距離地面約60千米的電離層作為外導體，在 地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振，再利用環(huán)繞地球的外表

7、電磁波來遠距離傳輸電力。他想像播送一樣，將電能傳遍全球。為此，在J. P.摩根的資助下，他在紐約長島 建立了57米高的瓦登克里夫塔(Wardenclyffe Tower)來實現(xiàn)這一設想， 但最終被迫放棄。 雖然我們現(xiàn)在可以從理論上證明特斯拉的方案確實可行，但是出于世界上各個國家的區(qū)隔， 這種夭下大同在短時間內(nèi)恐怕不會成為現(xiàn)實。不過另一種遠程無線供電方案可能會更容易實現(xiàn)一點。加拿大科學家正方案制造一架無人飛機，飛行高度33千米，可以在空中連續(xù)飛行幾個月。這可能是世界上第一架可以真正投入使用的遠程供電飛機，本身不攜帶燃料，而是從地面的微波站中獲取能量。微波是指那些頻率在300MHz到300KMHZ

8、之間的電磁波， 它的波長在1米到1毫米之間。 因為電磁波的頻率越高， 能量就越集中，方向性也越強，所以人們認為，使用微波來無線傳 遞能量可能是最好的選擇。 更何況，微波可以通過硅整流二極管大線轉換成電能， 轉化效率 可以高達95%以上一一這樣高的轉化率已經(jīng)可以讓人滿意了。在這架無人機起飛之后，地面的高功率發(fā)射機通過大線將發(fā)射機所產(chǎn)生的微波能量會聚成能 量集中的窄波束，然后將其射向高空飛行的微波飛機。微波飛機通過微波接收天線接收能量， 轉換成直流電，再由直流電動機帶動飛機的螺旋槳旋轉。因為無需攜帶燃料和發(fā)動機，這種飛機的有效載荷將會大大提升。其實早在1968年，美國航天工程師彼得 間太陽能發(fā)電(

9、SSP , Space Solar Power)發(fā)電，然后通過微波將能量無線傳輸回地面, 是在僅數(shù)十千米的距離上用微波傳遞能量， 射向地面接收站。想象一個地球同步衛(wèi)星。它停留在赤道上空36 , 000千米的高度，太陽能電池陣列始終對太陽定向，微波發(fā)射天線那么瞄準地面的接收大線。這兒，不存在在地面接收太陽能所必然面臨的照射時間、氣候、重力等問題，每年有277天可以全天接受日照，而被地球遮擋時， 最長停電時間也不過75分鐘。它每年有99%以上的時間把源源不斷的太陽光能轉化為電能， 效率將比地面上同樣規(guī)模的太陽能電站高出十倍左右。19771980年，美國宇航局和能源部共同出資，對空間太陽能發(fā)電的問題

10、進行了概念研究，得出結論：這種方式不存在不可克服的技術困難。但是后來這個方案一度被鎖進保險柜，原因在于耗資驚人。目前把物品送上太空還是很花錢的，要在太空中組裝一顆收集太陽能來發(fā)電的衛(wèi)星，本錢令人難以接受。格拉澤(Peter Glaser)就已經(jīng)更進一步，提出了空的概念。他設想在大氣層外通過衛(wèi)星收集太陽能并且重新轉化成電能供人使用。這一設想，不而是要把能量在三萬多千米之外，從太空精確地不過，隨著地球上不可再生資源的逐漸消耗，這個方案又被擺上了桌面?，F(xiàn)在有幾個能源消耗大國和能源匱乏的國家正在論證這種方案的可行性，并且開始了小規(guī)模實驗， 來驗證在大氣內(nèi)進行微波能量傳遞以及從太空向地面發(fā)射微波束的實際

11、效果，而目前比擬樂觀的估計 是，20212021年太陽能發(fā)電衛(wèi)星就可以進入實用階段了。親愛的，你需要電？感謝邁克爾 法拉第(Michael Faraday)，這個英國人在1831年發(fā)現(xiàn)的電磁感應，帶著我 們進入了電氣時代。到了今天，誰不需要電？法拉第的發(fā)現(xiàn)，也促進了近距離無線供電技術的開展。最早的工業(yè)化近距離無線供電技術早在1885年就已經(jīng)被實際應用了：隨便拆開一個家用變壓器，我們就會看到變壓器里會有兩 組導線纏在一個鐵芯框架上，但它們彼此并沒有直接相連。不僅如此。公共交通卡、一些學校的飯卡，還有二代身份證，這些也都需要電。在這些卡證中都有一塊小小芯片，里面最少存儲著一個唯一的編號。這一小塊芯

12、片就像是我們的一條內(nèi)存或者一塊硬盤，沒有電的時候，它和一粒沙子沒什么區(qū)別。 即使儲存了很多信息， 也沒有 方法傳遞出來。這種卡證的供電原理與變壓器的原理類似。讀卡機周圍會形成一個快速變化的磁場，芯片進入這個磁場時，周圍的線圈內(nèi)就會產(chǎn)生感應電壓，激活芯片，并且把自己的編號通過線圈發(fā)射出去被讀卡機接收。讀卡時機根據(jù)編號的不同而做出不同的反響，例如告訴你現(xiàn)在飯卡賬戶里還剩多少錢。通過電磁感應來進行無線供電是非常成熟的技術，但會受到很多限制。 最主要的問題是，低頻磁場會隨著距離的增加而快速衰減。如果要增加供電距離，只能加大磁場的強度。然而， 磁場強度太大一方面會增加電能的消耗，另一方面可能會導致附近使

13、用磁信號來記錄信息的設備失效。我們都不想自己的硬盤里面的數(shù)據(jù)被強磁場一筆勾銷吧。所以這種方式往往會應用在一些防水要求比擬高的小家電上，例如某些電動牙刷和電動刮胡刀等。人們也在嘗試用電磁感應為這樣的小型設備充電。從2005年開始，市場上就已經(jīng)有了一些無線充電器，但使用起來并不能算是很方便，充其量也只是減少了我們把插上變壓器的麻煩而已。有了室內(nèi)距離的無線供電設備，誰還需要這種東西呢？這是多么美好的一天我們經(jīng)常會使用和風箏相關的比喻。風箏飛得再高，也總會有一根線握在手里。斷線的風箏也許會一時飛得更高，但最后一定會墜落地面。也許以后會改用遙控航模的比喻吧一一沒有線，卻依然盡在掌握。當可以在遠距離、中等

14、距離和近距離都廣泛實現(xiàn)無線供電的時候， 人類目前最常用的能量將 會變得像空氣一樣隨處可得。 無需再抱怨沒有適宜的充電器， 不用再為電子設備準備厚重的 電池以盡量延長它們的待機時間。 我們可以把手持設備做得更小更薄， 甚至可以容易地植入 體內(nèi)。在那時候，生活又是何等一幅模樣？沒有人知道。當終于可以解開電線的束縛時，我們會飛得更高，走得更遠，遠到超出想象。正如每天呼吸空氣而不自覺一樣，我們終會把無處不在的無線電力當作一件自然而然的事 情，卻忘了僅僅在200年前，祖輩們還僅僅把電當成一種用來博人一笑的小小魔術。也許有一天，我們會對我們的下一代談起我們年輕的時候。講述中極盡描述從線纜束縛的無奈走到無線的自由這一過程。 會回味那些有電線的日子，