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无线输电路漫漫

2012年06月08日 13:22 来源于 财新网
这种技术采用的是非辐射性的输电,空气中并没有电场存在,能量在仅在磁场中传递,对人和动物都非常安全
2012年5月3日,三星在英国伦敦召开了Galaxy 3S的产品发布会。 东方IC

  【财新网】(记者 崔筝)一个没有电缆的世界,真的能够实现吗?

  大热的科幻小说《三体II黑暗森林》里,描绘了一个能源极大丰富的未来世界,在那里,小到加热杯之类的家用电器,大到作为交通工具的个人飞行器都由无线方式提供来自核聚变反应堆的电能。

  虽然这个场景设置在200年后的世界,然而今天,无线输电的初级版本已经进入到商用阶段。

  2012年5月初,三星公司在发布其最新型手机Galaxy S3时,展示了一个比手机稍大的平板型底座,与之相配的,是装配了电池的可更换的手机后盖。使用时,只需将装有电池后盖的手机放在底座之上,便可以无线完成充电过程。

  然而,5月29日,在上市的最后一刻,三星宣布延迟无线充电器的上市日期至9月。虽然延迟的具体原因没有解释,有业内人士认为,此次延期或许和三星准备联合美国无线电通信技术研发公司高通成立无线电力联盟(Alliance for Wireless Power)有关。这个简称为A4WP的联盟表示,他们将致力于开发实现同时兼容多个设备的车载和桌面无线充电系统。

一鸣惊人的WiTricity

  三星并非是第一个试水无线充电的企业,在此之前,已经有惠普公司手机产品Palm Pre采用过类似技术开发无线充电座,可惜并未获得商业成功。

  在芬兰赫尔辛基机场,一种叫做“电之吻(Power Kiss)”的无线充电设施早已经应用于候机楼的咖啡馆里。使用芬兰“国机”诺基亚的来往旅客可以领取配合自己手机型号的一个圆圈状插头,将手机放在咖啡桌上的红点处,电流就源源不断充入手机中。

  这些花样多变的无线充电方法,都基于同样的核心技术,而这项技术的灵感则来自于一个理论物理学家清梦被扰后的抱怨。

  这个主意最早是麻省理工大学(MIT)的物理学助理教授马林·索尔贾希克(Marin Soljacic)想出来的,有一次他在凌晨三点时被“滴滴”声吵醒,那是他妻子的手机不断提示电池将尽。

  “电源不就在墙上?为什么不能把电弄到手机里,好让我安心睡觉?”

  2007年6月,MIT的几位理论物理学家公开演示了他们的无线输电技术,团队领头人正是索尔贾希克。在演示中,一个直径60厘米的线圈通上电流,约两米之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡被点亮了。

  这个发明最终让他捧回了2008年的麦克阿瑟“天才奖”。

  索尔贾希克将这个基于“磁耦合共振”的技术称为“WiTricity”,在科技界和商业界引起了巨大反响。这项技术使得室内距离的无线供电得以实现。而其关键技术在于“共振”。

  在索尔贾希克的装置中,发射端线圈通电后,会周围形成一个非辐射的磁场,用来和接收端联络,激发接收端的共振,发射和接收两边的频率经过精心调教达到一致,从而以很小的消耗为代价通过磁场来传输能量。

  WiTricity很快进入了商业运作,并成立了公司。在2009年的TED(Technology, Entertainment, Design)大会上,公司CEO艾力克·吉勒(Eric Giler)演示了他们的技术在两年之内的改进。

  他将挂在舞台上线圈与射频放大器连接,在线圈的前方立起一个普通电视机,电视机并未接电,也不带电池,只是在背后接上了另一个线圈。

  接上电后约10秒钟,荧幕亮起,现场掌声雷动。

  “想象一下,这种技术会很快开始应用,从移动电子产品,到家用电器,到工业生产,再到电动汽车,在车库中可以实现无线充电”吉勒接着演示了利用WiTricity技术给不同品牌的手机充电。他表示,更重要的应用在于心脏起搏器之类的植入式的医疗设备,因为无线充电而获得巨大改进将使病人受感染的几率大大降低。

  在一个全部由共振技术进行无线充电的房间里生活是否安全?周围空气中是否布满了隐形的“电老虎”?

  “看,我很好。”吉勒在两个线圈之间走了好几趟。

  这种技术采用的是非辐射性的输电,空气中并没有电场存在,能量在仅在磁场中传递,对人和动物都非常安全,吉勒表示,“我们每天都生活在磁场之中。这里使用的磁场本质上与地球磁场相同,电源仅对在相同频率下工作的物体输送能源,而自然界中这样的耦合几乎没有可能发生。”

  在麻省理工学院的科学家们第一次演示点亮灯泡时, WiTricity技术刚刚能够达到40%左右的效率,后来,英特尔公司的研究员们已经把传输效率提升到了75%,而MIT小组最近声称,他们已经将传输效率做到90%,速度提升成效惊人。

  WiTricity下一步商业化的目标,是在提高传输效率的同时,缩小发射端和接收端的体积,最终实现在手机、心脏起搏器等用电设备内置接收端。

远途无线输电之梦

  在超市里,“感应式充电牙刷”已经非常普遍。在一些电路较为简单、但防水要求比较高的小家电上,超短距离的无线输电已经实现商业化。例如某些电动牙刷和电动刮胡刀的充电座,已经做成了没有金属连接的塑料卡座,在磁耦合共振的原理下工作。

  但磁共振耦合技术的根本缺陷,是无法解决距离和规模的关键问题。有专家指出,要想实现无电缆电网,还需要在远场辐射无线输电上下功夫。

  随时随地用电的梦想,人类已经做了一个世纪。早在19世纪末期,交流电传输飞速发展之时,雄心勃勃的科学家们已经在探讨如何实现有效的远距离输电。

  1890年,交流电之父的尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)就开始构想无线输电的方法。他的方案至今看来仍然充满了雄心:把地球作为内导体、距离地面约60千米的电离层作为外导体,在地球与电离层之间建立起大约频率为8Hz(每秒8次)的低频共振,再利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力。

  如此看来,《三体》中所描绘的场景似乎并不那么超前了。

  特斯拉几乎为了这个想法而疯狂,1901年,他最终说服当时亿万富翁J.P.摩根,获得了15万美元资助,准备在纽约的长岛兴建一座高塔,进行跨大西洋无线电广播和无线电能传输实验。

  最终一座高达57米,顶部有一个半球型圆顶的沃登克里弗塔(Wardenclyffe Tower)建起来了。在铁塔尚未完工,特斯拉就迫不及待地开始了他的实验。最终在一战期间,由于资金短缺和安全方面的考虑,这个的构想被迫放弃,沃登克里弗塔也背负了制造诸如1908年通古斯爆炸等灾难的传言,于1912年被拆除。

  除了特斯拉所考虑的利用共振的方法,更显而易见的方法是利用微波或激光定向传输电力,以避免的传输过程中的损耗。

  在1968年,美国航天工程师彼得·格拉泽(Peter Glaser)提出了空间太阳能发电(SSP,Space Solar Power)的概念。他设想在大气层外通过卫星收集太阳能发电,然后通过微波将能量无线传输回地面,并且重新转化成电能供人使用。这一设想,不是在仅数十千米的距离上用微波传递能量,而是要把能量在三万多千米之外,从太空精确地射向地面接收站。

  当时,美国宇航局和能源部设想建立一个功率1000万千瓦的宇宙太阳能发电站,通过微波向地球输电,不过由于太不经济,计划并未实施。目前,美国宇航局正尝试从地球通过激光束给飞行器供电,初步取得了一些成果,不过离实用也非常遥远。

  尽管这些远场辐射式无线输电实验并无实践,但其在传输距离和发电规模上的天然优势,仍然是未来大规模远距离输电的发展方向。

  然而远距离无线输电技术瓶颈重重。一方面,高频功率源技术的受限。随着频率的提高,电源的功率要增大也越来越困难,在大功率高频电源技术获得重大突破以前,远场辐射式无线输电的传输容量也就无法显著提高。

  另一方面,安全性始终是辐射式无线输电的短板,和共振形式的低频磁场不同,由微波或激光传输所需的高频发射机的发射能量较大,对环境的影响还有待进一步评估。如何保证辐射出的高频能量不对人体和动物体和日常通信产生不良影响,将决定这项技术最终是否能够实现实用化。

  

责任编辑:何华峰 | 版面编辑:邱祺璞
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