王斌

    新聞背景

    近日，關(guān)于iPhone8的各種猜測吸引了很多人的眼球,。其中頗引人注意的一點是,，據(jù)說iPhone8可以支持無線充電了,。

    無線充電可以更廣泛地稱為無線輸電,。不用電線就可以輸電,，在許多方面都有十分重要的應用價值，甚至可以極大地改變未來世界的面貌,。那么到目前為止,，怎樣的技術(shù)可能做到這一點,？

    電磁感應就是無線輸電

    說到短程電力傳輸?shù)姆椒?，其實一點不神秘，我們在中學課本上就都學過了,，那就是電磁感應,。

    早在1831年，邁克爾·法拉第就發(fā)現(xiàn)了磁與電之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化關(guān)系,。只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化,，閉合電路中就會產(chǎn)生感應電流。電磁感應無線輸電就是在發(fā)送端和接收端各有一個線圈,，初級線圈上通一定頻率的交流電,，根據(jù)電磁原理可以在線圈的周邊形成一個交變的磁場空間，根據(jù)電磁感應原理在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流,，電能可以隔著很多非金屬材料進行傳輸，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。

    電磁感應傳輸功率大,，效率高,，能達幾百千瓦。最早的無線充電方式都是使用線圈感應技術(shù),，由于感應技術(shù)的限制,，充電器和設備只能在很近的距離，并且擺放位置極為苛刻才能完成充電,。這種方式傳輸距離上限是10厘米,，一般適用于為小型便攜式電子設備供電。

    2007年,，微軟亞洲研究院設計和實現(xiàn)了一種通用型無線供電桌面,，隨意將筆記本電腦、手機等移動設備放置在桌面上,，即可自動開始充電,。

    共振傳輸把距離提高到米級

    電磁感應輸電傳輸距離過短，顯然不能令人滿意,。那么,，有沒有什么更好的辦法呢？

    2007年6月,，美國麻省理工學院的馬林·索爾賈?？搜芯啃〗M宣布，利用電磁共振技術(shù)成功點亮了一個距離電源約2米遠的60瓦電燈泡,，電能傳輸效率達到40%,。該項技術(shù)的發(fā)布，引起世界范圍內(nèi)磁諧振無線輸電裝置的研發(fā)熱潮,，德國,、日本、新西蘭等國家很快跟進了這方面的研究,。

    電磁共振式也稱為近場諧振式,，由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當兩個裝置調(diào)整到相同頻率,，或者說在一個特定的頻率上共振時,，它們就可以交換彼此的能量，其原理與聲音的共振原理相同,，排列在磁場中的相同振動頻率的線圈,，可從一個向另一個供電。

    共振傳輸?shù)木嚯x比普通感應式更遠一些,，而且充電時不必擔心非絕緣的金屬材質(zhì)干擾（電磁感應輸電需要手機背部材質(zhì)不能為金屬）,，被認為是將來最有希望廣泛應用于電動汽車無線充電的一種方式。

    不過，共振傳輸充電技術(shù)仍然受到傳輸距離的限制,，充電設備只能和充電器距離很近,，最多大約3至4米。為了提高無線傳輸距離,，人們又開發(fā)了射頻電能傳輸技術(shù),，它是通過功率放大器發(fā)射射頻信號，然后通過檢波,、高頻整流后得到直流電,，供負載使用。射頻電能傳輸距離較遠,，能達10米,，但傳輸功率很小，為幾毫瓦至100毫瓦,。這種無線輸電方式可為手機,、MP3、汽車配件,、體溫表,、助聽器及人體植入儀器等提供無線電力傳輸。

    長距離輸電要靠微波和激光

    無線輸電能不能輸送得更遠一些,？這是人們努力的方向,，在技術(shù)原理上也找到了基本的形式，只是要把它化為真正的實際還有艱苦的路程,。

    從原理上說,，遠程電力傳輸可利用微波或激光形式來實現(xiàn)。微波或激光發(fā)射到遠端的接收天線,，然后通過整流、調(diào)制等處理后使用,。

    微波電能傳輸是將電能轉(zhuǎn)化為微波,，讓微波經(jīng)自由空間傳送到目標位置，再經(jīng)整流轉(zhuǎn)化成直流電能,，提供給負載,。微波已廣泛應用于微波爐、氣象雷達,、導航和移動通信等領域,。微波電能傳輸適合應用于大范圍、長距離且不易受環(huán)境影響的電能傳輸,，如空間太陽能電站,、低軌道和同步軌道衛(wèi)星供電等。

    激光電能傳輸是利用激光可以攜帶大量的能量，用較小的發(fā)射功率實現(xiàn)較遠距離的輸電,。激光方向性強,、能量集中，不存在干擾通信衛(wèi)星的風險,，但障礙物會影響激光與接收裝置之間的能量交換,，射束能量在傳輸途中會部分喪失。

    2015年3月,，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)宣布,，研究人員利用微波將1.8千瓦電力以無線方式，精準地傳輸?shù)搅?5米距離外的一個接收裝置,。日本三菱重工集團也宣布,，其科研人員將10千瓦電力轉(zhuǎn)換成微波后輸送，其中部分電能成功點亮了500米外接收裝置上的LED燈,。三菱重工表示,，這一技術(shù)將會被用于太空太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

    去年10月傳來消息,，俄羅斯火箭宇航能源公司的科研人員,，在1.5公里的距離上利用激光束成功實現(xiàn)了為手機無線充電，在遠距離無線輸電技術(shù)上取得巨大進展,。在這次實驗中,，俄羅斯火箭宇航能源公司的科研人員，把激光裝置放置在莫斯科郊外一幢樓的六層,，在另外一幢樓的頂部安裝了直徑10厘米的激光接收器,，該接收器借助一特殊設備將激光能量轉(zhuǎn)化為電能，這一特殊設備與手機充電器連接,。實驗中,，無線充電的距離達到了1.5公里。

    研究人員還介紹說,，該實驗的最終目的不是為手機充電,，而是實現(xiàn)在太空中為各類航天器進行無線充電，比如,，在國際空間站上為俄羅斯“進步”號貨運飛船充電,，而它們之間的距離在1000米至2000米之間。目前的光電轉(zhuǎn)換器效率已經(jīng)達到60%,，因此,，利用激光裝置從一個航天器向另外一個航天器傳輸電能非常有效。

    史?；仨?/p>

    百多年前“突發(fā)奇想”

    盡管無線輸電技術(shù)在今天看來屬于前沿新興科技,，但早在一百多年前,，“無線輸電之父”尼古拉·特斯拉就對無線輸電展開過探索。

    1899年,，特斯拉在紐約建造了無線電能發(fā)射塔,，他構(gòu)想的無線輸電方法，是把地球作為內(nèi)導體,、地球電離層作為外導體,，通過放大發(fā)射機以徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立大約8Hz的低頻共振,，再利用環(huán)繞地球的表面電磁波來傳輸能量,。然而，特斯拉的無線輸電構(gòu)想并沒有得到實現(xiàn),。

    柳暗花明

    無線充電拯救電動汽車,？

    無線充電對手機、電腦,、相機等電子產(chǎn)品而言,，只是個錦上添花的新功能，但對電動汽車產(chǎn)業(yè)的影響將是革命性的,，有可能是啟動整個電動汽車市場的關(guān)鍵,。

    電池續(xù)航能力一直是電動汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的羈絆，在電池技術(shù)短時間無法突破時,，改進充電模式就成為另一個突破方向,。2012年，美國斯坦福大學首次提出“駕駛充電”概念,，為電動汽車充電提出了新的解決方案,，這意味著電動汽車可不必停下來充電而無限地跑下去。

    設想一下,，如果有一天,，人們邊開車邊充電（需在道路設置無線充電裝置）、停進車庫按下按鈕也可以充電,。屆時,，這種動態(tài)充電與靜態(tài)充電結(jié)合的電動汽車，將變成不折不扣的“傻瓜”車,。

    未來大觀

    太空發(fā)電站成敗 關(guān)鍵看無線輸電

    為了擺脫地球環(huán)境和能源危機，1968年美國工程師彼得·格拉澤提出空間太陽能發(fā)電概念,，其構(gòu)想是在地球外層空間建立太陽能發(fā)電基地,，通過微波將電能傳輸回地球，并通過整流天線把微波轉(zhuǎn)換成電能,。

    研究人員計劃在太空建一座太陽能發(fā)電站：將一些地球衛(wèi)星送入距地面3.6萬公里高的同步軌道上,，衛(wèi)星上的光電板將太陽的光能轉(zhuǎn)換為電能,，然后將電能用微波的形式傳送到地球表面。太空上的光電板平均每平方厘米可以接收140毫瓦的光能,，為地球表面光能接收效率的8倍,。而且在太空，光能的接收不受晝夜,、陰晴和季節(jié)變化的影響,。

    毫無疑問，無線輸電技術(shù)對于空間太陽能發(fā)電站的實現(xiàn)有著至關(guān)重要的作用,。據(jù)報道,，日本三菱重工集團計劃在2030年至2040年，運用微波輸電技術(shù)將太空的發(fā)電裝置獲得的電能通過微波向地面?zhèn)鬏?。?jù)估算,，如果使用直徑兩三千米的巨大太陽能電池板進行太空發(fā)電，將能達到一臺常用的百萬千瓦裝機容量的核電機組發(fā)電水平,。