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無線供電
一種方便安全的新技術(shù)
無線供電，是一種方便安全的新技術(shù)，無需任何物理上的連接，電能可以近距離無接觸地傳輸給負(fù)載。實(shí)際上近距離的無線供電技術(shù)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(yuǎn)的未來，我們還會看到遠(yuǎn)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(gè)歷史名詞。
基本信息
| 中文名 | 無線供電 |
| 運(yùn)用領(lǐng)域 | 各個(gè)領(lǐng)域 |
| 屬性 | 硬件 |
| 最常見 | 太陽能電池 |
| 類別 | 科學(xué)技術(shù) |
| 性質(zhì) | 硬件 |
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內(nèi)容簡介
無線能量傳輸技術(shù)分為兩種類別:非輻射與輻射。非輻射技術(shù)在線圈之間以電感合，能量通過磁場傳送。應(yīng)用例子有電動牙刷充電，RFID及智能卡心律調(diào)節(jié)器、電動車充電器?，F(xiàn)在發(fā)展焦點(diǎn)是為移動電話等無線充電技術(shù)。輻射技術(shù)則以微波、激光等定向能波束把能量送，這種技術(shù)可以傳送致較遠(yuǎn)距離，但發(fā)射一方必須瞄準(zhǔn)接收一方發(fā)射。使用輻射技術(shù)的無線能量傳輸仍處于實(shí)實(shí)驗(yàn)階段，提議使用的用途有太陽能發(fā)電衛(wèi)星及無人飛行載具。
技術(shù)上，無線輸電技術(shù)與無線電通訊中所用發(fā)射與接收技術(shù)并無本質(zhì)區(qū)別，但是前者著眼于傳輸能量，而非附載于能量之上的信息。無線輸電技術(shù)的最最大困難在于無線電波的彌散與不期望的吸收與衰減。對于無線電通訊，無線電波的彌散問題甚至不一定是件壞事，但是卻可能給無線輸電帶來嚴(yán)重的傳輸效率問題。一個(gè)辦法是使用微波甚至激光傳輸，理論上，無線電波波長越短，其定向性越好，彌散越小。亦有人擔(dān)心此項(xiàng)技術(shù)可能給人帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)，雖然尚無太多證據(jù)證實(shí)或者否定這種風(fēng)險(xiǎn)，有實(shí)驗(yàn)將幾代動物暴露于微波及比之更強(qiáng)的輻射環(huán)境，并未發(fā)現(xiàn)對健康造成任何影響。
美國無線電力公司在2009年的全球科技、娛樂及設(shè)計(jì)大會(TEDGlobal)上，成功利用線圈共振原理實(shí)現(xiàn)無線輸電，為兩臺手機(jī)隔空充電，并開啟了一臺沒有接電線的電視機(jī)。2010年1月，海爾在第四十三屆國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(CES展)上推出全球首臺無尾電視”，其中使用了麻省理工學(xué)院發(fā)明的無線輸電技術(shù)，利用“磁耦合共振”原理實(shí)現(xiàn)無線供電。
原理
無線供電
科學(xué)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，但它們的基本原理是正確的：兩個(gè)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(shù)中，將發(fā)送端和接收端的線圈調(diào)校成了一個(gè)磁共振系統(tǒng)，當(dāng)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(shí)，接收端就產(chǎn)生共振，從而實(shí)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(gè)共振系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行，對這個(gè)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(gè)厚度不同的玻璃杯不會因?yàn)橥活l率的聲音而同時(shí)炸碎一樣。
最妙的就是這一點(diǎn)了。當(dāng)發(fā)射端通電時(shí)，它并不會向外發(fā)射電磁波，而只是在周圍形成一個(gè)非輻射的磁場。這個(gè)磁場用來和接收端聯(lián)絡(luò)，激發(fā)接收端的共振，從而以很小的消耗為代價(jià)來傳輸能量。在這項(xiàng)技術(shù)中，磁場的強(qiáng)度將不過和地球磁場強(qiáng)度相似，人們不用擔(dān)心這種技術(shù)會對自己的身體和其他設(shè)備產(chǎn)生不良影響。
在2007年馬林演示他的成果的時(shí)候，這項(xiàng)技術(shù)能夠達(dá)到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(jìn)一步。剛才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，但改進(jìn)空間也依然很大。下一步，有望在提高傳輸效率的同時(shí)縮小發(fā)射端和接收端的體積，最終實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備內(nèi)置接收端的目標(biāo)。
歷史
美國無線電力公司在2009年的全球科技、娛樂及設(shè)計(jì)大會（TED Global）上，成功利用線圈共振原理實(shí)現(xiàn)無線輸電，為兩臺手機(jī)隔空充電，并開啟了一臺沒有接電線的電視機(jī)。
2010年1月，海爾在第四十三屆國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(CES展)上推出全球首臺"無尾電視"，其中使用了麻省理工學(xué)院發(fā)明的無線輸電技術(shù)，利用“諧振感應(yīng)耦合(磁耦合諧振)”原理實(shí)現(xiàn)無線供電。
分類
無線能量傳輸技術(shù)分為兩種類別：非輻射與輻射。非輻射技術(shù)在線圈之間以電感耦合，能量通過磁場傳送。應(yīng)用例子有電動牙刷充電、RFID及智能卡、心律調(diào)節(jié)器、電動車充電器、JR磁浮的車上供電。發(fā)展焦點(diǎn)是為移動電話等無線充電技術(shù)。輻射技術(shù)則以微波、激光等定向能波束把能量傳送，這種技術(shù)可以傳送致較遠(yuǎn)距離，但發(fā)射一方必須瞄準(zhǔn)接收一方發(fā)射。使用輻射技術(shù)的無線能量傳輸仍處于實(shí)驗(yàn)階段，提議使用的用途有太陽能發(fā)電衛(wèi)星及無人飛行載具。
無線充電
無線充電，又稱作感應(yīng)充電、非接觸式感應(yīng)充電，是利用近場感應(yīng)，也就是電感耦合，由供電設(shè)備（充電器）將能量傳送至用電的裝置，該裝置使用接收到的能量對電池充電，并同時(shí)供其本身運(yùn)作之用?；旧嫌捎诔潆娖髋c用電裝置之間以電感耦合傳送能量，兩者之間不需使用電線連接，因此充電器及用電的裝置都可以做到無導(dǎo)電接點(diǎn)外露。那樣就比有線充電更為方便。
定義
廣義地說，終端用電器通過無線的方式獲取電能的過程就叫無線供電，所獲得的電能是由其它形式的能量轉(zhuǎn)化面來的，無線供電裝置就是一套能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置。
無線供電的形式有多種，所有攜帶能量的物質(zhì)形式都有可能用來無線供電，如電磁感應(yīng)，電磁共振，風(fēng)力發(fā)電，太陽能發(fā)電，潮汐發(fā)電，微波供電，激光供電，遠(yuǎn)紅外供電等等，只是這些發(fā)電方式有的設(shè)備相當(dāng)復(fù)雜，體積龐大，不能直接用與終端設(shè)備整合成一體，而是通過電線與終端設(shè)備相連。
狹義地說，通常我們把電磁感應(yīng)和電磁共振叫作無線供電，簡單地認(rèn)為這是一個(gè)電與電之間的無線連接，事實(shí)上，它們都是線歷了二次轉(zhuǎn)換，即：發(fā)射部分將電能轉(zhuǎn)化為磁能，然后由接收部分將磁能轉(zhuǎn)化為電能。電磁感應(yīng)的距離是很近的，通常在30厘米以內(nèi)，電磁共振的距離稍遠(yuǎn)些，距離為數(shù)厘米到3米以內(nèi)，此類無線供電能方便地傳輸較大的功率，數(shù)千瓦甚至數(shù)十千瓦，工業(yè)上使用的有軌非接觸式無線供電就是這種類型，它是將一個(gè)發(fā)射線圈做成軌道，用電器沿著軌道運(yùn)行，一個(gè)磁芯騎（串）在軌道上，接收線圈通過磁芯的耦合從軌道上獲取電能。
微波的無線供電具有很好的穿透性，傳輸距離遠(yuǎn)且受障礙物影響較小，在金屬表面反射等特點(diǎn)，但微波可能會對環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，特別是對人和動物的影響。激光的無線供電具有直線傳播、能量集中、距離遠(yuǎn)和穿透性差等特性，易受障礙物的影響，對人和動物特別是眼睛的影響較大，通常不適合于民用。但明天科技采用了一種平面發(fā)散發(fā)射技術(shù)，使這一現(xiàn)象得到了明顯的改變，并實(shí)現(xiàn)了與普通激光相近的傳輸效果，距離可達(dá)數(shù)十米甚至數(shù)十千米，在確保安全的前提下，使這一技術(shù)廉價(jià)化和民用化成為可能。
夢想
無線供電
加拿大科學(xué)家正計(jì)劃制造一架無人飛機(jī)，飛行高度33千米，可以在空中連續(xù)飛行幾個(gè)月。這可能是世界上第一架可以真正投入使用的遠(yuǎn)程供電飛機(jī)，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之間的電磁波，它的波長在1米到1毫米之間。因?yàn)殡姶挪ǖ念l率越高，能量就越集中，方向性也越強(qiáng)，所以人們認(rèn)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天線轉(zhuǎn)換成電能，轉(zhuǎn)化效率可以高達(dá)95%以上——這樣高的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)可以讓人滿意了。
在這架無人機(jī)起飛之后，地面的高功率發(fā)射機(jī)通過天線將發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的微波能量匯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(jī)。微波飛機(jī)通過微波接收天線接收能量，轉(zhuǎn)換成直流電，再由直流電動機(jī)帶動飛機(jī)的螺旋槳旋轉(zhuǎn)。因?yàn)闊o需攜帶燃料和發(fā)動機(jī)，這種飛機(jī)的有效載荷將會大大提升。
其實(shí)早在1968年，美國航天工程師彼得·格拉澤(Peter Glaser)就已經(jīng)更進(jìn)一步，提出了空間太陽能發(fā)電(SSP，Space Solar Power)的概念。他設(shè)想在大氣層外通過衛(wèi)星收集太陽能發(fā)電，然后通過微波將能量無線傳輸回地面，并且重新轉(zhuǎn)化成電能供人使用。這一設(shè)想，不是在僅數(shù)十千米的距離上用微波傳遞能量，而是要把能量在三萬多千米之外，從太空精確地射向地面接收站。
想象一個(gè)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)射天線則瞄準(zhǔn)地面的接收天線。這兒，不存在在地面接收太陽能所必然面臨的照射時(shí)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(shí)，最長停電時(shí)間也不過75分鐘。它每年有99%以上的時(shí)間把源源不斷的太陽光能轉(zhuǎn)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。
1977~1980年，美國宇航局和能源部共同出資，對空間太陽能發(fā)電的問題進(jìn)行了概念研究，得出結(jié)論：這種方式不存在不可克服的技術(shù)困難。但是后來這個(gè)計(jì)劃一度被鎖進(jìn)保險(xiǎn)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，成本令人難以接受。
不過，隨著地球上不可再生資源的逐漸消耗，這個(gè)計(jì)劃又被擺上了桌面。現(xiàn)在有幾個(gè)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(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證在大氣內(nèi)進(jìn)行微波能量傳遞以及從太空向地面發(fā)射微波束的實(shí)際效果，而目前比較樂觀的估計(jì)是，2010～2020年太陽能發(fā)電衛(wèi)星就可以進(jìn)入實(shí)用階段了。
應(yīng)用
無線供電
不僅如此。公共交通卡、一些學(xué)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(gè)唯一的編號。這一小塊芯片就像是我們的一條內(nèi)存或者一塊硬盤，沒有電的時(shí)候，它和一粒沙子沒什么區(qū)別。即使儲存了很多信息，也沒有辦法傳遞出來。
這種卡證的供電原理與變壓器的原理類似。讀卡機(jī)周圍會形成一個(gè)快速變化的磁場，芯片進(jìn)入這個(gè)磁場時(shí)，周圍的線圈內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)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(jī)接收。讀卡機(jī)會根據(jù)編號的不同而做出不同的反應(yīng)，例如告訴你現(xiàn)在飯卡賬戶里還剩多少錢。
通過電磁感應(yīng)來進(jìn)行無線供電是非常成熟的技術(shù)，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(qiáng)度。然而，磁場強(qiáng)度太大一方面會增加電能的消耗，另一方面可能會導(dǎo)致附近使用磁信號來記錄信息的設(shè)備失效。我們都不想自己的硬盤里面的數(shù)據(jù)被強(qiáng)磁場一筆勾銷吧。
未來
無線供電
當(dāng)可以在遠(yuǎn)距離、中等距離和近距離都廣泛實(shí)現(xiàn)無線供電的時(shí)候，人類目前最常用的能量將會變得像空氣一樣隨處可得。無需再抱怨沒有合適的充電器，不用再為電子設(shè)備準(zhǔn)備厚重的電池以盡量延長它們的待機(jī)時(shí)間。我們可以把手持設(shè)備做得更小更薄，甚至可以容易地植入體內(nèi)。在那時(shí)候，生活又是何等一幅模樣？
沒有人知道。當(dāng)終于可以解開電線的束縛時(shí)，我們會飛得更高，走得更遠(yuǎn)，遠(yuǎn)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(dāng)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(dāng)成一種用來博人一笑的小小魔術(shù)。
也許有一天，我們會對我們的下一代談起我們年輕的時(shí)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，不可避免地談及那些因電線接頭松動讓所有工作成果化為一縷青煙的小插曲。會懷念電池的質(zhì)感，會懷念在抽屜里纏成一團(tuán)的充電器的沉穩(wěn)踏實(shí)。也許還會一遍遍提起法拉第、麥克斯韋，以及特斯拉這些名字。我們會像小時(shí)候的老師那樣，循循善誘地提問：“那么，電是從哪里來的呢？”
也許，坐在對面的小孩，會像《三體II·黑暗森林》中那個(gè)兩百年后的漂亮女護(hù)士一樣，不以為然地說：“電？到處都有電啊?！?/span>
為了這樣輕率的答案而微笑吧，欣慰的是，他們，終于擁有了一個(gè)比我們更加寬廣更加自如的世界。
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