對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō),提到無(wú)線充電技術(shù)就像隔空取物一樣,首先想到的是科幻故事里的情節(jié),比如《最終幻想VII》中描述的那個(gè)充滿能量流動(dòng)(生命之泉)的世界或是電影《阿凡達(dá)》中娜美星的能量網(wǎng)絡(luò)。然而不通過(guò)電纜,能量是如何從一端傳送到另一端的?其實(shí)這種技術(shù),也確實(shí)如一些科幻作品中所描述的,是從大地與天空中汲取能量的一種技術(shù):從低頻波到宇宙射線,其實(shí)我們周圍到處存在著電磁波,它們都攜帶著或多或少的能量,所以不少物理學(xué)家都認(rèn)為只要找到合適的辦法就能接收和利用這些能量。
特斯拉構(gòu)想
100年前,交流電的發(fā)明者美國(guó)人尼古拉·特斯拉從閃電中獲得靈感,設(shè)計(jì)了“特斯拉線圈”,這是一種分布參數(shù)高頻共振變壓器,可以輕松獲得上百萬(wàn)伏的高頻電壓。游戲《紅色警戒》系列里面的電磁塔(特斯拉塔)就是根據(jù)特斯拉線圈設(shè)計(jì)的。
后來(lái),特斯拉發(fā)明了所謂的“放大發(fā)射機(jī)”,現(xiàn)在稱之為大功率高頻傳輸線共振變壓器,用于無(wú)線輸電試驗(yàn)。特斯拉的無(wú)線輸電技術(shù)神乎其技。特斯拉把地球作為內(nèi)導(dǎo)體,地球電離層作為外導(dǎo)體,通過(guò)他的放大發(fā)射機(jī),使用這種放大發(fā)射機(jī)特有的徑向電磁波振蕩模式,在地球與電離層之間建立起大約8赫茲的低頻共振,利用環(huán)繞地球的表面電磁波來(lái)傳輸能量。這一系統(tǒng)與現(xiàn)代無(wú)線電廣播的能量發(fā)射機(jī)制不同,而與交流電力網(wǎng)中的交流發(fā)電機(jī)與輸電線的關(guān)系類似,當(dāng)沒有電力接收端的時(shí)候,發(fā)射機(jī)只與天地諧振腔交換無(wú)功能量,整個(gè)系統(tǒng)只有很少的有功損耗,而如果是一般的無(wú)線電廣播,發(fā)射的能量則全部在空間中損耗掉了。
無(wú)線充電的發(fā)展
在石油資源日漸枯竭的今天,無(wú)線電能傳輸對(duì)于新能源的開發(fā)和利用、解決未來(lái)能源短缺問題有著重要的意義,因此許多國(guó)家都沒有放棄這方面的研究。1968年,美國(guó)工程師Peter Glaser提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電(Space Solar Power,SSP)的概念,其構(gòu)想是在地球外層空間建立太陽(yáng)能發(fā)電基地,通過(guò)微波將電能傳輸回地球,并通過(guò)整流天線把微波轉(zhuǎn)換成電能(如圖)。1979年,美國(guó)航空航天局NASA和美國(guó)能源部聯(lián)合提出太陽(yáng)能計(jì)劃——建立太陽(yáng)能衛(wèi)星基準(zhǔn)系統(tǒng)。歐盟則在非洲的留尼汪島建造了一座10萬(wàn)千瓦的實(shí)驗(yàn)型微波輸電裝置,已于2003年向當(dāng)?shù)卮迩f送電。野心勃勃的日本擬于2020年建造試驗(yàn)型太空太陽(yáng)能發(fā)電站SPS2000,2050年進(jìn)入規(guī)模運(yùn)行。
香港城市大學(xué)的許樹源教授早在幾年前就曾經(jīng)成功研制出一種無(wú)線電池充電平臺(tái),可將數(shù)個(gè)電子產(chǎn)品放在一個(gè)充電平臺(tái)上,透過(guò)低頻電磁場(chǎng)充電,充電時(shí)間與傳統(tǒng)充電器無(wú)異,技術(shù)實(shí)現(xiàn)也不深?yuàn)W。這種無(wú)線電池充電平臺(tái)利用的就是變壓器原理——變化的磁場(chǎng)中閉合的金屬線圈會(huì)產(chǎn)生電流。而英國(guó)SplashPower公司2005年初上市的無(wú)線充電器Splash pads,就是變壓器原理商業(yè)化的無(wú)線充電產(chǎn)品。
在2011年日本最大的無(wú)線通訊展(Wireless Japan 2011)上,研究人員展示了一款二維通訊設(shè)備。當(dāng)用戶將電子設(shè)備放在平板上時(shí),系統(tǒng)會(huì)在設(shè)備所放位置的特定領(lǐng)域聚集電磁波,而不是在整塊平板上均衡地發(fā)散。如此一來(lái),只有設(shè)備放置處的導(dǎo)電膜片(conductive sheet)才會(huì)收到電磁波。這種方法不僅可以集中傳輸電力,還能提高節(jié)能效率,這樣絕大部分的能源就被節(jié)省下來(lái)了。
無(wú)線電能傳輸有電磁感應(yīng)、電磁共振和微波三種基本方式,這三種技術(shù)分別適用于近程、中短程與遠(yuǎn)程電力傳送。其中電磁感應(yīng)是將線圈中的電流直接以電磁波形式進(jìn)行1cm以下的近距離收發(fā),收發(fā)設(shè)備需要有較高的識(shí)別能力,由于電磁波是向四面八方輻射而大量散失,因此效率較低,通常它只適合相互“貼著”的小功率電子產(chǎn)品。電磁共振方式是利用電磁波通過(guò)線圈產(chǎn)生同頻率的磁場(chǎng)共振實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電,磁場(chǎng)的強(qiáng)弱決定了它的傳輸距離和效率,它可以實(shí)現(xiàn)10m左右距離的室內(nèi)供電。微波方式是將電力以微波或激光形式發(fā)射到遠(yuǎn)程的接收設(shè)備,然后通過(guò)整流、調(diào)制等處理后使用。幾種技術(shù)各有特點(diǎn),近來(lái)電磁感應(yīng)和電磁共振技術(shù)取得了突破,更適合日常應(yīng)用。
無(wú)線充電的未來(lái)
由線圈旋轉(zhuǎn)切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的電流,兩個(gè)設(shè)備中分別使用了一個(gè)具備振蕩電路特性的線圈組成一對(duì)收發(fā)天線,讓其中一個(gè)天線發(fā)送能量,另一個(gè)天線則接收能量。當(dāng)向其中的發(fā)送線圈加載數(shù)兆赫茲的交流電場(chǎng)之后,其天線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng),通過(guò)相同頻率共振向處于一定距離之外的另一根天線傳輸電力,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線電力傳輸。英特爾西雅圖實(shí)驗(yàn)室就試制出了這樣的磁場(chǎng)耦合共振電力收發(fā)器,可以在2米距離內(nèi)無(wú)線給60W燈泡提供電力。英特爾首席技術(shù)官Justin Rattner表示,未來(lái)可以將無(wú)線充電裝置安裝在辦公桌內(nèi)部,只要將筆記本、手機(jī)等放在桌上就能夠立即供電。筆者認(rèn)為這才是無(wú)線充電技術(shù)的未來(lái)。
無(wú)論是電磁感應(yīng),還是電磁共振技術(shù),效率都和產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈大小有關(guān)。如果要將它內(nèi)置到充電裝置和筆記本、手機(jī)等便攜設(shè)備中,就必須精簡(jiǎn)線圈尺寸,發(fā)送和接收效率自然也會(huì)隨之下降,因此需要更先進(jìn)的控制芯片以及收發(fā)電路設(shè)計(jì)使無(wú)線電能的傳輸效率提升到75%以上,從而讓無(wú)線供電的效率更高,充電時(shí)間更短。
不過(guò)距離也是無(wú)線電力傳輸?shù)囊淮笳系K,距離越遠(yuǎn)損耗越大,接收端能感應(yīng)到的電能也就越少。然而在通常情況下,當(dāng)接收端天線的固有頻率與發(fā)射端的磁場(chǎng)頻率一致時(shí),就會(huì)產(chǎn)生共振,此時(shí)磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度明顯增強(qiáng),無(wú)線電力的傳輸效率大幅度提高。不過(guò),這種電磁場(chǎng)的頻率可能對(duì)設(shè)備內(nèi)部的其他部件造成干擾。
在未來(lái),我們可以將無(wú)線充電裝置放在辦公室、旅館和機(jī)場(chǎng)的頂部,只要身處發(fā)射共振有效工作距離之內(nèi),就能立即為筆記本、手機(jī)無(wú)線充電,就像現(xiàn)在已經(jīng)十分普及的WiFi無(wú)線上網(wǎng)一樣簡(jiǎn)單。人們不再需要隨身攜帶充電器,不再為各種不匹配的接口而發(fā)愁,也不必為延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間而使用笨重的電池了。也可以在自家的墻上安裝一個(gè)電力發(fā)射器,這樣所有的家用電器也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。
tips
今天人們談到得特斯拉幾乎成為了陰謀論和偽科學(xué)的標(biāo)志性人物。其實(shí)除了發(fā)明交流電以外,特斯拉許多設(shè)計(jì)和概念都相當(dāng)超前,特別是他的無(wú)線充電技術(shù)一旦變成現(xiàn)實(shí),電力將成為一種免費(fèi)的用之不竭的能源(特斯拉發(fā)明的交流電沒有收一分錢使用稅,否則他肯定是億萬(wàn)富翁)??上У氖?,由于他的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手愛迪生通過(guò)各種不正當(dāng)手段對(duì)其打壓與誣蔑,導(dǎo)致特斯拉的無(wú)線充電設(shè)計(jì)并沒有投入到商業(yè)應(yīng)用。在他死后,相關(guān)的研究資料也被FBI列為機(jī)密文件,與世隔絕。直到今天,科學(xué)界仍無(wú)法還原特斯拉當(dāng)年的研究成果。