無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)

1、無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)人類(lèi)追逐自由的本能，在現(xiàn)實(shí)面前屢屢受挫。自從廣泛使用電能以來(lái)，許多人都為了那些電器拖著的長(zhǎng)長(zhǎng)電線(xiàn)而絞盡腦汁，但無(wú)線(xiàn)供電卻一直只能作為一個(gè)在前方遠(yuǎn)遠(yuǎn)招手的夢(mèng)想?，F(xiàn)在，我們也許看到了一線(xiàn)曙光。在2008年8月的英特爾開(kāi)發(fā)者論壇（IDF，Intel Developer Forum）上，西雅圖實(shí)驗(yàn)室的約書(shū)亞·史密斯（Joshua R. Smith）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組向公眾展示了一項(xiàng)新技術(shù)基于“磁耦合共振”原理的無(wú)線(xiàn)供電，在展示中成功地點(diǎn)亮了一個(gè)一米開(kāi)外的60瓦燈泡，而在電源和燈泡之間沒(méi)有使用任何電線(xiàn)。他們聲稱(chēng)，在這個(gè)系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)電力的傳輸效率達(dá)到了75%。大劉在三體

2、II·黑暗森林中描繪了一個(gè)兩百年后的世界。因?yàn)槿藗冋莆樟丝煽睾司圩兗夹g(shù)，可以提供極大豐富的能源，無(wú)線(xiàn)供電的損失在可接受范圍之內(nèi)，所以大部分電器都可以采用無(wú)線(xiàn)方式來(lái)供電，從電熱杯一直到個(gè)人飛行器都是如此。電像空氣一樣無(wú)處不在，人類(lèi)再也不用受電線(xiàn)的拖累了。正如書(shū)中所提到的那樣，無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)現(xiàn)在也已經(jīng)出現(xiàn)了。實(shí)際上，近距離的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)供電。也許不遠(yuǎn)的未來(lái)，我們還會(huì)看到遠(yuǎn)距離和室內(nèi)距離的無(wú)線(xiàn)供電產(chǎn)品，而不會(huì)看到電線(xiàn)桿和高壓線(xiàn)，“插頭”也將會(huì)變成一個(gè)歷史名詞。好兆頭英特爾的這種無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)，是基于麻省理工大學(xué)的一項(xiàng)研究成

3、果而開(kāi)發(fā)的。2007年6月，麻省理工大學(xué)的物理學(xué)助理教授馬林·索爾賈?？耍∕arin Soljacic）和他的研究團(tuán)隊(duì)公開(kāi)做了一個(gè)演示。他們給一個(gè)直徑60厘米的線(xiàn)圈通電，6英尺（約1.9米）之外連接在另一個(gè)線(xiàn)圈上的60瓦燈泡被點(diǎn)亮了。這種馬林稱(chēng)之為“WiTricity”技術(shù)的原理是“磁耦合共振”，而他本人也因?yàn)檫@一發(fā)明獲得了麥克阿瑟基金會(huì)2008年的天才獎(jiǎng)。 新技術(shù)所消耗的電能只有傳統(tǒng)電磁感應(yīng)供電技術(shù)的百萬(wàn)分之一，不由讓人們對(duì)室內(nèi)距離的無(wú)線(xiàn)供電重新燃起了希望。而它的關(guān)鍵在于“共振”?？茖W(xué)家們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)，共振是一種非常高效的傳輸能量方式。我們都聽(tīng)過(guò)諸如共振引起的鐵橋坍塌、雪崩或者高音歌唱

4、家震碎玻璃杯的故事。無(wú)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(dòng)頻率相同的物體之間可以高效傳輸能量，而對(duì)不同振動(dòng)頻率的物體幾乎沒(méi)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(xiàn)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(chǎng)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(duì)這個(gè)共振系統(tǒng)之外的物體不會(huì)產(chǎn)生什么影響。這就像是幾個(gè)厚度不同的玻璃杯不會(huì)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(huì)向外發(fā)射電磁波，而只是在周?chē)纬梢粋€(gè)非輻射的磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)用來(lái)和接收端聯(lián)絡(luò)，激發(fā)接

5、收端的共振，從而以很小的消耗為代價(jià)來(lái)傳輸能量。在這項(xiàng)技術(shù)中，磁場(chǎng)的強(qiáng)度將不過(guò)和地球磁場(chǎng)強(qiáng)度相似，人們不用擔(dān)心這種技術(shù)會(huì)對(duì)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(chǎng)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(chēng)，他們做到了90%。這意味著，一年之間提高到原來(lái)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)。想象一下，這會(huì)對(duì)生活帶來(lái)什么樣的影響？我們可以完全從需要的

6、角度出發(fā)來(lái)擺放家用電器，不用再考慮附近是否有插座；我們?cè)谘b修房間的時(shí)候不用再考慮如何布設(shè)電線(xiàn)，筆記本電腦和手機(jī)這樣的小件電子設(shè)備永遠(yuǎn)顯示電池充滿(mǎn)，清掃機(jī)器人在房間里跑來(lái)跑去，不用過(guò)一會(huì)就去找地方充電這一天也許很快就會(huì)來(lái)到。市場(chǎng)上已經(jīng)有了一些采用這種技術(shù)的原型產(chǎn)品，廣泛使用也只是時(shí)間問(wèn)題罷了。第二基地尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的夢(mèng)想使用電磁波來(lái)遠(yuǎn)距離供電也許很快就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。早在1890年，這位現(xiàn)代交流電系統(tǒng)的奠基者就開(kāi)始構(gòu)想無(wú)線(xiàn)供電方法，最后提出了一個(gè)非常宏大的方案把地球作為內(nèi)導(dǎo)體、距離地面約60千米的電離層作為外導(dǎo)體，在地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振，再

7、利用環(huán)繞地球的表面電磁波來(lái)遠(yuǎn)距離傳輸電力。他想像廣播一樣，將電能傳遍全球。為此，在J. P.摩根的資助下，他在紐約長(zhǎng)島建立了57米高的瓦登克里夫塔（Wardenclyffe Tower）來(lái)實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)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的確可行，但是出于世界上各個(gè)國(guó)家的區(qū)隔，這種“天下大同”在短時(shí)間內(nèi)恐怕不會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。 不過(guò)另一種遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)供電方案可能會(huì)更容易實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)。加拿大科學(xué)家正計(jì)劃制造一架無(wú)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

8、到300KMHz之間的電磁波，它的波長(zhǎng)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(lái)無(wú)線(xiàn)傳遞能量可能是最好的選擇。更何況，微波可以通過(guò)硅整流二極管天線(xiàn)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(mǎn)意了。在這架無(wú)人機(jī)起飛之后，地面的高功率發(fā)射機(jī)通過(guò)天線(xiàn)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(guò)微波接收天線(xiàn)接收能量，轉(zhuǎn)換成直流電，再由直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛機(jī)的螺旋槳旋轉(zhuǎn)。因?yàn)闊o(wú)需攜帶燃料和發(fā)動(dòng)機(jī)，這種飛機(jī)的有效載荷將會(huì)大大提升。其實(shí)早在1968年，美國(guó)航天工程師彼得·格拉澤(P

9、eter Glaser)就已經(jīng)更進(jìn)一步，提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電(SSP，Space Solar Power)的概念。他設(shè)想在大氣層外通過(guò)衛(wèi)星收集太陽(yáng)能發(fā)電，然后通過(guò)微波將能量無(wú)線(xiàn)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(wàn)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(yáng)能電池陣列始終對(duì)太陽(yáng)定向，微波發(fā)射天線(xiàn)則瞄準(zhǔn)地面的接收天線(xiàn)。這兒，不存在在地面接收太陽(yáng)能所必然面臨的照射時(shí)間、氣候、重力等問(wèn)題，每年有277天可以全天接受日照，而被地球遮擋時(shí)，最長(zhǎng)停電時(shí)間也不過(guò)75分鐘。它每

10、年有99%以上的時(shí)間把源源不斷的太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能，效率將比地面上同樣規(guī)模的太陽(yáng)能電站高出十倍左右。19771980年，美國(guó)宇航局和能源部共同出資，對(duì)空間太陽(yáng)能發(fā)電的問(wèn)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(lái)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(qián)的，要在太空中組裝一顆收集太陽(yáng)能來(lái)發(fā)電的衛(wèi)星，成本令人難以接受。不過(guò)，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?，F(xiàn)在有幾個(gè)能源消耗大國(guó)和能源匱乏的國(guó)家正在論證這種方案的可行性，并且開(kāi)始了小規(guī)模實(shí)驗(yàn)，來(lái)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

11、較樂(lè)觀的估計(jì)是，20102020年太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星就可以進(jìn)入實(shí)用階段了。親愛(ài)的，你需要電？感謝邁克爾·法拉第（Michael Faraday），這個(gè)英國(guó)人在1831年發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)，帶領(lǐng)我們進(jìn)入了電氣時(shí)代。到了今天，誰(shuí)不需要電？法拉第的發(fā)現(xiàn)，也促進(jìn)了近距離無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)的發(fā)展。最早的工業(yè)化近距離無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)早在1885年就已經(jīng)被實(shí)際應(yīng)用了：隨便拆開(kāi)一個(gè)家用變壓器，我們就會(huì)看到變壓器里會(huì)有兩組導(dǎo)線(xiàn)纏在一個(gè)鐵芯框架上，但它們彼此并沒(méi)有直接相連。 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(chǔ)著一個(gè)唯一的編號(hào)。這一小塊芯片就像是

12、我們的一條內(nèi)存或者一塊硬盤(pán)，沒(méi)有電的時(shí)候，它和一粒沙子沒(méi)什么區(qū)別。即使儲(chǔ)存了很多信息，也沒(méi)有辦法傳遞出來(lái)。這種卡證的供電原理與變壓器的原理類(lèi)似。讀卡機(jī)周?chē)鷷?huì)形成一個(gè)快速變化的磁場(chǎng)，芯片進(jìn)入這個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，周?chē)木€(xiàn)圈內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，激活芯片，并且把自己的編號(hào)通過(guò)線(xiàn)圈發(fā)射出去被讀卡機(jī)接收。讀卡機(jī)會(huì)根據(jù)編號(hào)的不同而做出不同的反應(yīng)，例如告訴你現(xiàn)在飯卡賬戶(hù)里還剩多少錢(qián)。 通過(guò)電磁感應(yīng)來(lái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電是非常成熟的技術(shù)，但會(huì)受到很多限制。最主要的問(wèn)題是，低頻磁場(chǎng)會(huì)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(chǎng)的強(qiáng)度。然而，磁場(chǎng)強(qiáng)度太大一方面會(huì)增加電能的消耗，另一方面可能會(huì)導(dǎo)致附近使用磁信號(hào)來(lái)記錄信

13、息的設(shè)備失效。我們都不想自己的硬盤(pán)里面的數(shù)據(jù)被強(qiáng)磁場(chǎng)一筆勾銷(xiāo)吧。所以這種方式往往會(huì)應(yīng)用在一些防水要求比較高的小家電上，例如某些電動(dòng)牙刷和電動(dòng)刮胡刀等。人們也在嘗試用電磁感應(yīng)為手機(jī)這樣的小型設(shè)備充電。從2005年開(kāi)始，市場(chǎng)上就已經(jīng)有了一些無(wú)線(xiàn)充電器，但使用起來(lái)并不能算是很方便，充其量也只是減少了我們把手機(jī)插上變壓器的麻煩而已。有了室內(nèi)距離的無(wú)線(xiàn)供電設(shè)備，誰(shuí)還需要這種東西呢？ 這是多么美好的一天我們經(jīng)常會(huì)使用和風(fēng)箏相關(guān)的比喻。風(fēng)箏飛得再高，也總會(huì)有一根線(xiàn)握在手里。斷線(xiàn)的風(fēng)箏也許會(huì)一時(shí)飛得更高，但最后一定會(huì)墜落地面。也許以后會(huì)改用遙控航模的比喻吧沒(méi)有線(xiàn)，卻依然盡在掌握。當(dāng)可以在遠(yuǎn)距離、中等距離和近距

14、離都廣泛實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)供電的時(shí)候，人類(lèi)目前最常用的能量將會(huì)變得像空氣一樣隨處可得。無(wú)需再抱怨沒(méi)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(zhǎng)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(méi)有人知道。當(dāng)終于可以解開(kāi)電線(xiàn)的束縛時(shí)，我們會(huì)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(jué)一樣，我們終會(huì)把無(wú)處不在的無(wú)線(xiàn)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(lái)博人一笑的小小魔術(shù)。也許有一天，我們會(huì)對(duì)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(xiàn)纜束縛的無(wú)奈走到無(wú)線(xiàn)的自由這一過(guò)程。會(huì)回味那些有

15、電線(xiàn)的日子，不可避免地談及那些因電線(xiàn)接頭松動(dòng)讓所有工作成果化為一縷青煙的小插曲。會(huì)懷念電池的質(zhì)感，會(huì)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(huì)一遍遍提起法拉第、麥克斯韋，以及特斯拉這些名字。我們會(huì)像小時(shí)候的老師那樣，循循善誘地提問(wèn)：“那么，電是從哪里來(lái)的呢？”也許，坐在對(duì)面的小孩，會(huì)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(shuō)：“電？到處都有電啊?！睘榱诉@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。 無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)：創(chuàng)造未來(lái)空間神話(huà) 自17世紀(jì)人類(lèi)發(fā)現(xiàn)如何發(fā)電后就用金屬電線(xiàn)來(lái)四處傳輸電力，一直到今天供電網(wǎng)、高壓線(xiàn)已遍布

16、全球的角角落落。生活中，大人們總少不了教導(dǎo)孩童“不要碰電源插口和裸露的電線(xiàn)”，想來(lái)那些高壓電線(xiàn)更是給不少人留下過(guò)“恐懼”感的記憶。而如今，無(wú)論是在工作還是生活中，越來(lái)越多的電器給我們帶來(lái)極大的便捷，不知不覺(jué)中各種“理不清”的電源線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)帶來(lái)的困擾也與日俱增這樣下去難道人間要“作繭自縛”？不過(guò)，這些年的科技發(fā)展表明，在無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)日益普及之時(shí)，科學(xué)家對(duì)無(wú)線(xiàn)電力傳輸 (Wireless Power Transmission, WPT)的研究也有了很大突破從某種意義上來(lái)講，無(wú)線(xiàn)電力傳輸也不是幻想在未來(lái)的生活中擺脫那些紛亂的電源線(xiàn)也已成為可能。 最近有報(bào)道稱(chēng)，2008年8月的英特爾信息技術(shù)峰會(huì)(

17、IDF：Intel Developer Forum)上演示了無(wú)線(xiàn)供電方式點(diǎn)亮一枚60W電燈泡(圖1)。該研究是由英特爾西雅圖實(shí)驗(yàn)室Joshua R.Smith等基于美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT：Massachusetts Institute of Technology)馬林索爾賈希克(Marin Soljacic)的研究理論進(jìn)行的，可以在1m距離內(nèi)隔空給60W燈泡提供電力，效率高達(dá)75%。 在2006年末有報(bào)道稱(chēng)MIT在無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)上獲得突破：物理學(xué)助教授馬林索爾賈?？藶槭椎难芯繄F(tuán)隊(duì)試制出的無(wú)線(xiàn)供電裝置(圖2)，可以點(diǎn)亮相隔7英尺(約2.1m)遠(yuǎn)的60W電燈泡，能量效率可達(dá)到40有關(guān)內(nèi)容刊登在

18、2007年6月7日的Science在線(xiàn)版ScienceExpress上。這個(gè)“隔空點(diǎn)燈泡”實(shí)驗(yàn)引起了歐美及全球各大媒體的極大關(guān)注并進(jìn)行了“Goodbye Wires”之類(lèi)的廣泛報(bào)道。 在2001年5月，國(guó)際無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)會(huì)議在印度洋上的法屬留尼汪島(Reunion Island, France)召開(kāi)期間，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的皮格努萊特(G. Pignolet)，利用微波無(wú)線(xiàn)傳輸電能點(diǎn)亮40m外一個(gè)200W的燈泡。其后，據(jù)研究者有關(guān)文章介紹2003年在島上建造的10kW試驗(yàn)型微波輸電裝置(注：有些國(guó)內(nèi)報(bào)道誤作10萬(wàn)kW)，已開(kāi)始以2.45GHz頻率向接近1km的格朗巴桑村(Grand-Bas

19、sin)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)供電。 無(wú)線(xiàn)電力傳輸這種特殊的供電方式，是人類(lèi)的夢(mèng)想之一。世界上第一臺(tái)交流電發(fā)電機(jī)的發(fā)明者尼古拉特斯拉(Nikola Tesla)在19世紀(jì)末就進(jìn)行過(guò)無(wú)線(xiàn)電力傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，但最終未能成功。一百年后的今天，隨著無(wú)源式RFID電子標(biāo)簽和各種非接觸式無(wú)線(xiàn)充電(用于電動(dòng)牙刷、剃須刀等低功率家電)技術(shù)的實(shí)用化，以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大發(fā)展，無(wú)線(xiàn)電力傳輸已經(jīng)引起人們的極大興趣。本世紀(jì)以來(lái)，能點(diǎn)亮燈泡的無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)，毫無(wú)疑問(wèn)也點(diǎn)亮和刷新了人們對(duì)“無(wú)線(xiàn)”未來(lái)生活的無(wú)限憧憬。 對(duì)于在空間實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電力傳輸/供電的形式，總起來(lái)看大致有三類(lèi)：第一類(lèi)是通過(guò)電磁感應(yīng)“磁耦合”進(jìn)行短程傳輸；第二類(lèi)是將電能以

20、電磁波“射頻”或非輻射性諧振“磁耦合”等形式中程傳輸；第三類(lèi)是將電能以微波或激光形式遠(yuǎn)程傳輸發(fā)射到遠(yuǎn)端的接收天線(xiàn)，然后通過(guò)整流、調(diào)制等處理后使用。下面將舉例簡(jiǎn)要介紹這些方面研究開(kāi)發(fā)情況或相關(guān)信息，供讀者參考。 短程無(wú)線(xiàn)供電技術(shù) 現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用的變壓器是基于電磁感應(yīng)原理來(lái)工作的：由一個(gè)磁芯和二個(gè)線(xiàn)圈(初級(jí)線(xiàn)圈、次級(jí)線(xiàn)圈)組成；當(dāng)初級(jí)線(xiàn)圈兩端加上一個(gè)交變電壓時(shí)，磁芯中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，從而在次級(jí)線(xiàn)圈上感應(yīng)一個(gè)相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電路傳輸至輸出電路?，F(xiàn)在已經(jīng)商品化的非接觸式充電系統(tǒng)，其電能發(fā)射端的線(xiàn)圈(連接電源)與接收端的線(xiàn)圈(在電子產(chǎn)品中)，處于兩個(gè)分離的裝置中，電能通過(guò)感應(yīng)線(xiàn)圈

21、傳送，這類(lèi)似一個(gè)線(xiàn)圈間耦合不緊密的變壓器。最早使用變壓器原理進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電的產(chǎn)品是一些電動(dòng)牙刷、電胡刀和無(wú)繩電話(huà)等，下面介紹一些相關(guān)產(chǎn)品及其構(gòu)造或原理。 無(wú)接點(diǎn)充電插座 因電動(dòng)牙刷難免經(jīng)常接觸到水，采用無(wú)接點(diǎn)充電方式，可使得充電接觸點(diǎn)不暴露在外，增強(qiáng)了產(chǎn)品的防水性，利于整體水洗、清潔方便。在充電插座和牙刷中各有一個(gè)線(xiàn)圈，當(dāng)牙刷放在充電座上時(shí)就有磁耦合作用，利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)傳送電力，感應(yīng)電壓整流后就可對(duì)牙刷內(nèi)部的充電電池充電。 蘋(píng)果公司、摩托羅拉公司、LG以及Panasonic聯(lián)手NTT DoCoMo都在開(kāi)發(fā)各自的無(wú)線(xiàn)充電器。而對(duì)用于手機(jī)的無(wú)接點(diǎn)充電器而言，只要在充電座和手機(jī)中安裝發(fā)射和接收電

22、能的線(xiàn)圈，便可實(shí)現(xiàn)無(wú)接點(diǎn)充電這不僅將擺脫線(xiàn)纜的束縛而且還將消除接口差異的限制，因此無(wú)線(xiàn)充電器設(shè)計(jì)更加人性化并且減少資源浪費(fèi)。 “免電池”無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo) 鼠標(biāo)的工作需要電力支持，有線(xiàn)鼠標(biāo)通過(guò)與電腦的連接線(xiàn)來(lái)獲得電力，而無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)一般采用電池供電。電腦鼠標(biāo)從易招致污垢的機(jī)械鼠標(biāo)到無(wú)線(xiàn)光電鼠標(biāo)，使用的舒適度已有很大提高。而老牌鼠標(biāo)廠家雙飛燕公司從2004年開(kāi)始推出的“免電池”無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)(需要在專(zhuān)門(mén)配備的鼠標(biāo)墊上操作)這里的鼠標(biāo)和配墊都有“奧秘”兩者內(nèi)部都安裝了電磁感應(yīng)線(xiàn)圈，鼠標(biāo)墊通過(guò)連接電腦的USB接口即可獲得電能，并由其感應(yīng)線(xiàn)圈向鼠標(biāo)內(nèi)的感應(yīng)線(xiàn)圈輸送電能，可以給鼠標(biāo)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電并進(jìn)行信號(hào)感應(yīng)，這里也涉及到了

23、人們常講的“RFID(無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別)”技術(shù)。 通用型無(wú)線(xiàn)供電“墊” 2003年英國(guó)劍橋SplashPower公司發(fā)明了無(wú)線(xiàn)充電(wireless recharging system)技術(shù)，也是根據(jù)電磁感應(yīng)進(jìn)行電力傳輸?shù)?，電能接收器“SplashModule”(厚不足1mm)可配置于充電終端手機(jī)、筆記本電腦，電能發(fā)送器則配置成充電器，2005年初這種商業(yè)化的無(wú)線(xiàn)充電器“SplashPads”(厚約6mm、大小如鼠標(biāo)墊)上市，只要便攜終端安裝有電能接收器即可放到上面充電。 類(lèi)似的產(chǎn)品還有美國(guó)WildCharge公司開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)，充電板的外觀像一個(gè)鼠標(biāo)墊，能夠放置在桌椅等任何平坦表面，可提供高

24、達(dá)90W的功率，足以同時(shí)為多數(shù)筆記本電腦以及各種小型設(shè)備充電。香港城市大學(xué)的許樹(shù)源教授也曾成功研制出一種“無(wú)線(xiàn)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)上充電，充電時(shí)間與傳統(tǒng)充電器無(wú)異。2007年微軟亞洲研究院披露新成果設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種通用型“無(wú)線(xiàn)供電桌面(Universal Wireless Power Surface)”，如果隨意將筆記本、手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備放置在桌面上，即可自動(dòng)開(kāi)始充電或供電。 多功能家用電器無(wú)線(xiàn)供電“膜片” 2006年日本東京大學(xué)產(chǎn)學(xué)研國(guó)際中心的櫻井貴康教授主持開(kāi)發(fā)出一種家用電器無(wú)線(xiàn)供電方式，用一片圖書(shū)大小的柔軟塑料膜片就可對(duì)家電進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電該特制塑料膜上面印刷有半導(dǎo)

25、體感應(yīng)線(xiàn)圈，厚度約1mm、面積約20cm2、重約50g，可以貼在桌子、地板、墻壁上，可為圣誕樹(shù)上的LED、裝飾燈、魚(yú)缸水中的燈泡或小型電機(jī)供電。使用前家用電器需要裝上可接收電能的感應(yīng)線(xiàn)圈，然后放到相應(yīng)位置即可得到無(wú)線(xiàn)供電。 據(jù)報(bào)道這種薄膜電源由四層塑料薄膜組成，從下到上依次是電導(dǎo)可控的有機(jī)晶體管，感測(cè)兼容電子設(shè)備接近的銅線(xiàn)圈、接通或斷開(kāi)電源的MEMS開(kāi)關(guān)、傳送電能的銅線(xiàn)圈。當(dāng)電器進(jìn)入薄膜2.5cm范圍內(nèi)，最靠近的MEMS開(kāi)關(guān)接通電源，電感線(xiàn)圈就利用電磁感應(yīng)向設(shè)備供電。試驗(yàn)驗(yàn)證，扣除發(fā)熱損耗的情況下能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)62.3，可轉(zhuǎn)送30W電力(如果加大膜片尺寸可達(dá)100W)。據(jù)稱(chēng)該無(wú)線(xiàn)供電膜片將自行

26、判斷電器所在位置，在居室空間的較大范圍內(nèi)可隨意放置。在無(wú)電源線(xiàn)的吸塵器、筆記本電腦以及家用機(jī)器人等的應(yīng)用方面有廣闊前景。 植入式醫(yī)學(xué)器件的充電技術(shù) 目前，心臟調(diào)節(jié)器、心臟除顫器等單植入式醫(yī)療裝置市場(chǎng)已達(dá)數(shù)十億美元，這些植入裝置需要電池供電，當(dāng)電池將耗盡時(shí)，如果能通過(guò)無(wú)線(xiàn)供電方式充電則將避免動(dòng)手術(shù)等大麻煩。 日本東北大學(xué)小柳光教授，在2007年SSDM國(guó)際會(huì)議上，發(fā)表過(guò)使用電磁感應(yīng)型無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)成果，他主持試制出可從外部向植入眼球的人工視網(wǎng)膜用LSI(Large-Scale Integration大規(guī)模集成電路)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電的系統(tǒng)。另外，據(jù)2007年7月多家媒體報(bào)道，英國(guó)南安普敦大學(xué)的研究者成功

27、地研發(fā)出一款能將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的“迷你發(fā)電機(jī)”，可望將來(lái)能憑借心臟病人的心跳為自己的心臟起搏器供電避免更換電池時(shí)動(dòng)手術(shù)。據(jù)說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)也可能應(yīng)用于手機(jī)、MP3等移動(dòng)裝置僅靠人類(lèi)的心跳就能無(wú)線(xiàn)充電。 中程無(wú)線(xiàn)供電技術(shù) 我們了解頻率介于75kHz和約10GHz之間的電磁波俗稱(chēng)“無(wú)線(xiàn)電波”，可以用來(lái)傳送廣播和電視節(jié)目、進(jìn)行通信和傳真，但是對(duì)其傳輸電能的本領(lǐng)比較陌生。通常電磁波在自由空間傳輸能量的過(guò)程中會(huì)向四面八方散發(fā)、不易集中、定向性差，因而供電效率是個(gè)問(wèn)題；另外，還有對(duì)空間造成電磁“污染”的擔(dān)憂(yōu)。有人認(rèn)為電磁波可以無(wú)線(xiàn)傳輸較長(zhǎng)的距離，但輸送能量有限，存在傳輸功率比較低(甚至只有幾微瓦到幾毫瓦)的問(wèn)題

28、。Powercast公司的相關(guān)研究是利用電磁波損失小的天線(xiàn)技術(shù)，借助二極管、非接觸IC卡和無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽等，實(shí)現(xiàn)效率較高的無(wú)線(xiàn)電力傳輸。 Jennifer Chu在科技評(píng)論中提到，MIT的索爾賈希克曾考慮使用電磁波，但難以避免有大部分能量在傳輸過(guò)程中損耗，而激光等傳輸方法也存在難題，最終提出了“電磁共振耦合”概念,與電磁感應(yīng)方法相比，雖然采用的磁場(chǎng)弱，但可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的傳輸；與電磁波傳播方式相比，電磁共振方式的能量流失少。 Powercast無(wú)線(xiàn)充電器 2007年3月“Business 2.0”等媒體報(bào)道，美國(guó)賓夕法尼亞州的Powercast公司開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，可為各種耗電量相對(duì)較低的電子產(chǎn)

29、品充電或供電，諸如手機(jī)、MP3、隨身聽(tīng)、溫度傳感器、助聽(tīng)器、汽車(chē)零部件，甚至體內(nèi)植入式醫(yī)療裝置等。 Powercaster公司表示開(kāi)發(fā)工作早在2003年就開(kāi)始了，該技術(shù)已獲得FCC的批準(zhǔn)，其中整個(gè)系統(tǒng)主要包含兩個(gè)模塊：一個(gè)模塊是“Power Caster”發(fā)射器，可插在電源插座上；一個(gè)模塊是“Powerharvester”接收器(硬幣大小)，可嵌入電子產(chǎn)品里。發(fā)送器這邊利用安全的超高頻915MHz頻段把能量發(fā)送出去，而接收器在距離發(fā)送器將近一米范圍內(nèi)都可以接收到發(fā)射的電磁波而實(shí)現(xiàn)充電據(jù)稱(chēng)約有70%的電磁信號(hào)能量轉(zhuǎn)換為直流電能。 Powercast已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化運(yùn)作，與荷蘭菲利浦公司等百家以上的

30、公司簽訂了合作協(xié)議，計(jì)劃到2008年年底將交付數(shù)百萬(wàn)個(gè)無(wú)線(xiàn)充電器?；诖耍w利浦公司還曾準(zhǔn)備推出具有無(wú)線(xiàn)充電功能的無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)。報(bào)道稱(chēng)該項(xiàng)技術(shù)之所以會(huì)得到多家廠商的青睞，原因在于它獨(dú)特的電磁波接收裝置，能夠根據(jù)不同的負(fù)載、電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)做調(diào)整，同時(shí)還能維持穩(wěn)定的直流電壓。 MIT隔空無(wú)線(xiàn)點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn) 在文章開(kāi)始提到的MIT的索爾賈?？搜芯繄F(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們發(fā)現(xiàn)的是一種全新的無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)非輻射電磁能諧振隧道效應(yīng)，稱(chēng)作“Witricity”無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)。采用“不發(fā)出電磁波的天線(xiàn)(Wireless Non-radiative Power Transfer)”實(shí)現(xiàn)非幅射共振能量傳輸。MIT的研究者用兩個(gè)直徑60

31、cm的特殊銅線(xiàn)圈做實(shí)驗(yàn)，作為送電方的一個(gè)線(xiàn)圈接在電源上，作為受電方的另一個(gè)線(xiàn)圈置于2m外并連接一個(gè)燈泡。當(dāng)送電方的接通電源后，兩個(gè)線(xiàn)圈都以10兆赫茲的頻率振動(dòng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，通過(guò)“電振”電能被傳遞了，隔空供電使燈泡發(fā)光。在電源與燈泡中間放置木料、金屬或其他電器等，燈泡仍會(huì)發(fā)亮。研究人員表示，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這一系統(tǒng)會(huì)影響人體健康，現(xiàn)在的電磁輻射水平大概和核磁共振儀類(lèi)似，應(yīng)該是在安全范圍之內(nèi)。 該無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)也稱(chēng)為共振感應(yīng)耦合技術(shù)，關(guān)鍵在于利用了非輻射性磁耦合兩個(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，采用單層線(xiàn)圈，兩端各放置一個(gè)平板電容器，共同組成諧振回路，減少能量浪費(fèi)?；谄胀姶鸥袘?yīng)耦合的非

32、接觸電力傳輸，則是利用數(shù)百圈緊密纏繞的線(xiàn)圈，但只能在數(shù)毫米的范圍才得到60以上的傳輸效率。而該系統(tǒng)只是纏繞了5圈粗銅線(xiàn)作為天線(xiàn)的線(xiàn)圈，在進(jìn)行2m傳輸時(shí)效率約為40，距離為1m時(shí)效率竟高達(dá)約90。可見(jiàn)這種融合了電磁共振的無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)別具一格。 關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)離實(shí)用化還有多少距離的問(wèn)題，該研究團(tuán)隊(duì)承認(rèn)技術(shù)還需改進(jìn)才能走進(jìn)家庭。一方面是輸電效率必須提高一倍才有望取代化學(xué)電池；再是銅線(xiàn)圈需要最小化才可實(shí)用目前銅線(xiàn)圈直徑為0.6m，要給整個(gè)房間的電器無(wú)線(xiàn)充電，預(yù)計(jì)直徑需達(dá)2.1m；此外，電磁能發(fā)射器工作的有效距離最遠(yuǎn)僅為2.74m，要想提高這一有效距離，電腦等設(shè)備還必須同樣配置一個(gè)帶有銅絲線(xiàn)圈的接收器。目

33、前該團(tuán)隊(duì)正設(shè)法改進(jìn)，希望電器離電源的有效供電距離能達(dá)到4m5m，銅線(xiàn)圈可縮小到安裝在筆記本電腦里的程度，輸電效率也要大幅提高。如果這樣，手機(jī)、筆記本電腦就可以在配置有發(fā)射器的屋子里自動(dòng)充電，甚至無(wú)需電池或無(wú)需通過(guò)相連電源就可以直接使用。 遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)供電技術(shù) 從科學(xué)技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的角度來(lái)講，無(wú)線(xiàn)供電和有線(xiàn)供電將會(huì)各有千秋。如果作為地面長(zhǎng)距離輸電或者所有家用電器的長(zhǎng)期供電，無(wú)線(xiàn)供電可能未必實(shí)用。除鋪設(shè)輸電線(xiàn)路困難的地區(qū)之外，但有一個(gè)特殊科技領(lǐng)域的發(fā)展非常倚重?zé)o線(xiàn)電力傳輸技術(shù)，那就是太空領(lǐng)域了，比如人造衛(wèi)星、航天器之間的能量傳輸?shù)?，而首?dāng)其沖的是未來(lái)太空太陽(yáng)能發(fā)電站“隔空”給地球無(wú)線(xiàn)供電的研究擺

34、在人們面前。 在太空的太陽(yáng)光線(xiàn)沒(méi)有地球大氣層的影響，輻射能量十分穩(wěn)定，是“取之不盡”的潔凈能源。如果在靜止軌道上建設(shè)太陽(yáng)能電站，一年有99%的時(shí)間是白天，其利用效率比在地面上要高出6倍15倍。隨著全球環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題日趨緊張，向太空要能源的需求愈發(fā)迫切。美國(guó)五角大樓國(guó)家安全太空辦公室(NSSO)在2007年10月的報(bào)告中則明確指出，要立即著手“向上鉆取能源”的工作，建議美國(guó)政府在未來(lái)10年投入100億美元建造一顆能將10GW太陽(yáng)能傳回地球的試驗(yàn)衛(wèi)星。太空太陽(yáng)能電站是利用衛(wèi)星技術(shù)，在太空把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，然后以微波和激光等方式傳回地球供人類(lèi)使用的系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由兩大部分組成：太空部分太

35、陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星由火箭將太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星發(fā)射到空間軌道上形成，在太空將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能；地面部分接收電站接收太空發(fā)電衛(wèi)星通過(guò)微波或激光等方式傳輸?shù)降孛娴碾娔堋?在外太空進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)電的國(guó)家有美、日、法、德、俄等。來(lái)自美國(guó)國(guó)防部的一份報(bào)告稱(chēng)，建立空間太陽(yáng)能電站的構(gòu)想無(wú)論在技術(shù)方面還是在經(jīng)濟(jì)方面都是可行的。太陽(yáng)光是永恒不變的，太陽(yáng)所釋放的能量相當(dāng)于當(dāng)前全球所消耗能量的10萬(wàn)億倍，美國(guó)國(guó)家航天學(xué)會(huì)副主席馬克霍普金斯(Mark Hopkins)說(shuō):“我們只需要開(kāi)發(fā)其中一少部分，就足以應(yīng)付我們當(dāng)前和未來(lái)許多年的能源需求。” 根據(jù)美國(guó)科學(xué)家預(yù)測(cè)，到2025年，美國(guó)有可能在太空建造100座太陽(yáng)能電站，將會(huì)滿(mǎn)足美國(guó)全國(guó)30%的電力。而日本從20世紀(jì)80年代也已展開(kāi)太空太陽(yáng)能相關(guān)研究，目標(biāo)是在2030年前向太空發(fā)射一顆對(duì)地靜止衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星將為地球上50萬(wàn)戶(hù)家庭提供10億W電能