無(wú)線供電，是一種方便安全的新技術(shù)，無(wú)需任何物理上的連接，電能可以近距離無(wú)接觸地傳輸給負(fù)載。實(shí)際上近距離的無(wú)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(wú)線供電。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)線供電產(chǎn)品，而不會(huì)看到電線桿和高壓線，“插頭”也將會(huì)變成一個(gè)歷史名詞。
內(nèi)容簡(jiǎn)介
無(wú)線能量傳輸技術(shù)分為兩種類(lèi)別:非輻射與輻射。非輻射技術(shù)在電感線圈之間以電感合，能量通過(guò)磁場(chǎng)傳送。應(yīng)用例子有電動(dòng)牙刷充電，RFID及SIM卡心律調(diào)節(jié)器、電動(dòng)車(chē)充電器?，F(xiàn)在發(fā)展焦點(diǎn)是為移動(dòng)電話等無(wú)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(wú)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(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星及無(wú)人飛行載具。
技術(shù)上，無(wú)線輸電技術(shù)與無(wú)線電通訊中所用發(fā)射與接收技術(shù)并無(wú)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(wú)線輸電技術(shù)的最最大困難在于無(wú)線電的彌散與不期望的吸收與衰減。對(duì)于無(wú)線電通訊，無(wú)線電波的彌散問(wèn)題甚至不一定是件壞事，但是卻可能給無(wú)線輸電帶來(lái)嚴(yán)重的傳輸效率問(wèn)題。一個(gè)辦法是使用微波甚至激光傳輸，理論上，無(wú)線電波波長(zhǎng)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(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)，雖然尚無(wú)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(dòng)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(duì)健康造成任何影響。
美國(guó)無(wú)線電力公司在2009年的全球科技、娛樂(lè)及設(shè)計(jì)大會(huì)(TEDGlobal)上，成功利用線圈共振原理實(shí)現(xiàn)無(wú)線輸電，為兩臺(tái)手機(jī)隔空充電，并開(kāi)啟了一臺(tái)沒(méi)有接電線的電視機(jī)。2010年1月，海爾在第四十三屆國(guó)際消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品展覽會(huì)(CES展)上推出全球首臺(tái)無(wú)尾電視”，其中使用了麻省理工學(xué)院發(fā)明的無(wú)線輸電技術(shù)，利用“磁耦合共振”原理實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電。
原理
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厘米的電感線圈通電，6英尺（約1.9米）之外連接在另一個(gè)線圈上的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年的麥克阿瑟天才獎(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)線供電重新燃起了希望。而它的關(guān)鍵在于“共振”。
科學(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塌、雪崩或者高音歌唱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)送端和接收端的電感線圈調(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(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，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。
歷史
美國(guó)無(wú)線電力公司在2009年的全球科技、娛樂(lè)及設(shè)計(jì)大會(huì)（TED Global）上，成功利用線圈共振原理實(shí)現(xiàn)無(wú)線輸電，為兩臺(tái)手機(jī)隔空充電，并開(kāi)啟了一臺(tái)沒(méi)有接電線的電視機(jī)。
2010年1月，海爾在第四十三屆國(guó)際消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品展覽會(huì)(CES展)上推出全球首臺(tái)"無(wú)尾電視"，其中使用了麻省理工學(xué)院發(fā)明的無(wú)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(wú)線供電。
分類(lèi)
無(wú)線能量傳輸技術(shù)分為兩種類(lèi)別：非輻射與輻射。非輻射技術(shù)在電感線圈之間以電感耦合，能量通過(guò)磁場(chǎng)傳送。應(yīng)用例子有電動(dòng)牙刷充電、RFID及SIM卡、心律調(diào)節(jié)器、電動(dòng)車(chē)充電器、JR磁浮的車(chē)上供電。發(fā)展焦點(diǎn)是為移動(dòng)電話等無(wú)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(wú)線能量傳輸仍處于實(shí)驗(yàn)階段，提議使用的用途有太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星及無(wú)人飛行載具。
無(wú)線充電
無(wú)線充電，又稱(chēng)作感應(yīng)充電、非接觸式感應(yīng)充電，是利用近場(chǎng)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(duì)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(wú)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(shuō)，終端用電器通過(guò)無(wú)線的方式獲取電能的過(guò)程就叫無(wú)線供電，所獲得的電能是由其它形式的能量轉(zhuǎn)化面來(lái)的，無(wú)線供電裝置就是一套能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置。
最常見(jiàn)的無(wú)線供電就是太陽(yáng)能電池，它吸收太陽(yáng)能量轉(zhuǎn)化為電能。
無(wú)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(lái)無(wú)線供電，如電磁感應(yīng)，電磁共振，風(fēng)力發(fā)電，太陽(yáng)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(guò)電線與終端設(shè)備相連。
狹義地說(shuō)，通常我們把電磁感應(yīng)和電磁共振叫作無(wú)線供電，簡(jiǎn)單地認(rèn)為這是一個(gè)電與電之間的無(wú)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?xún)?nèi)，電磁共振的距離稍遠(yuǎn)些，距離為數(shù)厘米到3米以?xún)?nèi)，此類(lèi)無(wú)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(wú)線供電就是這種類(lèi)型，它是將一個(gè)發(fā)射電感線圈做成軌道，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(guò)磁芯的耦合從軌道上獲取電能。
2006年，麻省理工學(xué)院的無(wú)線供電實(shí)驗(yàn)屬于電磁共振，同年明天科技的VOX無(wú)線供電芯片也屬于此類(lèi)。
微波的無(wú)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(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，特別是對(duì)人和動(dòng)物的影響。激光的無(wú)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(duì)人和動(dòng)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(mèng)想
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。
在這架空中機(jī)器人起飛之后，地面的高功率發(fā)射機(jī)通過(guò)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(guò)微波接收天線接收能量，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(Peter 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 功率)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)射天線則瞄準(zhǔn)地面的接收天線。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市，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。
1977~1980年，美國(guó)航空航天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，而目前比較樂(lè)觀的估計(jì)是，2010～2020年太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星就可以進(jìn)入實(shí)用階段了。
應(yīng)用
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？法拉第未來(lái)的發(fā)現(xiàn)，也促進(jìn)了近距離無(wú)線供電技術(shù)的發(fā)展。最早的工業(yè)化近距離無(wú)線供電技術(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我們的一條內(nèi)存或者一塊HDD，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)?a href="/hebeideji/1028832515504085456.html">電感線圈內(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)記錄信息的設(shè)備失效。我們都不想自己的HDD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)剃須刀等。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)線供電設(shè)備，誰(shuí)還需要這種東西呢
未來(lái)
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)有一根線握在手里。斷線的風(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，卻依然盡在掌握。
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(wú)線供電的時(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，不用再為汽車(chē)傳感器準(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纜束縛的無(wú)奈走到無(wú)線的自由這一過(guò)程。會(huì)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(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)一遍遍提起法拉第未來(lái)、詹姆斯·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?！?/p>
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。
參考資料 >