无线供电（一种方便安全的新技术）-趣爱秀

内容简介

无线能量传输技术分为两种类别:非辐射与辐射。非辐射技术在线圈之间以电感合，能量通过磁场传送。应用例子有电动牙刷充电，RFID及智能卡心律调节器、电动车充电器。现在发展焦点是为移动电话等无线充电技术。辐射技术则以微波、激光等定向能波束把能量送，这种技术可以传送致较远距离，但发射一方必须瞄准接收一方发射。使用辐射技术的无线能量传输仍处于实实验阶段，提议使用的用途有太阳能发电卫星及无人飞行载具。

技术上，无线输电技术与无线电通讯中所用发射与接收技术并无本质区别，但是前者着眼于传输能量，而非附载于能量之上的信息。无线输电技术的最最大困难在于无线电波的弥散与不期望的吸收与衰减。对于无线电通讯，无线电波的弥散问题甚至不一定是件坏事，但是却可能给无线输电带来严重的传输效率问题。一个办法是使用微波甚至激光传输，理论上，无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小。亦有人担心此项技术可能给人带来的健康风险，虽然尚无太多证据证实或者否定这种风险，有实验将几代动物暴露于微波及比之更强的辐射环境，并未发现对健康造成任何影响。

美国无线电力公司在2009年的全球科技、娱乐及设计大会(TEDGlobal)上，成功利用线圈共振原理实现无线输电，为两台手机隔空充电，并开启了一台没有接电线的电视机。2010年1月，海尔在第四十三届国际消费类电子产品展览会(CES展)上推出全球首台无尾电视”，其中使用了麻省理工学院发明的无线输电技术，利用“磁耦合共振”原理实现无线供电。

原理

无线供电

2007年6月，麻省理工大学的物理学助理教授马林·索尔贾希克（Marin Soljacic）和他的研究团队公开做了一个演示。他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.9米）之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡被点亮了。这种马林称之为“witricity”技术的原理是“磁耦合共振”，而他本人也因为这一发明获得了麦克阿瑟基金会2008年的天才奖。新技术所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一，不由让人们对室内距离的无线供电重新燃起了希望。而它的关键在于“共振”。

科学家们早就发现，共振是一种非常高效的传输能量方式。我们都听过诸如共振引起的铁桥坍塌、雪崩或者高音歌唱家震碎玻璃杯的故事。无论这些故事可信度如何，但它们的基本原理是正确的：两个振动频率相同的物体之间可以高效传输能量，而对不同振动频率的物体几乎没有影响。在马林的这种新技术中，将发送端和接收端的线圈调校成了一个磁共振系统，当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时，接收端就产生共振，从而实现了能量的传输。根据共振的特性，能量传输都是在这样一个共振系统内部进行，对这个共振系统之外的物体不会产生什么影响。这就像是几个厚度不同的玻璃杯不会因为同一频率的声音而同时炸碎一样。

最妙的就是这一点了。当发射端通电时，它并不会向外发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射的磁场。这个磁场用来和接收端联络，激发接收端的共振，从而以很小的消耗为代价来传输能量。在这项技术中，磁场的强度将不过和地球磁场强度相似，人们不用担心这种技术会对自己的身体和其他设备产生不良影响。

在2007年马林演示他的成果的时候，这项技术能够达到40%左右的效率。这在某些场合是可以接受的，但是人们还想更进一步。刚才我们提到的英特尔公司研究员们已经把传输效率提升到了75%，而马林小组最近声称，他们做到了90%。这意味着，一年之间提高到原来的两倍以上！

虽然成效惊人，但改进空间也依然很大。下一步，有望在提高传输效率的同时缩小发射端和接收端的体积，最终实现用电设备内置接收端的目标。

想象一下，这会对生活带来什么样的影响？我们可以完全从需要的角度出发来摆放家用电器，不用再考虑附近是否有插座；我们在装修房间的时候不用再考虑如何布设电线，笔记本电脑和手机这样的小件电子设备永远显示电池充满，清扫机器人在房间里跑来跑去，不用过一会就去找地方充电……这一天也许很快就会来到。市场上已经有了一些采用这种技术的原型产品，广泛使用也只是时间问题罢了。

历史

美国无线电力公司在2009年的全球科技、娱乐及设计大会（TED Global）上，成功利用线圈共振原理实现无线输电，为两台手机隔空充电，并开启了一台没有接电线的电视机。

2010年1月，海尔在第四十三届国际消费类电子产品展览会(CES展)上推出全球首台"无尾电视"，其中使用了麻省理工学院发明的无线输电技术，利用“谐振感应耦合(磁耦合谐振)”原理实现无线供电。

分类

无线能量传输技术分为两种类别：非辐射与辐射。非辐射技术在线圈之间以电感耦合，能量通过磁场传送。应用例子有电动牙刷充电、RFID及智能卡、心律调节器、电动车充电器、JR磁浮的车上供电。发展焦点是为移动电话等无线充电技术。辐射技术则以微波、激光等定向能波束把能量传送，这种技术可以传送致较远距离，但发射一方必须瞄准接收一方发射。使用辐射技术的无线能量传输仍处于实验阶段，提议使用的用途有太阳能发电卫星及无人飞行载具。

无线充电

无线充电，又称作感应充电、非接触式感应充电，是利用近场感应，也就是电感耦合，由供电设备（充电器）将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运作之用。基本上由于充电器与用电装置之间以电感耦合传送能量，两者之间不需使用电线连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。那样就比有线充电更为方便。

定义

广义地说，终端用电器通过无线的方式获取电能的过程就叫无线供电，所获得的电能是由其它形式的能量转化面来的，无线供电装置就是一套能量转化为电能的装置。

最常见的无线供电就是太阳能电池，它吸收太阳能量转化为电能。

无线供电的形式有多种，所有携带能量的物质形式都有可能用来无线供电，如电磁感应，电磁共振，风力发电，太阳能发电，潮汐发电，微波供电，激光供电，远红外供电等等，只是这些发电方式有的设备相当复杂，体积庞大，不能直接用与终端设备整合成一体，而是通过电线与终端设备相连。

狭义地说，通常我们把电磁感应和电磁共振叫作无线供电，简单地认为这是一个电与电之间的无线连接，事实上，它们都是线历了二次转换，即：发射部分将电能转化为磁能，然后由接收部分将磁能转化为电能。电磁感应的距离是很近的，通常在30厘米以内，电磁共振的距离稍远些，距离为数厘米到3米以内，此类无线供电能方便地传输较大的功率，数千瓦甚至数十千瓦，工业上使用的有轨非接触式无线供电就是这种类型，它是将一个发射线圈做成轨道，用电器沿着轨道运行，一个磁芯骑（串）在轨道上，接收线圈通过磁芯的耦合从轨道上获取电能。

2006年，麻省理工的无线供电实验属于电磁共振，同年明天科技的VOX无线供电芯片也属于此类。

微波的无线供电具有很好的穿透性，传输距离远且受障碍物影响较小，在金属表面反射等特点，但微波可能会对环境产生较大的影响，特别是对人和动物的影响。激光的无线供电具有直线传播、能量集中、距离远和穿透性差等特性，易受障碍物的影响，对人和动物特别是眼睛的影响较大，通常不适合于民用。但明天科技采用了一种平面发散发射技术，使这一现象得到了明显的改变，并实现了与普通激光相近的传输效果，距离可达数十米甚至数十千米，在确保安全的前提下，使这一技术廉价化和民用化成为可能。

梦想

无线供电

尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的梦想——使用电磁波来远距离供电——也许很快就会变成现实。早在1890年，这位现代交流电系统的奠基者就开始构想无线供电方法，最后提出了一个非常宏大的方案——把地球作为内导体、距离地面约60千米的电离层作为外导体，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，再利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力。他想像广播一样，将电能传遍全球。为此，在J. P. 摩根的资助下，他在纽约长岛建立了57米高的瓦登克里夫塔（Wardenclyffe Tower）来实现这一构想，但最终被迫放弃。虽然我们现在可以从理论上证明特斯拉的方案的确可行，但是出于世界上各个国家的区隔，这种“天下大同”在短时间内恐怕不会成为现实。不过另一种远程无线供电方案可能会更容易实现一点。

加拿大科学家正计划制造一架无人飞机，飞行高度33千米，可以在空中连续飞行几个月。这可能是世界上第一架可以真正投入使用的远程供电飞机，本身不携带燃料，而是从地面的微波站中获取能量。

微波是指那些频率在300MHz到300KMHz之间的电磁波，它的波长在1米到1毫米之间。因为电磁波的频率越高，能量就越集中，方向性也越强，所以人们认为，使用微波来无线传递能量可能是最好的选择。更何况，微波可以通过硅整流二极管天线转换成电能，转化效率可以高达95%以上——这样高的转化率已经可以让人满意了。

在这架无人机起飞之后，地面的高功率发射机通过天线将发射机所产生的微波能量汇聚成能量集中的窄波束，然后将其射向高空飞行的微波飞机。微波飞机通过微波接收天线接收能量，转换成直流电，再由直流电动机带动飞机的螺旋桨旋转。因为无需携带燃料和发动机，这种飞机的有效载荷将会大大提升。

其实早在1968年，美国航天工程师彼得·格拉泽(Peter Glaser)就已经更进一步，提出了空间太阳能发电(SSP，Space Solar Power)的概念。他设想在大气层外通过卫星收集太阳能发电，然后通过微波将能量无线传输回地面，并且重新转化成电能供人使用。这一设想，不是在仅数十千米的距离上用微波传递能量，而是要把能量在三万多千米之外，从太空精确地射向地面接收站。

想象一个地球同步卫星。它停留在赤道上空36，000千米的高度，太阳能电池阵列始终对太阳定向，微波发射天线则瞄准地面的接收天线。这儿，不存在在地面接收太阳能所必然面临的照射时间、气候、重力等问题，每年有277天可以全天接受日照，而被地球遮挡时，最长停电时间也不过75分钟。它每年有99%以上的时间把源源不断的太阳光能转化为电能，效率将比地面上同样规模的太阳能电站高出十倍左右。

1977~1980年，美国宇航局和能源部共同出资，对空间太阳能发电的问题进行了概念研究，得出结论：这种方式不存在不可克服的技术困难。但是后来这个计划一度被锁进保险柜，原因在于耗资惊人。目前把物品送上太空还是很花钱的，要在太空中组装一颗收集太阳能来发电的卫星，成本令人难以接受。

不过，随着地球上不可再生资源的逐渐消耗，这个计划又被摆上了桌面。现在有几个能源消耗大国和能源匮乏的国家正在论证这种方案的可行性，并且开始了小规模实验，来验证在大气内进行微波能量传递以及从太空向地面发射微波束的实际效果，而目前比较乐观的估计是，2010～2020年太阳能发电卫星就可以进入实用阶段了。

应用

无线供电

感谢迈克尔·法拉第（Michael Faraday），这个英国人在1831年发现的电磁感应，带领我们进入了电气时代。到了今天，谁不需要电？法拉第的发现，也促进了近距离无线供电技术的发展。最早的工业化近距离无线供电技术早在1885年就已经被实际应用了：随便拆开一个家用变压器，我们就会看到变压器里会有两组导线缠在一个铁芯框架上，但它们彼此并没有直接相连。

不仅如此。公共交通卡、一些学校的饭卡，还有二代身份证，这些也都需要电。在这些卡证中都有一块小小芯片，里面最少存储着一个唯一的编号。这一小块芯片就像是我们的一条内存或者一块硬盘，没有电的时候，它和一粒沙子没什么区别。即使储存了很多信息，也没有办法传递出来。

这种卡证的供电原理与变压器的原理类似。读卡机周围会形成一个快速变化的磁场，芯片进入这个磁场时，周围的线圈内就会产生感应电压，激活芯片，并且把自己的编号通过线圈发射出去被读卡机接收。读卡机会根据编号的不同而做出不同的反应，例如告诉你现在饭卡账户里还剩多少钱。

通过电磁感应来进行无线供电是非常成熟的技术，但会受到很多限制。最主要的问题是，低频磁场会随着距离的增加而快速衰减。如果要增加供电距离，只能加大磁场的强度。然而，磁场强度太大一方面会增加电能的消耗，另一方面可能会导致附近使用磁信号来记录信息的设备失效。我们都不想自己的硬盘里面的数据被强磁场一笔勾销吧。

所以这种方式往往会应用在一些防水要求比较高的小家电上，例如某些电动牙刷和电动刮胡刀等。人们也在尝试用电磁感应为手机这样的小型设备充电。从2005年开始，市场上就已经有了一些无线充电器，但使用起来并不能算是很方便，充其量也只是减少了我们把手机插上变压器的麻烦而已。有了室内距离的无线供电设备，谁还需要这种东西呢

未来

无线供电

我们经常会使用和风筝相关的比喻。风筝飞得再高，也总会有一根线握在手里。断线的风筝也许会一时飞得更高，但最后一定会坠落地面。也许以后会改用遥控航模的比喻吧——没有线，却依然尽在掌握。

当可以在远距离、中等距离和近距离都广泛实现无线供电的时候，人类目前最常用的能量将会变得像空气一样随处可得。无需再抱怨没有合适的充电器，不用再为电子设备准备厚重的电池以尽量延长它们的待机时间。我们可以把手持设备做得更小更薄，甚至可以容易地植入体内。在那时候，生活又是何等一幅模样？

没有人知道。当终于可以解开电线的束缚时，我们会飞得更高，走得更远，远到超出想象。正如每天呼吸空气而不自觉一样，我们终会把无处不在的无线电力当作一件自然而然的事情，却忘了仅仅在200年前，祖辈们还仅仅把电当成一种用来博人一笑的小小魔术。

也许有一天，我们会对我们的下一代谈起我们年轻的时候。讲述中极尽描述从线缆束缚的无奈走到无线的自由这一过程。会回味那些有电线的日子，不可避免地谈及那些因电线接头松动让所有工作成果化为一缕青烟的小插曲。会怀念电池的质感，会怀念在抽屉里缠成一团的充电器的沉稳踏实。也许还会一遍遍提起法拉第、麦克斯韦，以及特斯拉这些名字。我们会像小时候的老师那样，循循善诱地提问：“那么，电是从哪里来的呢？”

也许，坐在对面的小孩，会像《三体II·黑暗森林》中那个两百年后的漂亮女护士一样，不以为然地说：“电？到处都有电啊。”

为了这样轻率的答案而微笑吧，欣慰的是，他们，终于拥有了一个比我们更加宽广更加自如的世界。