无线供电技术

无线供电技术详解
2012-05-16 14:20
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概述 无线供电，是一种方便安全的新技术，无需任何物理上的连接，电能可以近距离无接触地传 输给负载。 实际上近距离的无线供电技术早在一百多年前就已经出现， 而我们现在生活中的 很多小东西，都已经在使用无线供电。也许不远的未来，我们还会看到远距离和室内距离的 无线供电产品，而不会看到电线杆和高压线，“插头”也将会变成一个历史名词。 现身
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”。 原理 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。
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 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