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人類有望告別插座時(shí)代？
歐尚電氣   2017-07-20 10:13:14 作者:歐尚 來源: 文字大小:[大][中][小]
你為家里那一大團(tuán)“剪不斷，理還亂”的插座、電線而抓狂過嗎？現(xiàn)在，好消息來了！

最近日本科學(xué)家接連發(fā)布微波無線輸電技術(shù)的最新成果，而我國(guó)科學(xué)家近年來也不斷在公交車、高鐵、電視等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)無線輸電的各項(xiàng)突破。這些意味著告別插座已經(jīng)有了實(shí)現(xiàn)的可能。
創(chuàng)紀(jì)錄

微波輸電點(diǎn)亮500米外led燈

說起輸電，你也許馬上會(huì)想到粗粗的電線桿和長(zhǎng)長(zhǎng)的高壓線，或者家里那些“剪不斷，理還亂”的插座和電線。今天，我們的電話、網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)早已實(shí)現(xiàn)了從有線到無線的飛躍，為什么無線輸電還相對(duì)滯后？能不能不經(jīng)過電線將電能從發(fā)電裝置傳送到接收端？科學(xué)家們?cè)诓粩嗌钊胙芯恐�，令人欣慰的一些改變�(cè)陉懤m(xù)出現(xiàn)。3月，日本接連兩項(xiàng)試驗(yàn)的成功，就引發(fā)人們廣泛關(guān)注。

3月11日，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（jaxa）宣布，研究人員利用微波，將1.8千瓦電力以無線方式，精準(zhǔn)地傳輸?shù)搅?5米距離外的一個(gè)接收裝置。次日，日本三菱重工也宣布，其科研人員將10千瓦電力轉(zhuǎn)換成微波后輸送，其中部分電能成功點(diǎn)亮了500米外接收裝置上的led燈，這是迄今為止日本成功實(shí)驗(yàn)中距離最長(zhǎng)、電力最大的一次。

三菱重工表示，這一技術(shù)將會(huì)被用于太空太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)（ssps）。該公司計(jì)劃在2030年至2040年運(yùn)用該技術(shù)，將太空的發(fā)電裝置獲得的電能通過微波向地面?zhèn)鬏敗?jù)估算，如果使用直徑兩三千米的巨大太陽(yáng)能電池板進(jìn)行太空發(fā)電，將能達(dá)到一臺(tái)常用的百萬千瓦裝機(jī)容量的核電機(jī)組發(fā)電水平。

太空太陽(yáng)能發(fā)電的設(shè)想并非源于日本。早在上世紀(jì)60年代，美國(guó)科研人員就提出了這一構(gòu)想。2007年，麻省理工學(xué)院的一群科學(xué)家用電磁共振無線電能傳輸技術(shù)，隔空點(diǎn)亮了2米多外一只60瓦的燈泡。

不過，最終實(shí)現(xiàn)這一愿景，還有許多困難需要克服，比如怎樣將巨大的發(fā)電裝置送到太空以及如何組裝維護(hù)等。而最大的困難在于，如何解決無線電波在傳輸中的彌散和衰減問題。日本這兩次實(shí)驗(yàn)中無線傳輸?shù)碾娏Γ粋�(gè)只夠用來啟動(dòng)一個(gè)電熱水壺，另一個(gè)將10千瓦的電力傳輸了500米后僅僅能點(diǎn)亮一只功率很小的led燈�！斑@就說明在傳輸過程中，絕大部分的能量發(fā)散掉了。”中科院電工研究所研究員廖承林說。

除了傳輸效率需要進(jìn)一步提高外，科學(xué)家們面臨的難題還有如何減少微波傳輸路徑對(duì)環(huán)境設(shè)備的干擾、對(duì)生物的影響等問題。此外，由于路途遙遠(yuǎn)，微波傳輸路徑需要縮小的同時(shí)發(fā)電站的輸出功率還必須要非常大，“可能達(dá)到兆瓦級(jí)”。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員俞凱表示。

重實(shí)用

我國(guó)在電視汽車高鐵等領(lǐng)域已有諸多突破

在2007年麻省理工學(xué)院那只燈泡被點(diǎn)亮?xí)r，中國(guó)科學(xué)家也注意到了無線輸電技術(shù)的發(fā)展前景。而相較于以較遠(yuǎn)距離輸電為目標(biāo)的微波輸電技術(shù)，我國(guó)更看重商業(yè)化前景更好的近距離無線輸電研究，這能更直接地給用戶帶來便利，技術(shù)商業(yè)化的潛質(zhì)要大得多。事實(shí)上，在新能源汽車充電等日常生活領(lǐng)域中，這些技術(shù)已經(jīng)派上了用場(chǎng)。

早在2010年國(guó)際消費(fèi)電子展上，海爾集團(tuán)就推出了世界上首臺(tái)“無尾電視”——電視后面的電源線、信號(hào)線、網(wǎng)絡(luò)線等“尾巴”都被割掉了。這是無線電力傳輸技術(shù)首次成功應(yīng)用于電視接收終端。如今，這種技術(shù)在我國(guó)的手機(jī)、移動(dòng)電源、冰箱、廚房小家電等生活產(chǎn)品中已廣泛試水。

去年，中興新能源汽車公司在湖北省襄陽(yáng)市構(gòu)建了中國(guó)第一條無線充電公交示范線，全球首臺(tái)無線充電社區(qū)巴士也在成都上線。成都公交實(shí)際使用數(shù)據(jù)顯示，不到8分鐘，所充電量即可滿足新能源公交汽車一圈8公里的行駛線路，充電整體效率達(dá)90%。

楊慶新則對(duì)高鐵無線供電情有獨(dú)鐘。作為天津工業(yè)大學(xué)工程電磁場(chǎng)與磁技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，去年他領(lǐng)導(dǎo)研制的高速列車無線電能傳輸技術(shù)，被中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)列為10項(xiàng)引領(lǐng)未來的科學(xué)技術(shù)之一。這種懸掛式發(fā)射線圈技術(shù)，發(fā)射端被固定在鐵路上方。接收端被置于列車頂部，代替了傳統(tǒng)的受電弓滑板和接觸網(wǎng)滑動(dòng)取電的方式，發(fā)射端與接收端之間允許存在數(shù)十厘米的間隙，不僅極大提高了絕緣強(qiáng)度和受流質(zhì)量，而且從根本上解決了因?yàn)槟p、覆冰而斷電的問題，被認(rèn)為有望革新高鐵列車供電模式。
盡管困難重重，但就是這樣一個(gè)又一個(gè)“一小步”，有可能成為人類未來高效利用電能、太陽(yáng)能等清潔能源的“一大步”。

想象一下，一座太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星靜止在距離地面3.5萬千米的高空，源源不斷地為地面上的城市供電。這種輸電方式清潔、安全，不受惡劣天氣和時(shí)間的影響，也不會(huì)發(fā)生傳統(tǒng)核電站的核泄漏事故。這樣美好的前景，推動(dòng)著各國(guó)加大對(duì)無線輸電領(lǐng)域的投入力度。

另一個(gè)動(dòng)力來自有線輸電的成本和污染的增長(zhǎng)趨勢(shì)，近年來各類能源引發(fā)的戰(zhàn)爭(zhēng)及公共危機(jī)越來越多�！叭绻臻g太陽(yáng)能電站的設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)，就可以解決全球能源危機(jī)問題。”該技術(shù)還延伸到許多其他應(yīng)用領(lǐng)域，如為衛(wèi)星和軌道上的運(yùn)載工具輸電，或?yàn)樾请H探測(cè)飛行器提供動(dòng)力等。

無線輸電技術(shù)還可以為不方便架設(shè)輸電線的地方提供另一種高效的輸電方式。在高山、森林、海島、沙漠等地方架設(shè)輸電線路不但困難危險(xiǎn)，而且日后的線路檢修以及故障修復(fù)等都障礙重重。這些地方的邊防哨所、無線電導(dǎo)航臺(tái)、衛(wèi)星監(jiān)控站、天文觀測(cè)點(diǎn)等需要生活和工作用電，將電能以無線的形式輸送過去，會(huì)方便得多。

100多年前，人類就已經(jīng)開始嘗試

事實(shí)上，早在19世紀(jì)上半葉，人類就有了用無線方式輸送電力的想法。最早可以追溯到美國(guó)科學(xué)狂人尼古拉·特斯拉。

那時(shí)，電磁鐵問世不久，電磁感應(yīng)現(xiàn)象也剛被發(fā)現(xiàn)，特斯拉設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的無線輸電裝置：把一個(gè)線圈連接在電源上，作為發(fā)射器傳輸能量；另一個(gè)線圈連著燈泡，作為能量接收器。通電后，發(fā)射器能夠以10兆赫茲的頻率振動(dòng)，另一個(gè)線圈連著的燈泡將被點(diǎn)亮。這便是著名的“特斯拉線圈”的由來。

特斯拉的設(shè)想在理論上是可行的，但實(shí)際操作中面臨著這樣一個(gè)難題：如何提高傳輸效率？因?yàn)殡姶挪ㄔ谧杂煽臻g傳輸能量的過程中會(huì)向四面八方散發(fā)，特別是微波，散射在空間里，能量衰竭更快。這成為無數(shù)科學(xué)家在接下來的百余年時(shí)間里研究的瓶頸。

直到本世紀(jì)初，美國(guó)麻省理工學(xué)院物理學(xué)家馬林·紹利亞契奇還沒有準(zhǔn)備好做這一難題的“終結(jié)者”，因?yàn)樗诎l(fā)明一項(xiàng)功效卓著的無線輸電系統(tǒng)前，曾經(jīng)一連3個(gè)晚上被手機(jī)“電池電量不足”的“嘀嘀”聲吵醒，他繼而想到：“為什么墻里的電不能直接傳輸給我的手機(jī)呢？”

這便是電磁共振無線輸電技術(shù)的由來。按照此理論，只要讓電磁能發(fā)射器同接收設(shè)備在相同頻率上產(chǎn)生共振，它們之間就可以進(jìn)行能量互換。

利用這一原理，紹利亞契奇和他的團(tuán)隊(duì)成功地把一盞距發(fā)射器2.13米開外的60瓦電燈點(diǎn)亮，且傳輸效率大幅提高。自此，全世界很多科學(xué)家開始基于這一實(shí)驗(yàn)展開了后續(xù)研究。有專家表示，這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)10米左右距離的室內(nèi)無線輸電。

而對(duì)于一些低功率近程的電能傳送來說，電磁感應(yīng)無線輸電技術(shù)無疑更為適合。因?yàn)橥ㄟ^電磁感應(yīng)，發(fā)射線圈和接收線圈之間可以利用磁耦合來傳遞電能。當(dāng)然，這種距離要求非常近，約在1厘米以下，可以用相互“貼著”來形容。

此外，如果要實(shí)現(xiàn)高功率遠(yuǎn)程電力傳送，則只能依靠微波或激光的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射技術(shù)來進(jìn)行。因?yàn)闊o線電波波長(zhǎng)越短，其定向性越好，彌散越小。日本科學(xué)家們最近所取得的突破，即基于微波的這一特性。