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原创 松鼠会:无线供电能够实现吗?

2009-8-24 23:14 1825 1 1 分类: 电源/新能源

松鼠会:无线供电能够实现吗?







英特尔的无线供电演示人类追逐自由的本能,在现实面前屡屡受挫。自从广泛使用电能以来,许多人都为了那些电器拖着的长长电线而绞尽脑汁,但无线供电却一直只能作为一个在前方远远招手的梦想。现在,我们也许看到了一线曙光。


在2008年8月的英特尔开发者论坛(IDF,Intel Developer Forum)上,西雅图实验室的约书亚·史密斯(Joshua R. Smith)领导的研究小组向公众展示了一项新技术——基于“磁耦合共振”原理的无线供电,在展示中成功地点亮了一个一米开外的60瓦灯泡,而在电源和灯泡之间没有使用任何电线。他们声称,在这个系统中无线电力的传输效率达到了75%。



大刘在《三体II·黑暗森林》中描绘了一个两百年后的世界。因为人们掌握了可控核聚变技术,可以提供极大丰富的能源,无线供电的损失在可接受范围之内,所以大部分电器都可以采用无线方式来供电,从电热杯一直到个人飞行器都是如此。电像空气一样无处不在,人类再也不用受电线的拖累了。


正如书中所提到的那样,无线供电技术现在也已经出现了。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。


好兆头


英特尔的这种无线供电技术,是基于麻省理工大学的一项研究成果而开发的。


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。


马林


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!


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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。


第二基地


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。


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 WardenclyffeTower


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。


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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。


亲爱的,你需要电?


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。


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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。


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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?


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这是多么美好的一天


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?”电线和插座


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。

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