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王斌
新聞背景
近日，關(guān)于iPhone8的各種猜測吸引了很多人的眼球。其中頗引人注意的一點是，據(jù)說iPhone8可以支持無線充電了。
無線充電可以更廣泛地稱為無線輸電。不用電線就可以輸電，在許多方面都有十分重要的應(yīng)用價值，甚至可以極大地改變未來世界的面貌。那么到目前為止，怎樣的技術(shù)可能做到這一點？
電磁感應(yīng)就是無線輸電
說到短程電力傳輸?shù)姆椒?，其實一點不神秘，我們在中學(xué)課本上就都學(xué)過了，那就是電磁感應(yīng)。
早在1831年，邁克爾·法拉第就發(fā)現(xiàn)了磁與電之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化關(guān)系。只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。電磁感應(yīng)無線輸電就是在發(fā)送端和接收端各有一個線圈，初級線圈上通一定頻率的交流電，根據(jù)電磁原理可以在線圈的周邊形成一個交變的磁場空間，根據(jù)電磁感應(yīng)原理在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，電能可以隔著很多非金屬材料進(jìn)行傳輸，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。
電磁感應(yīng)傳輸功率大，效率高，能達(dá)幾百千瓦。最早的無線充電方式都是使用線圈感應(yīng)技術(shù)，由于感應(yīng)技術(shù)的限制，充電器和設(shè)備只能在很近的距離，并且擺放位置極為苛刻才能完成充電。這種方式傳輸距離上限是10厘米，一般適用于為小型便攜式電子設(shè)備供電。
2007年，微軟亞洲研究院設(shè)計和實現(xiàn)了一種通用型無線供電桌面，隨意將筆記本電腦、手機(jī)等移動設(shè)備放置在桌面上，即可自動開始充電。
共振傳輸把距離提高到米級
電磁感應(yīng)輸電傳輸距離過短，顯然不能令人滿意。那么，有沒有什么更好的辦法呢？
2007年6月，美國麻省理工學(xué)院的馬林·索爾賈?？搜芯啃〗M宣布，利用電磁共振技術(shù)成功點亮了一個距離電源約2米遠(yuǎn)的60瓦電燈泡，電能傳輸效率達(dá)到40%。該項技術(shù)的發(fā)布，引起世界范圍內(nèi)磁諧振無線輸電裝置的研發(fā)熱潮，德國、日本、新西蘭等國家很快跟進(jìn)了這方面的研究。
電磁共振式也稱為近場諧振式，由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振時，它們就可以交換彼此的能量，其原理與聲音的共振原理相同，排列在磁場中的相同振動頻率的線圈，可從一個向另一個供電。
共振傳輸?shù)木嚯x比普通感應(yīng)式更遠(yuǎn)一些，而且充電時不必?fù)?dān)心非絕緣的金屬材質(zhì)干擾（電磁感應(yīng)輸電需要手機(jī)背部材質(zhì)不能為金屬），被認(rèn)為是將來最有希望廣泛應(yīng)用于電動汽車無線充電的一種方式。
不過，共振傳輸充電技術(shù)仍然受到傳輸距離的限制，充電設(shè)備只能和充電器距離很近，最多大約3至4米。為了提高無線傳輸距離，人們又開發(fā)了射頻電能傳輸技術(shù)，它是通過功率放大器發(fā)射射頻信號，然后通過檢波、高頻整流后得到直流電，供負(fù)載使用。射頻電能傳輸距離較遠(yuǎn)，能達(dá)10米，但傳輸功率很小，為幾毫瓦至100毫瓦。這種無線輸電方式可為手機(jī)、MP3、汽車配件、體溫表、助聽器及人體植入儀器等提供無線電力傳輸。
長距離輸電要靠微波和激光
無線輸電能不能輸送得更遠(yuǎn)一些？這是人們努力的方向，在技術(shù)原理上也找到了基本的形式，只是要把它化為真正的實際還有艱苦的路程。
從原理上說，遠(yuǎn)程電力傳輸可利用微波或激光形式來實現(xiàn)。微波或激光發(fā)射到遠(yuǎn)端的接收天線，然后通過整流、調(diào)制等處理后使用。
微波電能傳輸是將電能轉(zhuǎn)化為微波，讓微波經(jīng)自由空間傳送到目標(biāo)位置，再經(jīng)整流轉(zhuǎn)化成直流電能，提供給負(fù)載。微波已廣泛應(yīng)用于微波爐、氣象雷達(dá)、導(dǎo)航和移動通信等領(lǐng)域。微波電能傳輸適合應(yīng)用于大范圍、長距離且不易受環(huán)境影響的電能傳輸，如空間太陽能電站、低軌道和同步軌道衛(wèi)星供電等。
激光電能傳輸是利用激光可以攜帶大量的能量，用較小的發(fā)射功率實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的輸電。激光方向性強(qiáng)、能量集中，不存在干擾通信衛(wèi)星的風(fēng)險，但障礙物會影響激光與接收裝置之間的能量交換，射束能量在傳輸途中會部分喪失。
2015年3月，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)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米距離外的一個接收裝置。日本三菱重工集團(tuán)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亮了500米外接收裝置上的LED燈。三菱重工表示，這一技術(shù)將會被用于太空太陽能發(fā)電系統(tǒng)。
去年10月傳來消息，俄羅斯火箭宇航能源公司的科研人員，在1.5公里的距離上利用激光束成功實現(xiàn)了為手機(jī)無線充電，在遠(yuǎn)距離無線輸電技術(shù)上取得巨大進(jìn)展。在這次實驗中，俄羅斯火箭宇航能源公司的科研人員，把激光裝置放置在莫斯科郊外一幢樓的六層，在另外一幢樓的頂部安裝了直徑10厘米的激光接收器，該接收器借助一特殊設(shè)備將激光能量轉(zhuǎn)化為電能，這一特殊設(shè)備與手機(jī)充電器連接。實驗中，無線充電的距離達(dá)到了1.5公里。
研究人員還介紹說，該實驗的最終目的不是為手機(jī)充電，而是實現(xiàn)在太空中為各類航天器進(jìn)行無線充電，比如，在國際空間站上為俄羅斯“進(jìn)步”號貨運飛船充電，而它們之間的距離在1000米至2000米之間。目前的光電轉(zhuǎn)換器效率已經(jīng)達(dá)到60%，因此，利用激光裝置從一個航天器向另外一個航天器傳輸電能非常有效。
史海回眸
百多年前“突發(fā)奇想”
盡管無線輸電技術(shù)在今天看來屬于前沿新興科技，但早在一百多年前，“無線輸電之父”尼古拉·特斯拉就對無線輸電展開過探索。
1899年，特斯拉在紐約建造了無線電能發(fā)射塔，他構(gòu)想的無線輸電方法，是把地球作為內(nèi)導(dǎo)體、地球電離層作為外導(dǎo)體，通過放大發(fā)射機(jī)以徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立大約8Hz的低頻共振，再利用環(huán)繞地球的表面電磁波來傳輸能量。然而，特斯拉的無線輸電構(gòu)想并沒有得到實現(xiàn)。
柳暗花明
無線充電拯救電動汽車？
無線充電對手機(jī)、電腦、相機(jī)等電子產(chǎn)品而言，只是個錦上添花的新功能，但對電動汽車產(chǎn)業(yè)的影響將是革命性的，有可能是啟動整個電動汽車市場的關(guān)鍵。
電池續(xù)航能力一直是電動汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的羈絆，在電池技術(shù)短時間無法突破時，改進(jìn)充電模式就成為另一個突破方向。2012年，美國斯坦福大學(xué)首次提出“駕駛充電”概念，為電動汽車充電提出了新的解決方案，這意味著電動汽車可不必停下來充電而無限地跑下去。
設(shè)想一下，如果有一天，人們邊開車邊充電（需在道路設(shè)置無線充電裝置）、停進(jìn)車庫按下按鈕也可以充電。屆時，這種動態(tài)充電與靜態(tài)充電結(jié)合的電動汽車，將變成不折不扣的“傻瓜”車。
未來大觀
太空發(fā)電站成敗 關(guān)鍵看無線輸電
為了擺脫地球環(huán)境和能源危機(jī)，1968年美國工程師彼得·格拉澤提出空間太陽能發(fā)電概念，其構(gòu)想是在地球外層空間建立太陽能發(fā)電基地，通過微波將電能傳輸回地球，并通過整流天線把微波轉(zhuǎn)換成電能。
研究人員計劃在太空建一座太陽能發(fā)電站：將一些地球衛(wèi)星送入距地面3.6萬公里高的同步軌道上，衛(wèi)星上的光電板將太陽的光能轉(zhuǎn)換為電能，然后將電能用微波的形式傳送到地球表面。太空上的光電板平均每平方厘米可以接收140毫瓦的光能，為地球表面光能接收效率的8倍。而且在太空，光能的接收不受晝夜、陰晴和季節(jié)變化的影響。
毫無疑問，無線輸電技術(shù)對于空間太陽能發(fā)電站的實現(xiàn)有著至關(guān)重要的作用。據(jù)報道，日本三菱重工集團(tuán)計劃在2030年至2040年，運用微波輸電技術(shù)將太空的發(fā)電裝置獲得的電能通過微波向地面?zhèn)鬏?。?jù)估算，如果使用直徑兩三千米的巨大太陽能電池板進(jìn)行太空發(fā)電，將能達(dá)到一臺常用的百萬千瓦裝機(jī)容量的核電機(jī)組發(fā)電水平。
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