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

    最近日本科學家接連發布微波無線輸電技術的最新成果,而我國科學家近年來也不斷在公交車、高鐵、電視等領域實現無線輸電的各項突破。這些意味著告別插座已經有了實現的可能。
    創紀錄

    微波輸電點亮500米外led燈

    說起輸電,你也許馬上會想到粗粗的電線桿和長長的高壓線,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、網絡等通信技術早已實現了從有線到無線的飛躍,為什么無線輸電還相對滯后?能不能不經過電線將電能從發電裝置傳送到接收端?科學家們在不斷深入研究中,令人欣慰的一些改變在陸續出現。3月,日本接連兩項試驗的成功,就引發人們廣泛關注。

    3月11日,日本宇宙航空研究開發機構(jaxa)宣布,研究人員利用微波,將1.8千瓦電力以無線方式,精準地傳輸到了55米距離外的一個接收裝置。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,這是迄今為止日本成功實驗中距離最長、電力最大的一次。

    三菱重工表示,這一技術將會被用于太空太陽能發電系統(ssps)。該公司計劃在2030年至2040年運用該技術,將太空的發電裝置獲得的電能通過微波向地面傳輸。據估算,如果使用直徑兩三千米的巨大太陽能電池板進行太空發電,將能達到一臺常用的百萬千瓦裝機容量的核電機組發電水平。

    太空太陽能發電的設想并非源于日本。早在上世紀60年代,美國科研人員就提出了這一構想。2007年,麻省理工學院的一群科學家用電磁共振無線電能傳輸技術,隔空點亮了2米多外一只60瓦的燈泡。

    不過,最終實現這一愿景,還有許多困難需要克服,比如怎樣將巨大的發電裝置送到太空以及如何組裝維護等。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。日本這兩次實驗中無線傳輸的電力,一個只夠用來啟動一個電熱水壺,另一個將10千瓦的電力傳輸了500米后僅僅能點亮一只功率很小的led燈!斑@就說明在傳輸過程中,絕大部分的能量發散掉了!敝锌圃弘姽ぱ芯克芯繂T廖承林說。

    除了傳輸效率需要進一步提高外,科學家們面臨的難題還有如何減少微波傳輸路徑對環境設備的干擾、對生物的影響等問題。此外,由于路途遙遠,微波傳輸路徑需要縮小的同時發電站的輸出功率還必須要非常大,“可能達到兆瓦級”。中科院上海微系統與信息技術研究所研究員俞凱表示。

    重實用

    我國在電視汽車高鐵等領域已有諸多突破

    在2007年麻省理工學院那只燈泡被點亮時,中國科學家也注意到了無線輸電技術的發展前景。而相較于以較遠距離輸電為目標的微波輸電技術,我國更看重商業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,技術商業化的潛質要大得多。事實上,在新能源汽車充電等日常生活領域中,這些技術已經派上了用場。

    早在2010年國際消費電子展上,海爾集團就推出了世界上首臺“無尾電視”——電視后面的電源線、信號線、網絡線等“尾巴”都被割掉了。這是無線電力傳輸技術首次成功應用于電視接收終端。如今,這種技術在我國的手機、移動電源、冰箱、廚房小家電等生活產品中已廣泛試水。

    去年,中興新能源汽車公司在湖北省襄陽市構建了中國第一條無線充電公交示范線,全球首臺無線充電社區巴士也在成都上線。成都公交實際使用數據顯示,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90%。

    楊慶新則對高鐵無線供電情有獨鐘。作為天津工業大學工程電磁場與磁技術研究團隊的負責人,去年他領導研制的高速列車無線電能傳輸技術,被中國科學技術協會列為10項引領未來的科學技術之一。這種懸掛式發射線圈技術,發射端被固定在鐵路上方。接收端被置于列車頂部,代替了傳統的受電弓滑板和接觸網滑動取電的方式,發射端與接收端之間允許存在數十厘米的間隙,不僅極大提高了絕緣強度和受流質量,而且從根本上解決了因為磨損、覆冰而斷電的問題,被認為有望革新高鐵列車供電模式。
    盡管困難重重,但就是這樣一個又一個“一小步”,有可能成為人類未來高效利用電能、太陽能等清潔能源的“一大步”。

    想象一下,一座太陽能發電衛星靜止在距離地面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,不受惡劣天氣和時間的影響,也不會發生傳統核電站的核泄漏事故。這樣美好的前景,推動著各國加大對無線輸電領域的投入力度。

    另一個動力來自有線輸電的成本和污染的增長趨勢,近年來各類能源引發的戰爭及公共危機越來越多!叭绻臻g太陽能電站的設想變成現實,就可以解決全球能源危機問題!痹摷夹g還延伸到許多其他應用領域,如為衛星和軌道上的運載工具輸電,或為星際探測飛行器提供動力等。

    無線輸電技術還可以為不方便架設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、沙漠等地方架設輸電線路不但困難危險,而且日后的線路檢修以及故障修復等都障礙重重。這些地方的邊防哨所、無線電導航臺、衛星監控站、天文觀測點等需要生活和工作用電,將電能以無線的形式輸送過去,會方便得多。

    100多年前,人類就已經開始嘗試

    事實上,早在19世紀上半葉,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科學狂人尼古拉·特斯拉。

    那時,電磁鐵問世不久,電磁感應現象也剛被發現,特斯拉設計了一個簡單的無線輸電裝置:把一個線圈連接在電源上,作為發射器傳輸能量;另一個線圈連著燈泡,作為能量接收器。通電后,發射器能夠以10兆赫茲的頻率振動,另一個線圈連著的燈泡將被點亮。這便是著名的“特斯拉線圈”的由來。

    特斯拉的設想在理論上是可行的,但實際操作中面臨著這樣一個難題:如何提高傳輸效率?因為電磁波在自由空間傳輸能量的過程中會向四面八方散發,特別是微波,散射在空間里,能量衰竭更快。這成為無數科學家在接下來的百余年時間里研究的瓶頸。

    直到本世紀初,美國麻省理工學院物理學家馬林·紹利亞契奇還沒有準備好做這一難題的“終結者”,因為他在發明一項功效卓著的無線輸電系統前,曾經一連3個晚上被手機“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呢?”

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

    利用這一原理,紹利亞契奇和他的團隊成功地把一盞距發射器2.13米開外的60瓦電燈點亮,且傳輸效率大幅提高。自此,全世界很多科學家開始基于這一實驗展開了后續研究。有專家表示,這種技術可以實現10米左右距離的室內無線輸電。

    而對于一些低功率近程的電能傳送來說,電磁感應無線輸電技術無疑更為適合。因為通過電磁感應,發射線圈和接收線圈之間可以利用磁耦合來傳遞電能。當然,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,如果要實現高功率遠程電力傳送,則只能依靠微波或激光的遠場輻射技術來進行。因為無線電波波長越短,其定向性越好,彌散越小。日本科學家們最近所取得的突破,即基于微波的這一特性。
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