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人類(lèi)有望告別插座時(shí)代？

歐尚電氣 2017-07-20 10:13:14 作者:歐尚來(lái)源: 文字大小:[大][中][小]

你為家里那一大團“剪不斷，理還亂”的插座、電線(xiàn)而抓狂過(guò)嗎？現在，好消息來(lái)了！

最近日本科學(xué)家接連發(fā)布微波無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)的最新成果，而我國科學(xué)家近年來(lái)也不斷在公交車(chē)、高鐵、電視等領(lǐng)域實(shí)現無(wú)線(xiàn)輸電的各項突破。這些意味著(zhù)告別插座已經(jīng)有了實(shí)現的可能。
創(chuàng )紀錄

微波輸電點(diǎn)亮500米外led燈

說(shuō)起輸電，你也許馬上會(huì )想到粗粗的電線(xiàn)桿和長(cháng)長(cháng)的高壓線(xiàn)，或者家里那些“剪不斷，理還亂”的插座和電線(xiàn)。今天，我們的電話(huà)、網(wǎng)絡(luò )等通信技術(shù)早已實(shí)現了從有線(xiàn)到無(wú)線(xiàn)的飛躍，為什么無(wú)線(xiàn)輸電還相對滯后？能不能不經(jīng)過(guò)電線(xiàn)將電能從發(fā)電裝置傳送到接收端？科學(xué)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(fā)人們廣泛關(guān)注。

3月11日，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機構（jaxa）宣布，研究人員利用微波，將1.8千瓦電力以無(wú)線(xiàn)方式，精準地傳輸到了55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)驗中距離最長(cháng)、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（ssps）。該公司計劃在2030年至2040年運用該技術(shù)，將太空的發(fā)電裝置獲得的電能通過(guò)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(yáng)能電池板進(jìn)行太空發(fā)電，將能達到一臺常用的百萬(wàn)千瓦裝機容量的核電機組發(fā)電水平。

太空太陽(yáng)能發(fā)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(xué)院的一群科學(xué)家用電磁共振無(wú)線(xiàn)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(guò)，最終實(shí)現這一愿景，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等。而最大的困難在于，如何解決無(wú)線(xiàn)電波在傳輸中的彌散和衰減問(wèn)題。日本這兩次實(shí)驗中無(wú)線(xiàn)傳輸的電力，一個(gè)只夠用來(lái)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(shuō)明在傳輸過(guò)程中，絕大部分的能量發(fā)散掉了�！敝锌圃弘姽ぱ芯克芯繂T廖承林說(shuō)。

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環(huán)境設備的干擾、對生物的影響等問(wèn)題。此外，由于路途遙遠，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，“可能達到兆瓦級”。中科院上海微系統與信息技術(shù)研究所研究員俞凱表示。

重實(shí)用

我國在電視汽車(chē)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)亮時(shí)，中國科學(xué)家也注意到了無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)的發(fā)展前景。而相較于以較遠距離輸電為目標的微波輸電技術(shù)，我國更看重商業(yè)化前景更好的近距離無(wú)線(xiàn)輸電研究，這能更直接地給用戶(hù)帶來(lái)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(chē)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年國際消費電子展上，海爾集團就推出了世界上首臺“無(wú)尾電視”——電視后面的電源線(xiàn)、信號線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)等“尾巴”都被割掉了。這是無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)首次成功應用于電視接收終端。如今，這種技術(shù)在我國的手機、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(chē)公司在湖北省襄陽(yáng)市構建了中國第一條無(wú)線(xiàn)充電公交示范線(xiàn)，全球首臺無(wú)線(xiàn)充電社區巴士也在成都上線(xiàn)。成都公交實(shí)際使用數據顯示，不到8分鐘，所充電量即可滿(mǎn)足新能源公交汽車(chē)一圈8公里的行駛線(xiàn)路，充電整體效率達90%。

楊慶新則對高鐵無(wú)線(xiàn)供電情有獨鐘。作為天津工業(yè)大學(xué)工程電磁場(chǎng)與磁技術(shù)研究團隊的負責人，去年他領(lǐng)導研制的高速列車(chē)無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)，被中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì )列為10項引領(lǐng)未來(lái)的科學(xué)技術(shù)之一。這種懸掛式發(fā)射線(xiàn)圈技術(shù)，發(fā)射端被固定在鐵路上方。接收端被置于列車(chē)頂部，代替了傳統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十厘米的間隙，不僅極大提高了絕緣強度和受流質(zhì)量，而且從根本上解決了因為磨損、覆冰而斷電的問(wèn)題，被認為有望革新高鐵列車(chē)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(lèi)未來(lái)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)電衛星靜止在距離地面3.5萬(wàn)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)生傳統核電站的核泄漏事故。這樣美好的前景，推動(dòng)著(zhù)各國加大對無(wú)線(xiàn)輸電領(lǐng)域的投入力度。

另一個(gè)動(dòng)力來(lái)自有線(xiàn)輸電的成本和污染的增長(cháng)趨勢，近年來(lái)各類(lèi)能源引發(fā)的戰爭及公共危機越來(lái)越多�！叭绻臻g太陽(yáng)能電站的設想變成現實(shí)，就可以解決全球能源危機問(wèn)題�！痹摷夹g(shù)還延伸到許多其他應用領(lǐng)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(dòng)力等。

無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)還可以為不方便架設輸電線(xiàn)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(xiàn)路不但困難危險，而且日后的線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電導航臺、衛星監控站、天文觀(guān)測點(diǎn)等需要生活和工作用電，將電能以無(wú)線(xiàn)的形式輸送過(guò)去，會(huì )方便得多。

100多年前，人類(lèi)就已經(jīng)開(kāi)始嘗試

事實(shí)上，早在19世紀上半葉，人類(lèi)就有了用無(wú)線(xiàn)方式輸送電力的想法。最早可以追溯到美國科學(xué)狂人尼古拉·特斯拉。

那時(shí)，電磁鐵問(wèn)世不久，電磁感應現象也剛被發(fā)現，特斯拉設計了一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)輸電裝置：把一個(gè)線(xiàn)圈連接在電源上，作為發(fā)射器傳輸能量；另一個(gè)線(xiàn)圈連著(zhù)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(xiàn)圈連著(zhù)的燈泡將被點(diǎn)亮。這便是著(zhù)名的“特斯拉線(xiàn)圈”的由來(lái)。

特斯拉的設想在理論上是可行的，但實(shí)際操作中面臨著(zhù)這樣一個(gè)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(guò)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(wú)數科學(xué)家在接下來(lái)的百余年時(shí)間里研究的瓶頸。

直到本世紀初，美國麻省理工學(xué)院物理學(xué)家馬林·紹利亞契奇還沒(méi)有準備好做這一難題的“終結者”，因為他在發(fā)明一項功效卓著(zhù)的無(wú)線(xiàn)輸電系統前，曾經(jīng)一連3個(gè)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(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)的由來(lái)。按照此理論，只要讓電磁能發(fā)射器同接收設備在相同頻率上產(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隊成功地把一盞距發(fā)射器2.13米開(kāi)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(kāi)始基于這一實(shí)驗展開(kāi)了后續研究。有專(zhuān)家表示，這種技術(shù)可以實(shí)現10米左右距離的室內無(wú)線(xiàn)輸電。

而對于一些低功率近程的電能傳送來(lái)說(shuō)，電磁感應無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)無(wú)疑更為適合。因為通過(guò)電磁感應，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間可以利用磁耦合來(lái)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(zhù)”來(lái)形容。

此外，如果要實(shí)現高功率遠程電力傳送，則只能依靠微波或激光的遠場(chǎng)輻射技術(shù)來(lái)進(jìn)行。因為無(wú)線(xiàn)電波波長(cháng)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。