特斯拉的夢(mèng)想 - 無線電能傳輸

根據(jù)電磁波的理論，電和磁可以以交替的形式在介質(zhì)中傳播，于是形成了現(xiàn)在的無線電通訊。那么，大量的電能能否以無線的形式在空氣中傳播呢？早在一百多年前，交流電之王特斯拉就提出了一個(gè)非常宏大的方案——把地球作為內(nèi)導(dǎo)體、距離地面約60千米的電離層作為外導(dǎo)體，在地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振，再利用環(huán)繞地球的表面電磁波來遠(yuǎn)距離傳輸電力。盡管這個(gè)方案理論可行，但因?yàn)橘Y金和技術(shù)安全原因以失敗而告終。

隨著技術(shù)的日新月異，特別是電子器件的發(fā)展，無線電能傳輸，已經(jīng)從試驗(yàn)變成了商用，甚至有些都已經(jīng)走進(jìn)家用。無線電能的傳輸形式，大致可以分為三類：1.以電磁感應(yīng)的“磁耦合”形式傳輸2.以電磁波及非輻射性諧振的形式傳輸。3.以微波或者激光的形式遠(yuǎn)程傳輸電磁感應(yīng)磁耦合形式傳輸以電磁耦合形式進(jìn)行無線電能傳輸是目前最廣泛的應(yīng)用。最基本的原理類似于傳統(tǒng)疏松式變壓器，如圖。當(dāng)初級(jí)線圈兩端通過交流電時(shí)，在磁芯中產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)通過氣隙（空氣）傳輸?shù)酱渭?jí)線圈產(chǎn)生新的電流。

目前，很多無線手機(jī)充電器和充電牙刷都是采用這個(gè)原理。對(duì)于手機(jī)充電器而言，只要在充電座和手機(jī)背后各裝一個(gè)線圈，就能實(shí)現(xiàn)無接點(diǎn)充電。

不過，如果兩個(gè)線圈的磁芯之間的距離（氣隙）增大的話，越來越多的磁力線會(huì)散發(fā)到空氣中，從而導(dǎo)致了傳輸效率的下降，所以這種無線電能的傳輸距離一般不超過50cm.目前Nissan和雪拂蘭等電動(dòng)車廠商采用了這個(gè)電磁感應(yīng)的方式來對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行充電。這種充電方式一般都會(huì)有一個(gè)突起的充電臺(tái)用來減小與接收接受線圈的距離，然后用接受線圈感應(yīng)后的電能來對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。目前NissanLEAF3.3kW的無線充電系統(tǒng)的售價(jià)是$1,540美金。

電磁諧振形式電能傳輸2006年MIT發(fā)明了一種新的無線電能傳輸方式，以馬林索爾賈希克為首的研究團(tuán)隊(duì)從相隔2.1米遠(yuǎn)的地方隔空點(diǎn)亮了60W的燈泡。為此，他們還在兩個(gè)線圈之間進(jìn)行了合照。（下圖）

這種無線電能的傳播方式聽起來有點(diǎn)像收音機(jī)的調(diào)頻。首先由發(fā)射線圈對(duì)電能用電力電子技術(shù)在一定頻率進(jìn)行高頻振蕩，當(dāng)把第二個(gè)接受線圈的頻率設(shè)置成一樣的時(shí)候，就可以高效地接受以諧振耦合方式傳播的電能了。這種方式的輻射非常小，因此也稱為非輻射性電磁共振。

目前以WiTricity,Qualcomm,MomentumDynamics,美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)的某些研究所都在開發(fā)這種新的無線電能傳輸方式。同時(shí)Delphi，Toyota和Audi等汽車廠商都開始加大對(duì)這樣新技術(shù)的研究及實(shí)驗(yàn)。橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)充電器頻率在諧振頻率的50%~95%的時(shí)候傳輸效率最高。通過選擇25kHz左右的開關(guān)頻率的時(shí)候，他們達(dá)到了將近92%的傳輸效率。

目前實(shí)驗(yàn)室最大傳輸功率是52kW,最高的傳輸效率為98%，最遠(yuǎn)的傳輸距離為2m。但是，大多數(shù)時(shí)候這些指標(biāo)都不能兼得。比如，東京大學(xué)傳輸200cm的試驗(yàn)中，傳輸效率只有40%。

當(dāng)無線汽車充電還在為效率，安全和距離而努力的時(shí)候，工程師們又提出了另一個(gè)瘋狂的想法。如果在高速公路的路面上鋪上充電的發(fā)射線圈，高速公路兩邊的太陽能電站就能對(duì)路過的汽車時(shí)候就進(jìn)行無線充電了。如果加上超級(jí)電容的使用，可以讓電能在幾十秒內(nèi)充完，這樣電動(dòng)車?yán)碚撋峡梢詫?shí)現(xiàn)無限續(xù)行。目前斯坦福大學(xué)，北卡州立大學(xué)及橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)都正在對(duì)此進(jìn)行研究。

微波及激光形式電能傳輸微波傳輸電能微波是波長(zhǎng)介于無線電波和紅外線輻射之間的電磁波，目前已廣泛應(yīng)用于微波爐、氣象雷達(dá)、導(dǎo)航和移動(dòng)通信。微波送電是全世界的研究熱點(diǎn)，據(jù)報(bào)道1967年美國(guó)空軍同雷神公司合作進(jìn)行了世界上首次電力微波傳輸試驗(yàn)，成功地通過微波向模擬直升機(jī)提供電力。1968年，美國(guó)航天工程師彼得·格拉澤提出了空間太陽能發(fā)電(SSP,SpaceSolarPower)的概念。他設(shè)想在大氣層外通過衛(wèi)星收集太陽能發(fā)電，然后通過微波將能量無線傳輸回地面，并且重新轉(zhuǎn)化成電能供人使用。在太空的太陽光線沒有地球大氣層的影響，輻射能量十分穩(wěn)定，是“取之不盡”的潔凈能源。如果在靜止軌道上建設(shè)太陽能電站，一年有99%的時(shí)間是白天，其利用效率比在地面上要高出6倍～15倍。隨著全球環(huán)境污染和能源短缺問題日趨緊張，向太空要能源的需求愈發(fā)迫切。美國(guó)和日本等國(guó)都開始提出太空太陽能電站的構(gòu)想。

有專家曾對(duì)太空太陽能發(fā)電技術(shù)的安全性做出質(zhì)疑。但是太空太陽能發(fā)電技術(shù)的本質(zhì)是微波輻射，微波輻射是一種非離子化過程，就像可