無(wú)線(xiàn)供電（一種方便安全的新技術(shù)）
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無(wú)線(xiàn)供電
一種方便安全的新技術(shù)
無(wú)線(xiàn)供電，是一種方便安全的新技術(shù)，無(wú)需任何物理上的連接，電能可以近距離無(wú)接觸地傳輸給負載。實(shí)際上近距離的無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)早在一百多年前就已經(jīng)出現，而我們現在生活中的很多小東西，都已經(jīng)在使用無(wú)線(xiàn)供電。也許不遠的未來(lái)，我們還會(huì )看到遠距離和室內距離的無(wú)線(xiàn)供電產(chǎn)品，而不會(huì )看到電線(xiàn)桿和高壓線(xiàn)，“插頭”也將會(huì )變成一個(gè)歷史名詞。
基本信息
| 中文名 | 無(wú)線(xiàn)供電 |
| 運用領(lǐng)域 | 各個(gè)領(lǐng)域 |
| 屬性 | 硬件 |
| 最常見(jiàn) | 太陽(yáng)能電池 |
| 類(lèi)別 | 科學(xué)技術(shù) |
| 性質(zhì) | 硬件 |
收起
內容簡(jiǎn)介
無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)分為兩種類(lèi)別:非輻射與輻射。非輻射技術(shù)在線(xiàn)圈之間以電感合，能量通過(guò)磁場(chǎng)傳送。應用例子有電動(dòng)牙刷充電，RFID及智能卡心律調節器、電動(dòng)車(chē)充電器?，F在發(fā)展焦點(diǎn)是為移動(dòng)電話(huà)等無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)。輻射技術(shù)則以微波、激光等定向能波束把能量送，這種技術(shù)可以傳送致較遠距離，但發(fā)射一方必須瞄準接收一方發(fā)射。使用輻射技術(shù)的無(wú)線(xiàn)能量傳輸仍處于實(shí)實(shí)驗階段，提議使用的用途有太陽(yáng)能發(fā)電衛星及無(wú)人飛行載具。
技術(shù)上，無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)與無(wú)線(xiàn)電通訊中所用發(fā)射與接收技術(shù)并無(wú)本質(zhì)區別，但是前者著(zhù)眼于傳輸能量，而非附載于能量之上的信息。無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)的最最大困難在于無(wú)線(xiàn)電波的彌散與不期望的吸收與衰減。對于無(wú)線(xiàn)電通訊，無(wú)線(xiàn)電波的彌散問(wèn)題甚至不一定是件壞事，但是卻可能給無(wú)線(xiàn)輸電帶來(lái)嚴重的傳輸效率問(wèn)題。一個(gè)辦法是使用微波甚至激光傳輸，理論上，無(wú)線(xiàn)電波波長(cháng)越短，其定向性越好，彌散越小。亦有人擔心此項技術(shù)可能給人帶來(lái)的健康風(fēng)險，雖然尚無(wú)太多證據證實(shí)或者否定這種風(fēng)險，有實(shí)驗將幾代動(dòng)物暴露于微波及比之更強的輻射環(huán)境，并未發(fā)現對健康造成任何影響。
美國無(wú)線(xiàn)電力公司在2009年的全球科技、娛樂(lè )及設計大會(huì )(TEDGlobal)上，成功利用線(xiàn)圈共振原理實(shí)現無(wú)線(xiàn)輸電，為兩臺手機隔空充電，并開(kāi)啟了一臺沒(méi)有接電線(xiàn)的電視機。2010年1月，海爾在第四十三屆國際消費類(lèi)電子產(chǎn)品展覽會(huì )(CES展)上推出全球首臺無(wú)尾電視”，其中使用了麻省理工學(xué)院發(fā)明的無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)，利用“磁耦合共振”原理實(shí)現無(wú)線(xiàn)供電。
原理
無(wú)線(xiàn)供電
科學(xué)家們早就發(fā)現，共振是一種非常高效的傳輸能量方式。我們都聽(tīng)過(guò)諸如共振引起的鐵橋坍塌、雪崩或者高音歌唱家震碎玻璃杯的故事。無(wú)論這些故事可信度如何，但它們的基本原理是正確的：兩個(gè)振動(dòng)頻率相同的物體之間可以高效傳輸能量，而對不同振動(dòng)頻率的物體幾乎沒(méi)有影響。在馬林的這種新技術(shù)中，將發(fā)送端和接收端的線(xiàn)圈調校成了一個(gè)磁共振系統，當發(fā)送端產(chǎn)生的振蕩磁場(chǎng)頻率和接收端的固有頻率相同時(shí)，接收端就產(chǎn)生共振，從而實(shí)現了能量的傳輸。根據共振的特性，能量傳輸都是在這樣一個(gè)共振系統內部進(jìn)行，對這個(gè)共振系統之外的物體不會(huì )產(chǎn)生什么影響。這就像是幾個(gè)厚度不同的玻璃杯不會(huì )因為同一頻率的聲音而同時(shí)炸碎一樣。
最妙的就是這一點(diǎn)了。當發(fā)射端通電時(shí)，它并不會(huì )向外發(fā)射電磁波，而只是在周?chē)纬梢粋€(gè)非輻射的磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)用來(lái)和接收端聯(lián)絡(luò )，激發(fā)接收端的共振，從而以很小的消耗為代價(jià)來(lái)傳輸能量。在這項技術(shù)中，磁場(chǎng)的強度將不過(guò)和地球磁場(chǎng)強度相似，人們不用擔心這種技術(shù)會(huì )對自己的身體和其他設備產(chǎn)生不良影響。
在2007年馬林演示他的成果的時(shí)候，這項技術(shù)能夠達到40%左右的效率。這在某些場(chǎng)合是可以接受的，但是人們還想更進(jìn)一步。剛才我們提到的英特爾公司研究員們已經(jīng)把傳輸效率提升到了75%，而馬林小組最近聲稱(chēng)，他們做到了90%。這意味著(zhù)，一年之間提高到原來(lái)的兩倍以上！
雖然成效驚人，但改進(jìn)空間也依然很大。下一步，有望在提高傳輸效率的同時(shí)縮小發(fā)射端和接收端的體積，最終實(shí)現用電設備內置接收端的目標。
想象一下，這會(huì )對生活帶來(lái)什么樣的影響？我們可以完全從需要的角度出發(fā)來(lái)擺放家用電器，不用再考慮附近是否有插座；我們在裝修房間的時(shí)候不用再考慮如何布設電線(xiàn)，筆記本電腦和手機這樣的小件電子設備永遠顯示電池充滿(mǎn)，清掃機器人在房間里跑來(lái)跑去，不用過(guò)一會(huì )就去找地方充電……這一天也許很快就會(huì )來(lái)到。市場(chǎng)上已經(jīng)有了一些采用這種技術(shù)的原型產(chǎn)品，廣泛使用也只是時(shí)間問(wèn)題罷了。
歷史
美國無(wú)線(xiàn)電力公司在2009年的全球科技、娛樂(lè )及設計大會(huì )（TED Global）上，成功利用線(xiàn)圈共振原理實(shí)現無(wú)線(xiàn)輸電，為兩臺手機隔空充電，并開(kāi)啟了一臺沒(méi)有接電線(xiàn)的電視機。
2010年1月，海爾在第四十三屆國際消費類(lèi)電子產(chǎn)品展覽會(huì )(CES展)上推出全球首臺"無(wú)尾電視"，其中使用了麻省理工學(xué)院發(fā)明的無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)，利用“諧振感應耦合(磁耦合諧振)”原理實(shí)現無(wú)線(xiàn)供電。
分類(lèi)
無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)分為兩種類(lèi)別：非輻射與輻射。非輻射技術(shù)在線(xiàn)圈之間以電感耦合，能量通過(guò)磁場(chǎng)傳送。應用例子有電動(dòng)牙刷充電、RFID及智能卡、心律調節器、電動(dòng)車(chē)充電器、JR磁浮的車(chē)上供電。發(fā)展焦點(diǎn)是為移動(dòng)電話(huà)等無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)。輻射技術(shù)則以微波、激光等定向能波束把能量傳送，這種技術(shù)可以傳送致較遠距離，但發(fā)射一方必須瞄準接收一方發(fā)射。使用輻射技術(shù)的無(wú)線(xiàn)能量傳輸仍處于實(shí)驗階段，提議使用的用途有太陽(yáng)能發(fā)電衛星及無(wú)人飛行載具。
無(wú)線(xiàn)充電
無(wú)線(xiàn)充電，又稱(chēng)作感應充電、非接觸式感應充電，是利用近場(chǎng)感應，也就是電感耦合，由供電設備（充電器）將能量傳送至用電的裝置，該裝置使用接收到的能量對電池充電，并同時(shí)供其本身運作之用?；旧嫌捎诔潆娖髋c用電裝置之間以電感耦合傳送能量，兩者之間不需使用電線(xiàn)連接，因此充電器及用電的裝置都可以做到無(wú)導電接點(diǎn)外露。那樣就比有線(xiàn)充電更為方便。
定義
廣義地說(shuō)，終端用電器通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式獲取電能的過(guò)程就叫無(wú)線(xiàn)供電，所獲得的電能是由其它形式的能量轉化面來(lái)的，無(wú)線(xiàn)供電裝置就是一套能量轉化為電能的裝置。
無(wú)線(xiàn)供電的形式有多種，所有攜帶能量的物質(zhì)形式都有可能用來(lái)無(wú)線(xiàn)供電，如電磁感應，電磁共振，風(fēng)力發(fā)電，太陽(yáng)能發(fā)電，潮汐發(fā)電，微波供電，激光供電，遠紅外供電等等，只是這些發(fā)電方式有的設備相當復雜，體積龐大，不能直接用與終端設備整合成一體，而是通過(guò)電線(xiàn)與終端設備相連。
狹義地說(shuō)，通常我們把電磁感應和電磁共振叫作無(wú)線(xiàn)供電，簡(jiǎn)單地認為這是一個(gè)電與電之間的無(wú)線(xiàn)連接，事實(shí)上，它們都是線(xiàn)歷了二次轉換，即：發(fā)射部分將電能轉化為磁能，然后由接收部分將磁能轉化為電能。電磁感應的距離是很近的，通常在30厘米以?xún)?，電磁共振的距離稍遠些，距離為數厘米到3米以?xún)?，此?lèi)無(wú)線(xiàn)供電能方便地傳輸較大的功率，數千瓦甚至數十千瓦，工業(yè)上使用的有軌非接觸式無(wú)線(xiàn)供電就是這種類(lèi)型，它是將一個(gè)發(fā)射線(xiàn)圈做成軌道，用電器沿著(zhù)軌道運行，一個(gè)磁芯騎（串）在軌道上，接收線(xiàn)圈通過(guò)磁芯的耦合從軌道上獲取電能。
微波的無(wú)線(xiàn)供電具有很好的穿透性，傳輸距離遠且受障礙物影響較小，在金屬表面反射等特點(diǎn)，但微波可能會(huì )對環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，特別是對人和動(dòng)物的影響。激光的無(wú)線(xiàn)供電具有直線(xiàn)傳播、能量集中、距離遠和穿透性差等特性，易受障礙物的影響，對人和動(dòng)物特別是眼睛的影響較大，通常不適合于民用。但明天科技采用了一種平面發(fā)散發(fā)射技術(shù)，使這一現象得到了明顯的改變，并實(shí)現了與普通激光相近的傳輸效果，距離可達數十米甚至數十千米，在確保安全的前提下，使這一技術(shù)廉價(jià)化和民用化成為可能。
夢(mèng)想
無(wú)線(xiàn)供電
加拿大科學(xué)家正計劃制造一架無(wú)人飛機，飛行高度33千米，可以在空中連續飛行幾個(gè)月。這可能是世界上第一架可以真正投入使用的遠程供電飛機，本身不攜帶燃料，而是從地面的微波站中獲取能量。
微波是指那些頻率在300MHz到300KMHz之間的電磁波，它的波長(cháng)在1米到1毫米之間。因為電磁波的頻率越高，能量就越集中，方向性也越強，所以人們認為，使用微波來(lái)無(wú)線(xiàn)傳遞能量可能是最好的選擇。更何況，微波可以通過(guò)硅整流二極管天線(xiàn)轉換成電能，轉化效率可以高達95%以上——這樣高的轉化率已經(jīng)可以讓人滿(mǎn)意了。
在這架無(wú)人機起飛之后，地面的高功率發(fā)射機通過(guò)天線(xiàn)將發(fā)射機所產(chǎn)生的微波能量匯聚成能量集中的窄波束，然后將其射向高空飛行的微波飛機。微波飛機通過(guò)微波接收天線(xiàn)接收能量，轉換成直流電，再由直流電動(dòng)機帶動(dòng)飛機的螺旋槳旋轉。因為無(wú)需攜帶燃料和發(fā)動(dòng)機，這種飛機的有效載荷將會(huì )大大提升。
其實(shí)早在1968年，美國航天工程師彼得·格拉澤(Peter Glaser)就已經(jīng)更進(jìn)一步，提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電(SSP，Space Solar Power)的概念。他設想在大氣層外通過(guò)衛星收集太陽(yáng)能發(fā)電，然后通過(guò)微波將能量無(wú)線(xiàn)傳輸回地面，并且重新轉化成電能供人使用。這一設想，不是在僅數十千米的距離上用微波傳遞能量，而是要把能量在三萬(wàn)多千米之外，從太空精確地射向地面接收站。
想象一個(gè)地球同步衛星。它停留在赤道上空36，000千米的高度，太陽(yáng)能電池陣列始終對太陽(yáng)定向，微波發(fā)射天線(xiàn)則瞄準地面的接收天線(xiàn)。這兒，不存在在地面接收太陽(yáng)能所必然面臨的照射時(shí)間、氣候、重力等問(wèn)題，每年有277天可以全天接受日照，而被地球遮擋時(shí)，最長(cháng)停電時(shí)間也不過(guò)75分鐘。它每年有99%以上的時(shí)間把源源不斷的太陽(yáng)光能轉化為電能，效率將比地面上同樣規模的太陽(yáng)能電站高出十倍左右。
1977~1980年，美國宇航局和能源部共同出資，對空間太陽(yáng)能發(fā)電的問(wèn)題進(jìn)行了概念研究，得出結論：這種方式不存在不可克服的技術(shù)困難。但是后來(lái)這個(gè)計劃一度被鎖進(jìn)保險柜，原因在于耗資驚人。目前把物品送上太空還是很花錢(qián)的，要在太空中組裝一顆收集太陽(yáng)能來(lái)發(fā)電的衛星，成本令人難以接受。
不過(guò)，隨著(zhù)地球上不可再生資源的逐漸消耗，這個(gè)計劃又被擺上了桌面?，F在有幾個(gè)能源消耗大國和能源匱乏的國家正在論證這種方案的可行性，并且開(kāi)始了小規模實(shí)驗，來(lái)驗證在大氣內進(jìn)行微波能量傳遞以及從太空向地面發(fā)射微波束的實(shí)際效果，而目前比較樂(lè )觀(guān)的估計是，2010～2020年太陽(yáng)能發(fā)電衛星就可以進(jìn)入實(shí)用階段了。
應用
無(wú)線(xiàn)供電
不僅如此。公共交通卡、一些學(xué)校的飯卡，還有二代身份證，這些也都需要電。在這些卡證中都有一塊小小芯片，里面最少存儲著(zhù)一個(gè)唯一的編號。這一小塊芯片就像是我們的一條內存或者一塊硬盤(pán)，沒(méi)有電的時(shí)候，它和一粒沙子沒(méi)什么區別。即使儲存了很多信息，也沒(méi)有辦法傳遞出來(lái)。
這種卡證的供電原理與變壓器的原理類(lèi)似。讀卡機周?chē)鷷?huì )形成一個(gè)快速變化的磁場(chǎng)，芯片進(jìn)入這個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，周?chē)木€(xiàn)圈內就會(huì )產(chǎn)生感應電壓，激活芯片，并且把自己的編號通過(guò)線(xiàn)圈發(fā)射出去被讀卡機接收。讀卡機會(huì )根據編號的不同而做出不同的反應，例如告訴你現在飯卡賬戶(hù)里還剩多少錢(qián)。
通過(guò)電磁感應來(lái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電是非常成熟的技術(shù)，但會(huì )受到很多限制。最主要的問(wèn)題是，低頻磁場(chǎng)會(huì )隨著(zhù)距離的增加而快速衰減。如果要增加供電距離，只能加大磁場(chǎng)的強度。然而，磁場(chǎng)強度太大一方面會(huì )增加電能的消耗，另一方面可能會(huì )導致附近使用磁信號來(lái)記錄信息的設備失效。我們都不想自己的硬盤(pán)里面的數據被強磁場(chǎng)一筆勾銷(xiāo)吧。
所以這種方式往往會(huì )應用在一些防水要求比較高的小家電上，例如某些電動(dòng)牙刷和電動(dòng)刮胡刀等。人們也在嘗試用電磁感應為手機這樣的小型設備充電。從2005年開(kāi)始，市場(chǎng)上就已經(jīng)有了一些無(wú)線(xiàn)充電器，但使用起來(lái)并不能算是很方便，充其量也只是減少了我們把手機插上變壓器的麻煩而已。有了室內距離的無(wú)線(xiàn)供電設備，誰(shuí)還需要這種東西呢
未來(lái)
無(wú)線(xiàn)供電
當可以在遠距離、中等距離和近距離都廣泛實(shí)現無(wú)線(xiàn)供電的時(shí)候，人類(lèi)目前最常用的能量將會(huì )變得像空氣一樣隨處可得。無(wú)需再抱怨沒(méi)有合適的充電器，不用再為電子設備準備厚重的電池以盡量延長(cháng)它們的待機時(shí)間。我們可以把手持設備做得更小更薄，甚至可以容易地植入體內。在那時(shí)候，生活又是何等一幅模樣？
沒(méi)有人知道。當終于可以解開(kāi)電線(xiàn)的束縛時(shí)，我們會(huì )飛得更高，走得更遠，遠到超出想象。正如每天呼吸空氣而不自覺(jué)一樣，我們終會(huì )把無(wú)處不在的無(wú)線(xiàn)電力當作一件自然而然的事情，卻忘了僅僅在200年前，祖輩們還僅僅把電當成一種用來(lái)博人一笑的小小魔術(shù)。
也許有一天，我們會(huì )對我們的下一代談起我們年輕的時(shí)候。講述中極盡描述從線(xiàn)纜束縛的無(wú)奈走到無(wú)線(xiàn)的自由這一過(guò)程。會(huì )回味那些有電線(xiàn)的日子，不可避免地談及那些因電線(xiàn)接頭松動(dòng)讓所有工作成果化為一縷青煙的小插曲。會(huì )懷念電池的質(zhì)感，會(huì )懷念在抽屜里纏成一團的充電器的沉穩踏實(shí)。也許還會(huì )一遍遍提起法拉第、麥克斯韋，以及特斯拉這些名字。我們會(huì )像小時(shí)候的老師那樣，循循善誘地提問(wèn)：“那么，電是從哪里來(lái)的呢？”
也許，坐在對面的小孩，會(huì )像《三體II·黑暗森林》中那個(gè)兩百年后的漂亮女護士一樣，不以為然地說(shuō)：“電？到處都有電啊?！?/span>
為了這樣輕率的答案而微笑吧，欣慰的是，他們，終于擁有了一個(gè)比我們更加寬廣更加自如的世界。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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