無線供電：在探索中前行

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2010年1月7日-10日，一年一度的CES（國際消費電子展）在美國拉斯維加斯舉行，在距離展會現(xiàn)場不遠的一家酒店里，WiTricity公司約請了各大消費電子產(chǎn)品公司和一些便攜式電腦廠商負責人來到它們租住的房間。WiTricity公司給大家展示的是應用了最新無線供電技術的一些概念性產(chǎn)品，如一臺不用任何電池也不用任何電線就能正常工作的平板電視機：這臺平板電視機后面裝有一個特殊的線圈，而另外一個負責供電的裝置里也裝有一個特殊的線圈，這兩個線圈尺寸不一樣，線圈彼此并不朝著對方，正是這兩個關鍵的部件實現(xiàn)了無線供電，最終實現(xiàn)了無需電線就能給這臺電視提供電力支持。

WiTricity公司的工作引起了參觀者對無線供電技術的極大興趣。事實上，實現(xiàn)無線供電、擺脫電纜的束縛可以說一直是人類的一個夢想。而自從美國麻省理工學院著名物理學家馬林·索爾賈?？耍∕arin Soljacic）教授率先提出新的無線供電技術以來，人們就在期盼這項研究能有突破性進展，特別是2007年6月馬林·索爾賈希克的團隊給一個直徑60厘米的線圈通電成功地點亮了2米之外連接在另一個線圈上的60瓦燈泡，更是讓人們對這項技術的商業(yè)前景非?？春?。一些公司和風險投資商開始進入這個市場，只有16人的WiTricity就是這樣的一家公司，WiTricity公司目前最主要的工作之一就是將馬林·索爾賈?？私淌陂_發(fā)的無線供電技術商業(yè)化。

借助共振傳遞能量

無線供電并不是在空中直接傳送電能，而是利用強度非常低的磁場在空中傳輸能量。這種磁場類似地球磁場，但區(qū)別在于，無線供電使用的是振蕩磁場，而地球磁場是靜態(tài)磁場。簡單說來，無線供電就是利用共振來傳送能力。單就技術而言，只要能設計出振蕩頻率一模一樣的電源和電力捕獲裝置，就能實現(xiàn) “強共振磁耦合”（Highly Resonant Magnetic Coupling）。

其實，共振是兩個設備之間互相傳遞能量的一種非常高效的方法。共振在生活中也很常見，它存在于許多物理系統(tǒng)中。最常見的例子就是高音歌唱家引吭高歌后，房間另一頭的玻璃應聲而裂，這就是聲音共振。原理在于，玻璃的共振頻率與歌手的噪音一樣，玻璃獲取了這能量。不過，要讓兩個物體彼此產(chǎn)生磁共振要難得多。馬林·索爾賈?？瞬┦渴亲钤鐝拇笞匀坏墓舱裰械玫絾l(fā)的人之一，他很早就開始探索能不能讓間隔一定距離的兩個磁性設備產(chǎn)生共振、傳遞能量。最終馬林·索爾賈?？瞬┦考捌鋱F隊攻克了這個難關，掌握了讓這些設備產(chǎn)生所需要的磁共振的方法。

實際上，觀察一下將交流電變成低壓電、供手機或便攜式電腦使用的變壓器的內(nèi)部構造，就會發(fā)現(xiàn)其中有兩個彼此挨得非常近的線圈。一個線圈形成磁場后，會在另外一個線圈上感應出另一個磁場。但如果讓兩個線圈稍稍遠離一點，它們就會停止工作，因為只有在非常短的距離才會產(chǎn)生感應現(xiàn)象。比說，可以買到里面裝有線圈的電動牙刷，底座有另一個線圈，電能就會無線傳輸，但如果將牙刷從底座稍稍撥出一點，就會停止充電。麻省理工學院的馬林·索爾賈希克博士一個很關鍵的研究課題就是設法把線圈距離拉大到大于線圈尺寸的位置。

馬林·索爾賈希克博士先從理論上進行了論證，并在著名的學術雜志《科學》上撰文公開了論證過程，但當時很多人們不相信他，認為這不可能做到。后來，馬林·索爾賈?？寺暑I其團隊開始著手將理論落實。到2007年6月，馬林·索爾賈?？撕推渫聜兊难芯抗ぷ魅〉昧酥卮筮M展。他們公開進行了試驗：團隊所有成員都坐在兩個線圈之間（兩個線圈即所謂的共振器，它們會在一定頻率下產(chǎn)生振蕩），結果一方可將足夠電能傳遞給另一方，最后點亮了一只60瓦燈泡。這也打消了很多人的疑慮，使人們最終相信無線供電技術是可行的。

消費電子設備和汽車率先受益

無線供電技術一進提出就激起人們的廣泛關注。首先它讓我們擺脫了電纜的限制，行動更為方便和自由，這也正是科學技術最重要的目標之一。而另一方面，從環(huán)保上來說，無線供電也具有非常重要的作用。

“考慮一下一次性電池與電網(wǎng)各自的經(jīng)濟成本。大多數(shù)人只知道電池的成本高于電網(wǎng)，但他們都沒有認識到使用電網(wǎng)要比使用一次性電池要劃算得多。比如，美國電網(wǎng)電力的成本大概是每度電10美分。這意味著，1度電可以讓10只100瓦燈泡亮1小時，而電費只需要10美分?！盬iTricity該公司的首席執(zhí)行官Eric Giler介紹說，“如果你弄來數(shù)量足夠多的AA電池，獲得足夠的電力讓10只100瓦燈泡亮上1小時，就要花350美元。而且，電池電量用光后被扔到廢渣填埋場，任其腐爛，有毒化學物質就會滲出來——這對環(huán)境造成的危害很大。”

Eric Giler以無線鼠標為例來說明這個問題。無線鼠標使用一次性電池，而實際使用時它離電網(wǎng)電力只有幾英寸的距離，基本上是觸手可及。相比較而言，用電池顯然要貴多了，而且使用無線電力為無線鼠標供電不但能省錢，還能保護環(huán)境。

研究人員認為可能率先用上無線供電技術的一種設備是電動車輛。電動車輛是未來汽車的一個發(fā)展方向，但是，要給電動車輛找到插座接通電源充電卻是一件很麻煩的事情，比如一旦遇到暴風雨，傳統(tǒng)的充電方式就非常危險，這時只能撥掉電源或者只好卷起臟兮兮的電線放到后備箱。

“設想一下：車開到車庫后你就不用管他，車子就能自動充電。因為地面有一塊墊子，而你的車子底部有一個線圈。還有，在停車場專門配有電動車輛泊車區(qū)，這個泊車區(qū)的地下埋有無線充電裝置，可以自動給車充電。這肯定會給電動汽車的使用者帶來很大方便?！盓ric Giler說。

另一種設備是小型移動電子產(chǎn)品?，F(xiàn)在的人們常常同時攜帶幾種手持移動設備，如相機、MP3播放器和手機等，這些設備都使用不同類型的電池，因而配有各種不同的充電器。如果在這些設備內(nèi)置一種無線充電裝置，就可以讓人們擺脫線纜的束縛，同時也無需再配各種充電器了。與電動汽車相比，Eric Giler認為這方面的產(chǎn)品可能要更早一些上市。

第三種是某些固定的電子設備，比如電視機、立體聲音響和電腦設備等使用電池或電線的設備。在今年的CES期間，WiTricity公司除了展示了無線供電的電視外，還向便攜式電腦廠商們演示了如何給筆記本電腦供電：只要把筆記本電腦放到底部裝有線圈的桌面上就可以為它充電，因為桌子的背面有一個塑料模，里面的線圈讓桌子成為一個通電表面。

“我們正在嘗試把線圈做到那些常見手機里面，比如黑莓Curve、諾基亞N96、谷歌GI和蘋果iPhone，只要把這些手機放到桌面上，就會看到它們開始充電?！盓ric Giler介紹說，“未來的有一天，我們可以實現(xiàn)通過埋在天花板里的線圈為整間房子里面的眾多設備供電，這樣人們回家后只要把手機放到通電的桌面，即使手機角度不正，它也會自動充電?！?/P>

據(jù)Eric Giler介紹，這些設備中的線圈能做得很小。WiTricity現(xiàn)在已經(jīng)能做到讓裝有充電線圈的手機與普通手機差不多一樣大。當手機與充電的基座接近離時，可能距離1.5米時左右手機會開始充電。而且，充電的電腦和手機仍然可以使用，雖然這些設備正在磁場被充電。而之所以沒有干擾，就是因為所用頻率全然不同。另外，WiTricity公司還在針對軍用和工廠機器人進行無線充電的試驗性研究。

仍處于完善階段

總體來說，無線供電技術仍然處于研究過程，要真正進入實用階段還有不短的時間。不過這并影響廠商的熱情，目前進入到無線供電技術領域的公司已有10多家。這10多家公司又分為兩大陣營。第一個陣營（大約9家公司），它們使用的是傳統(tǒng)的電磁感應技術?，F(xiàn)在有些超市已經(jīng)可以買到此類產(chǎn)品，如手機充電墊，人們可以將手機擱在充電墊上面進行充電，不過，這種充電方式對手機的擺放位置和方向有嚴格要求，必須完全正確，另外，效率很低。另外幾家是可以實現(xiàn)較遠距離無線輸電的公司（WiTricity公司也是其中之一），這類公司用的是強耦合磁共振技術。比如，美國加利福尼亞州有一家公司采用光來輸電，用一種激光對準光電探測器，光電探測器捕獲到光后，把它重新轉換成電。這種方式的主要缺陷在于，物理干擾會中斷供電，實際應用受到了局限，因此要非常慎重地應用。還有另一家公司則采用射頻技術。它們發(fā)射無線電場，但強度只有3瓦大小，所以只適合傳輸非常小的能量，而無法傳輸強電能，而且效率也只有幾千分之一，因為大部分電能完全散發(fā)到空中了。

在這些公司中，WiTricity的工作值得一提。該公司已經(jīng)研發(fā)出來的無線供電設備可以無線輸送幾毫瓦到幾千瓦之間的電能，輸電距離也在幾厘米到幾米之間。據(jù)Eric Giler介紹， WiTricity正在試驗為7英尺之外的設備供電，而目前面臨的一個困難是讓供電裝置能自動根據(jù)用電設備的需求為其充電。

“考慮到諸多設備有不同類型的電池，要求不同的電量，而線圈不能僅僅輸出穩(wěn)定電量或者接受能量，還要自己弄清楚需要多少電量，這就需要兩邊的電子設備很高的智能，眼下做到這一點其實有些難度?！?Eric Giler說。

另外，提高供電效率也是供電技術研究中的一項重要內(nèi)容。目前的無線供電技術研究中用共振器之間傳輸電能的百分比來表述效率，這種效率隨著距離的增加衰減很快。比如，有兩個尺寸一樣的共振器，假設大小為D，而且線圈之間的距離小于或等于D，那么就能傳輸95%的電能。如果把兩個共振器分開得遠一些，比如5D，只能傳送10%左右的電能。目前，WiTricity研制的系統(tǒng)大多數(shù)工作于這個距離范圍。

幸運的是，效率并非總是那么重要。Eric Giler說：“如果你給車輛充電，要充3000瓦的電，就會非常關注高效率。如果只是手機，你不會太關注。如果換成堿性電池，即使供電效率只有1%，還是比用電池供電劃算，因為一次性電池的電能成本是電網(wǎng)電能的350倍?！?/P>

不干擾心臟起搏器

這項技術安全嗎，這是很多人首次聽到無線供電技術的一個很自然的疑問，因為我們從小接受的關于電的教育告訴我們，電是很危險的。而研究者認為，這項技術是安全的，正如聲音共振能震碎窗戶上的玻璃而不會振裂房間里別人的耳膜一樣，人是很安全的，因為只有玻璃這個物體與歌手所唱的曲調(diào)有著同樣的共振頻率。而且磁場對生物體根本不會有太大干擾。在磁體面前，人如同空氣。人不會干擾磁體，磁體也不會對人有太大干擾。

“請記住，這不是輻射，而是強耦合磁共振?！盓ric Giler說，“而且，目前所使用的頻率范圍是可以選擇的，通?？捎妙l率從100千赫直到數(shù)十兆赫。不過，要激發(fā)工作頻率在100千赫以上的心臟起搏器還是非常難，因為我們所用的頻率一般要這頻率高得多?！?/P>

這項技術的一個好處在于電能不會跑到別的地方，它不會散發(fā)到周圍環(huán)境，而是由每個共振器保留起來，彼此之間共享，最終以電阻熱損失的方式散逸。但這不是磁能意義上的輻射能，因此不會干擾Wi-Fi或手機。

“無線供電技術仍然是一種處于研究過程中的技術，技術仍在進步。但前景無容置疑，設想有一天，你家里所有的設備都可以使用同一面墻壁后面的電源，這將是多么令人激動的事情。雖然今天還不能，但這一天是完全有可能，只要技術逐步完善，而且不同廠商之間的產(chǎn)品都符合一個共同的標準?！?Eric Giler總結說。