告別電線時代？

白玉磊

在距離地面大約3.6萬千米的地球同步軌道上，一座太陽能發(fā)電站永不停歇地收集著太陽能，并源源不斷地把電力傳回地球供我們使用。這似乎只存在于科學幻想之中。不過，最近日本科學家的系列研究成果讓人們看到了將其變成現(xiàn)實的可能性。

前不久，日本的研究人員兩次成功實驗了微波無線輸電，一次是將1.8千瓦的電力（足夠用來啟動電水壺）以微波無線方式，精準傳輸?shù)?5米外的接收裝置，一次是將10千瓦電力轉(zhuǎn)換成微波后輸送，其中的部分電能成功點亮了500米外接收裝置上的一盞LED燈。

你可能還沒有意識到這一實驗的重要性，但科學家對比評價頗高，認為這讓太空太陽能發(fā)電成為可能，也許將開啟人類高效利用清潔能源的新時代。

人物簡介：

李群，男，1987年10月生，博士，研究員級高級工程師。現(xiàn)任江蘇省電力公司電力科學研究院總工程師；國家電網(wǎng)公司運行專業(yè)領軍人才。

專業(yè)從事電力系統(tǒng)分析、電能質(zhì)量測控、新能源發(fā)電及接入、智能電網(wǎng)、串并聯(lián)補償?shù)葘I(yè)技術相關的試驗、科研開發(fā)、技術咨詢、科技項目推廣和技術監(jiān)督等方面的工作。

現(xiàn)任CIGPE（國際大電網(wǎng)會議）中國國家委員會委員，電力行業(yè)電能質(zhì)量及柔性輸電標準化技術委員會委員；江蘇省電機工程學會可再生能源專委會副主任委員，江蘇省電機工程學會電機電器專委會委員。

微波輸電其實并不稀奇

如果問你一個問題：電是通過什么傳輸?shù)模磕銘摃卮鹗峭ㄟ^電線。在我們的生活中，電線隨處可見，發(fā)電廠通過電線把電送入千家萬戶，我們家里的電燈、電視、冰箱、洗衣機都要接上電線才能工作。但是你可能無法回答，電為什么要通過電線來輸送，電在電線中又是怎么輸送的？

剝開一段電線的外層絕緣材料，你會發(fā)現(xiàn)里面一般是銅或鋁等金屬材料，它們均是電的優(yōu)良導體，具有很高的輸電效率。江蘇省電力公司電力科學研究院總工程師李群解釋說，經(jīng)典導電理論認為，金屬導體導電是由于金屬導體內(nèi)部存在大量的可以自由移動的自由電子，這些自由電子在電場力的作用下定向移動而形成電流（注：最新研究認為電流形成的機理不同于經(jīng)典導電理論的說法）。

電力線傳輸有交流輸電和直流輸電兩種方式，它們都可以進行高效率的遠距離電力傳輸。電壓等級越高，傳輸中損失的能量就越少，電力傳輸?shù)男示驮礁摺＿@也正是國家電網(wǎng)公司大力發(fā)展特高壓輸電的目的之一。

但是，輸電并非一定要用電線，也可以采用無線輸電方式，比如微波無線輸電。電也能通過微波傳輸，這實在讓很多人不能理解，李群總工程師告訴記者，微波無線輸電說起來也并不神秘，其實是利用微波發(fā)生裝置，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉ǎ缓笸ㄟ^發(fā)射天線將微波以輻射的方式向自由空間發(fā)射出去。攜帶能量的微波束經(jīng)過自由空間傳播后，被接收天線收集，從而實現(xiàn)電能的傳輸，再通過換流裝置將獲得的電能轉(zhuǎn)為標準的直流電或交流電，供電器使用。

在日常生活中，也許我們并不需要用到微波無線輸電技術，那么它主要應用在哪些領域呢？李群總工程師說，可以用在空間太陽能發(fā)電，也可用來給不方便架設電線的孤島、荒山地區(qū)供電，還可以用在軍事上，比如向低軌道軍用偵察衛(wèi)星供電。

中國的無線輸電研究還處于起步階段

其實，無線輸電并不是一個剛剛出現(xiàn)的新鮮科技，無線輸電的提出最早要追溯到19世紀末，提出者是一位被埋沒多年的科學奇才——尼古拉·特斯拉，如今我們耳熟能詳?shù)奶厮估嚕褪且运拿置模锢頃洗艌龅膯挝惶厮估彩怯盟拿置摹?/p>

特斯拉一生留下了許多改變世界的偉大發(fā)明，其中就包括極其重要的交流輸電系統(tǒng)，今天我們家中大多數(shù)的電器都是由交流電驅(qū)動的。愛迪生是我們熟知的發(fā)明大王，他是很多電器的發(fā)明者，但是起初他的這些發(fā)明都是由直流電驅(qū)動。當時年輕的特斯拉用自己的交流輸電系統(tǒng)向已經(jīng)是“大腕”的愛迪生發(fā)起了挑戰(zhàn)，掀起了一場直流交流之爭。最終，特斯拉的交流電系統(tǒng)戰(zhàn)勝了愛迪生的直流電系統(tǒng)，為全世界所用。但是說起來，特斯拉最鐘愛的還是無線輸電技術。

那么，現(xiàn)在的無線輸電研究究竟進展到哪一步了？

李群總工程師表示，說現(xiàn)在無線輸電技術研究已到哪一步了，真的不好回答，因為有的研究成果根本就不公開，所以只能從已報道的說一說。

很多國家早就開展了這方面研究。2001年6月，美國麻省理工學院宣布，他們利用電磁共振技術成功地點亮了一個離電源約2米遠的60瓦電燈泡。2008年9月，北美電力研討會發(fā)布的論文顯示，美國內(nèi)華達州雷電實驗室成功將800瓦電力用無線的方式傳輸?shù)?米遠的距離。日本在這一方面也做得不錯。在1993年10月召開的國際無線電聯(lián)盟大會上，日本NEO公司展示了一款使用微波無線輸電方式提供1千瓦動力的無人海岸巡航機。1995年，日本科學家在日本兵庫縣利用微波成功地將5千瓦電力傳輸了50米遠的距離。然后，就是日前日本進行的兩次實驗。

目前，我國也已開展相關的技術研究，但這些研究還處于起步階段，主要是進行一些基礎研究，還未曾開展大規(guī)模的實驗。相關的研究高校主要有哈爾濱工業(yè)大學、重慶大學、香港理工大學、華南理工大學、南京航空航天大學、東南大學等。2012年，江蘇省電力公司電力科學研究院與東南大學合作，開展了采用磁諧振方式進行高壓無線取能的前期技術研究，并取得了初步研究成果。同時，在國家電網(wǎng)智研院美國分院征求科技項目需求時，江蘇省電力公司電力科學研究院也提交了《高壓無線取能及電動汽車無線充電關鍵技術研究》項目提案。

一項可能改變世界能源格局的技術

世界各國的科學家們?yōu)楹螣嶂杂谘芯繜o線輸電技術呢？答案是為了從太空中獲得取之不盡的能源。

有資料顯示，在太空中，太陽光的強度要比我們能感受到的大5-10倍，而且不會因為云層的遮擋而變得斷斷續(xù)續(xù)，因此在太空進行太陽能發(fā)電比在地面上有顯著的效率優(yōu)勢，而且太空太陽能發(fā)電技術不會像火電廠那樣排放污染物，也不會像核電站那樣產(chǎn)生放射性廢料，是一項可能改變能源整體格局的革命性技術。

如今，在太空中部署太陽能電池板或太陽能發(fā)電衛(wèi)星已成為可能，但如何將電能傳回地球呢？李群總工程師說，這就要用到無線輸電技術了。被“俘獲”的太陽能就在太空電站上被轉(zhuǎn)換成含有能量的電磁波，即特定波段的微波，然后傳回地球。微波能將在空中形成一道無形的微波柱，然后被安裝在地面上的、依網(wǎng)格化排列的橢圓形網(wǎng)格天線接收，這些天線占地面積與微波柱相當，專門接收微波能，轉(zhuǎn)換后即可送往傳統(tǒng)的輸電網(wǎng)。

當然了，若要成功實現(xiàn)該技術，估計還有很長的路要走，最關鍵的是要解決微波遠距離傳輸?shù)男蕟栴}及高能微波傳輸對環(huán)境的影響。

無線輸電給我們生活的影響有正也有負

在我們父輩的孩提時代，家里可能只有一根照明用的電線，電線頭上掛著一只不太亮的燈泡，一家人其樂融融地坐在電燈下，享受著光亮帶來的溫暖和幸福。如今，隨著生活水平的提高，我們擁有了各種各樣的現(xiàn)代化電器，各類電線和插座也隨之增多。廚房里有油煙機、微波爐、冰箱、電磁爐、電飯煲、豆?jié){機，客廳和臥室里有電視、電腦、空調(diào)、電話、DVD，那一根根的電線，組成了我們的生活。

如果你經(jīng)常留意最新的科技，那你就會發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在很多IT公司、新能源公司已經(jīng)開發(fā)出手機、電動車的無線充電技術，這給我們的生活帶來許多新意，這種技術和我們上面說的無線輸電技術有什么異同呢？

李群總工程師解釋說，無線電能傳輸主要有3種方式，電磁感應式（非接觸感應式）、輻射式（包括無線電波方式、微波方式、激光方式、超聲波方式）、電磁共振式（非輻射磁場諧振耦合方式）。綜合比較這3種無線電能傳輸方式，微波輻射傳輸最適合用作太空太陽能發(fā)電站能量傳輸，而電磁共振式最適宜用作電動汽車無線充電和短距離（2米左右）無線輸電場合，電磁感應式則比較適用于手機、iPad等電子設備超短距離無線充電。因此，對無線電能傳輸技術的研究與應用，一定要根據(jù)具體的應用場合來確定。

假如有一天，無線輸電商業(yè)化真的成為現(xiàn)實，那真的將給我們的生活帶來重大影響，但李群總工程師提醒道，這種影響有正面的，也會有負面的。例如，采用磁諧振無線方式，可以實現(xiàn)電動汽車的快捷無線充電，讓我們的生活變得更方便，缺點是我們得承受能源浪費的壓力，因為無線充電會有能量損耗；采用微波方式可以將太空太陽能電站發(fā)的電傳回地球，但大功率微波發(fā)射會干擾通信系統(tǒng)，甚至可能會產(chǎn)生其他類型的環(huán)境污染。

因此，我們在看到無線電能傳輸可以給我們未來生活帶來便捷的同時，一定不要忘掉其可能存在的負面影響，并采取必要措施抑制其負面影響。