讓電力在空中“翱翔”

□文/王瑞良

一種不用通過插座和電線提供電能的無線輸電系統(tǒng)，在10多年前由美國WiTricity公司研發(fā)成功。在此基礎(chǔ)上，美國、日本和中國在無線輸電領(lǐng)域展開了激烈的競爭，并取得了不同程度的進(jìn)展，大大加快了這項(xiàng)新技術(shù)的實(shí)用化步伐。

有了這個(gè)系統(tǒng)，人們家中的照明燈具、臺式電腦、移動(dòng)電話和電視機(jī)等，就可以不再依靠電線或電池供電，數(shù)量龐大的電動(dòng)汽車也可以擺脫充電樁的束縛，從而使得有線供電的日子一去不復(fù)返。人們將這種理想的情景形象地比喻為“讓電力在空中‘翱翔’”。

無線輸電技術(shù)的發(fā)明

這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明者是美國麻省理工學(xué)院物理學(xué)家馬林·紹利亞契奇。曾經(jīng)一連3個(gè)晚上，他都被手機(jī)提示電池電量不足的“嘀嘀”聲吵醒，他想：“為什么墻里的電不能直接給我的手機(jī)充電呢？”于是，他開始研究這個(gè)問題，并逐步創(chuàng)立了一種無線輸電技術(shù)的新理論。按此理論，只要讓電磁能發(fā)射器同接收設(shè)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。他和同伴們做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：利用兩個(gè)直徑60厘米的銅絲感應(yīng)線圈充當(dāng)共振器，一個(gè)與電源相連，作為發(fā)射器，另一個(gè)與臺燈相連，充當(dāng)接收器。結(jié)果，他們成功點(diǎn)亮了一盞距發(fā)射器2.13米遠(yuǎn)的60瓦電燈。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)利用了物理學(xué)上的低頻電磁波共振原理：當(dāng)兩個(gè)物體擁有同樣的共振頻率時(shí)，就會(huì)同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)行能量交換；而當(dāng)使用某個(gè)特定頻率時(shí)，效率會(huì)更高。

隨后，馬林·紹利亞契奇設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)，它的運(yùn)作方式是這樣的——使用兩個(gè)線圈，將第一個(gè)線圈放置在家用電源的接線盒內(nèi)，然后嵌入墻壁或房頂，第二個(gè)線圈安裝在電視機(jī)或電腦等裝置內(nèi)。這樣，電磁波就會(huì)在兩個(gè)線圈之間傳遞能量，其中第一個(gè)線圈負(fù)責(zé)輻射能量，第二個(gè)線圈負(fù)責(zé)接收能量。

無線輸電技術(shù)的推廣與應(yīng)用

在這一新成果的推廣應(yīng)用中，各國政府采取了許多務(wù)實(shí)措施，日本走在了世界前列。日本總務(wù)省在2020年通過修改法令，劃出3個(gè)電波專用頻段，供松下、富士通、東芝等公司使用，政府與民間企業(yè)聯(lián)袂促進(jìn)了這一新技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。例如，富士通公司最近研發(fā)出一套可以同時(shí)為多個(gè)便攜式電子產(chǎn)品（如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和筆記本電腦等）無線充電的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在距離電子產(chǎn)品幾米遠(yuǎn)的地方進(jìn)行無線充電，其最終目標(biāo)是為汽車充電。

無線輸電示意圖

說到電動(dòng)汽車的充電問題，這是全球業(yè)界正在努力攻占的一方技術(shù)高地。據(jù)報(bào)道，世界多國的汽車制造商和供應(yīng)商最近一致認(rèn)同了一套可讓電動(dòng)車輛和插電式混合動(dòng)力汽車不需要插座、連線就能充電的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（SAE J2954），并由國際汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）研發(fā)出一套通用無線充電系統(tǒng)。寶馬、邁凱倫等豪車都聲稱將采用這一系統(tǒng)，其他汽車很快也會(huì)跟進(jìn)。

無線輸電技術(shù)將讓有線供電的日子一去不復(fù)返

該套系統(tǒng)能在地面充電板與車上接收器最遠(yuǎn)相隔10英寸（約合0.25米）的情況下，以電動(dòng)汽車所能承受的最高電圧輸電。與有線連接相比，其充電效率高達(dá)94%。有配套設(shè)備的充電板可以引導(dǎo)車輛由駕駛員控制或自動(dòng)泊車入位。按照規(guī)劃，這種充電板既可以在家中使用，也可以在商業(yè)停車場使用。任何一家汽車制造商的電動(dòng)汽車，都可以在任何一個(gè)充電站，用任何一家供應(yīng)商生產(chǎn)的充電板充電。

現(xiàn)存問題與未來展望

目前，影響這一新技術(shù)商業(yè)化的因素之一是人們對其安全性的擔(dān)憂。但研究小組認(rèn)為，人們無須擔(dān)心安全問題，因?yàn)檫@里利用的是波長為30米的低頻電磁波，它只對能與之產(chǎn)生共振的物品有影響，而桌子、毛毯、人體等因?yàn)椴痪哂写判裕粫?huì)產(chǎn)生共振，所以不會(huì)受到影響。為了印證這種說法，美國WiTricity的首席執(zhí)行官曾在一次會(huì)議上現(xiàn)身說法，他一邊繞過一臺使用無線充電系統(tǒng)的電視機(jī)，一邊說道：“沒事兒，我很好。”

有了汽車無線充電技術(shù)，電動(dòng)汽車將迎來劃時(shí)代的變革

目前，研究人員正在想方設(shè)法增大發(fā)射器和接收器的效率，不僅使一些較大的電器（如電動(dòng)汽車）都能用無線充電，而且要將供電的距離大大延長。

無線輸電技術(shù)的短板，有些現(xiàn)在已有解決方案，有些正在積極攻關(guān)，有些宏偉目標(biāo)則需要假以時(shí)日，若干年以后方能實(shí)現(xiàn)。例如，一項(xiàng)將長度和寬度均超過2千米的太陽能電池板發(fā)射到太空、令其發(fā)電并傳輸?shù)降厍虻挠?jì)劃，預(yù)計(jì)要到2050年前后方能實(shí)現(xiàn)。

在前不久的一次實(shí)驗(yàn)中，日本慶應(yīng)大學(xué)教授三次仁成功地通過微波向互聯(lián)網(wǎng)的6個(gè)傳感器提供了電能，這讓在太空建造太陽能發(fā)電站、發(fā)電后通過微波傳回地球的計(jì)劃變得可行，但也難免引起一些人的疑惑：微波通常可以用來加熱食物，那么，在空中飛翔的鳥兒會(huì)變成烤串嗎？再者，人們居住的房屋會(huì)因?yàn)閺奶盏竭_(dá)地球的微波而著火嗎？還有人擔(dān)心，這會(huì)對地面通信產(chǎn)生不利影響。對此，參與相關(guān)計(jì)劃的京都大學(xué)教授筱原真毅否認(rèn)了“烤串問題”。他說，就太空太陽能發(fā)電而言，用于電力接收的面板將長達(dá)2.5千米，微波將朝著一個(gè)巨大的天線散開傳播，由于密度較低，根本無須擔(dān)心能量集中造成的種種危險(xiǎn)，更不會(huì)影響正常的通信。

盡管困難重重、前路漫漫，但人們對此普遍持積極樂觀的態(tài)度。試想一下，一旦電力在空中“翱翔”的時(shí)代來臨，人們能夠隨時(shí)隨地接收從空中飛來的電力，那將會(huì)是一種何等美妙的情景？

那時(shí)，使用筆記本電腦再也不必?fù)?dān)心電量會(huì)用完，外出旅行時(shí)也無須到處去尋找?guī)щ娫床遄目Х瑞^……人們的日常生活將變得更加豐富多彩、愜意方便。無人機(jī)可以在空中持續(xù)飛行、不停頓地運(yùn)輸，而現(xiàn)在一架小型無人機(jī)在空中飛行、搬運(yùn)貨物，會(huì)消耗很多電力，即使配備了較大的蓄電池，飛行時(shí)間最多也只有幾十分鐘。電動(dòng)汽車也將迎來劃時(shí)代的變革，變得像汽油車那樣使用便捷。你可以想象一下，那時(shí)的車主會(huì)有多么開心！