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无线输电:作别插座时代

发布时间:2015-04-01 点击数:629
2015年03月28日 04:05

来源:人民日报海外版



日本科学家近日用于无线输电实验的相关设备。



美国麻省理工学院6人工作小组实日本科学家近日用于无线输电实验的相关设备。现了两边相隔两米的铜线圈间的无线电力传输,并点亮了一个灯泡。

在3.6万千米的太空中,一座表面布满了光伏面板的太阳能发电卫星静静伫立,将收集到的太阳能源源不断地传回地球,向城市供电。实际上,它的转化效率比在地球上高出10倍,而且永不停歇。这种似乎只存在于科幻片,或者《三体》等科幻小说中的场景,如今有了实现的可能。

最近,日本科学家接连发布微波无线输电技术的最新成果。而在国内,我国科学家近年来也不断在公交、高铁、“无尾电视”、手机等领域实现无线输电的各项突破。

人类作别插座的时代来真的来临了吗?下面,让我们追寻电能的踪迹,探寻国内外科学家们如何摆脱电线,将电能安全送达目的地。

百米无线点灯创历史

说起输电,你也许马上会想到粗粗的高压线,或者家里那些“剪不断,理还乱”的各式插座、电线。近年来,随着科学技术的进步发展,科学家们对无线输电研究的进一步深入,一些改变正在发生。

就在两周前,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)宣布,研究人员利用微波,将1.8千瓦电力以无线方式,精准地传输到55米距离外的一个接收装置。虽然这样的电力只够用来启动一个电热水壶,但消息一经发出,便引发人们的广泛关注。

仅1天后,日本三菱重工也宣布,科研人员将10千瓦电力转换成微波后输送,其中部分电能成功点亮了500米外接收装置上的LED灯,成为迄今为止日本成功实验中距离最长、电力最大的一次。

专家表示,这样的实验意味着人类可能实现大规模、中长距离的无线输电,并使之商业化。正如三菱重工在一份声明中所说:“我们确信,这次实验表明无线输电商业化已经成为可能。”

但真正要实现这个梦想,还需要解决诸如传输效率等问题。“10千瓦的电力,经过500米的传输距离后,只是点亮了一只LED灯。我们都知道LED灯的功率很小,这就说明在传输过程中,相当大部分的能量发散掉了。”中科院电工研究所研究员廖承林在接受采访时说。

更有意味的是,三菱重工和JAXA均选择利用微波传送电能,这恰好印证了日本因为能源短缺而一直深耕太空太阳能发电的战略。三菱重工同时表示,这一技术将会被用于太空太阳能发电系统(SSPS)。该公司计划在2030年至2040年运用该技术,将太空的发电装置获得的电能通过微波向地面传输。据估算,如果使用直径两三千米的巨大太阳能电池板进行太空发电,将能达到一台常用的百万千瓦装机容量的核电机组发电水平。

当然,其面临的难题将会更多。不仅传输效率要进一步提高,微波传输路径需要缩小,发电站的输出功率还必须要非常大。“可能达到兆瓦级。”中科院上海微系统与信息技术研究所研究员俞凯表示。

尽管困难重重,但就是这样“一小步”,有历史意义,因为这可能是人类未来高效利用电能、太阳能的“一大步”。

三技术实现输电无线化

无线输电,指不经过电缆将电能从发电装置传送到接收端的技术。今天,我们的电话、网络等通信技术早已实现了从有线到无线的飞跃,为什么无线输电还相对滞后?

事实上,早在19世纪上半叶,人类就有了用无线方式输送电力的想法。最早可以追溯到美国科学狂人尼古拉·特斯拉。

那时,电磁铁问世不久,电磁感应现象也刚被发现,特斯拉设计了一个简单的无线输电装置:把一个线圈连接在电源上,作为发射器传输能量;另一个线圈连着灯泡,作为能量接收器。通电后,发射器能够以10兆赫兹的频率振动,另一个线圈连着的灯泡将被点亮。这便是著名的“特斯拉线圈”的由来。

特斯拉的设想在理论上是可行的,但实际操作里面临着这样一个难题:如何提高传输效率?因为电磁波在自由空间传输能量的过程中会向四面八方散发,特别是微波,散射在空间,能量衰竭更快。这成为无数科学家在接下来的百余年时间里研究的瓶颈。

直到2009年,美国麻省理工学院物理学家马林·绍利亚契奇还没有准备好做这一难题的“终结者”,因为他在发明一项功效卓著的无线输电系统前,曾经一连3个晚上被手机“电池电量不足”的“滴滴”声吵醒,他继而想到:“为什么墙里的电不能直接传输给我的手机呢?”

这便是电磁共振无线输电技术的由来。按照此理论,只要让电磁能发射器同接收设备在相同频率上产生共振,它们之间就可以进行能量互换。

利用这一原理,绍利亚契奇和他的团队成功地把一盏距发射器2.13米开外的60瓦电灯点亮,且传输效率大幅提高。自此,全世界很多科学家开始基于这一实验展开了后续研究。有专家表示,这种技术可以实现10米左右距离的室内无线输电。

而对于一些低功率近程的电能传送来说,电磁感应无线输电技术无疑更为适合。因为通过电磁感应,发射线圈和接收线圈之间可以利用磁耦合来传递电能。当然,这种距离要求非常近,约在1厘米以下,可以用相互“贴着”来形容。

此外,如果要实现高功率远程电力传送,则只能依靠微波或激光的远场辐射技术来进行。因为无线电波波长越短,其定向性越好,弥散越小。

日本科学家们最近所取得的突破,即基于微波的这一特性。正如中科院电工研究所研究员刘国强所解释的,“利用微波源,把直流电转变为微波,然后将微波能量聚焦起来,由天线发射出去,再被接收天线收集,经微波整流器整理后重新转变为直流电输出。”

跑赢无线输电竞赛

近年来,有线输电的成本和污染呈增长趋势,而各类能源引发的战争及公共危机也越来越多。无线输电技术研究和商业运用的风起云涌,事实上已经在推动着各国加大对这一领域的投入力度。

按照输电距离来分,无线输电技术的发展趋势大体可分为三个方向:其一是商业化前景更好的近距离无线输电,主要包括新能源汽车、家电等;其二是中长距离的无线输电,例如在高山、森林、海岛、沙漠等地进行无线输电。其三是在太空太阳能输电方面,新世纪以后,日本、美国、俄罗斯、欧洲、印度等国家和组织,都相继提出了在未来建设空间太阳能电站的计划。



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