【導(dǎo)讀】便攜電子設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域都是通過(guò)無(wú)線電力傳輸，尤其是電池充電無(wú)線電力傳輸在市場(chǎng)上呈指數(shù)被增長(zhǎng)著。事實(shí)上，我們所感知的世界只是我們能夠感覺(jué)得范圍之內(nèi)，人們要想征服世界，就要戰(zhàn)勝距離。實(shí)現(xiàn)電力通信的途徑就是縮小世界距離，使信息的傳播，交通運(yùn)輸，以及電力的傳輸成為未來(lái)最偉大的奇跡。
長(zhǎng)距離無(wú)線電力傳輸
致力于實(shí)現(xiàn)特斯拉對(duì)無(wú)線電力預(yù)期目標(biāo)的兩項(xiàng)主要技術(shù)是：太空太陽(yáng)能(SSP)和射頻標(biāo)簽(RFID)。
太空太陽(yáng)能
讓我們看看美國(guó)能源部網(wǎng)站上的太空太陽(yáng)能介紹。在太空中，太陽(yáng)是持續(xù)發(fā)光的，而缺少空氣使得太陽(yáng)光非常強(qiáng)。在太空中部署太陽(yáng)能電池板如今已成為可能，但如何將電能傳回地球呢？
微波發(fā)射衛(wèi)星
位于地球上空35000km處的衛(wèi)星是在對(duì)地靜止軌道(GEO)上運(yùn)行的。太陽(yáng)能反射板可以大至3km，重量超過(guò)80000公噸，可以向一個(gè)美國(guó)城市提供數(shù)吉瓦(GW)的電力。微波電力信號(hào)使用長(zhǎng)天線發(fā)射它們的長(zhǎng)波長(zhǎng)信號(hào)，因此很容易穿透地球大氣層。這種輻射功率的強(qiáng)度并不比中午時(shí)分照射到我們身上的光更強(qiáng)，也不會(huì)對(duì)在原有航線飛行的鳥(niǎo)類或飛機(jī)造成傷害。這個(gè)系統(tǒng)可以正常工作，但極具挑戰(zhàn)性，而且成本很高。地球上的整流天線(在偶極單元之間連接了射頻二極管的一種偶極天線)是這種太空太陽(yáng)能的首個(gè)接收設(shè)備。
圖1 無(wú)線電力傳輸(WPT)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)
射頻至直流轉(zhuǎn)換模塊中的二極管對(duì)天線中從太空微波信號(hào)感應(yīng)到的交流電流進(jìn)行整流，并產(chǎn)生直流電源給二極管兩端連接的負(fù)載供電。收集微波波束的地面系統(tǒng)需要占用巨大的陸地面積。
激光器衛(wèi)星
圖2 太陽(yáng)能激光波束系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
安裝有激光器的衛(wèi)星可以在離地面400km的低軌道上運(yùn)行。這些衛(wèi)星要比微波衛(wèi)星輕得多，而且制造成本也低得多。激光束的直徑只有2米，比微波衛(wèi)星的幾公里要小得多。這種技術(shù)只能產(chǎn)生1MW至10MW的電力，因此需要同時(shí)使用一群衛(wèi)星。雖然美國(guó)能源部目前沒(méi)有在開(kāi)發(fā)這種技術(shù)，但我們相信不久就會(huì)有替代性的方法開(kāi)發(fā)出來(lái)，通過(guò)收集自然界的能量來(lái)滿足未來(lái)地球上的電力需求。請(qǐng)密切關(guān)注這一前沿技術(shù)，我認(rèn)為不用太久就會(huì)有私營(yíng)企業(yè)做這方面的嘗試。[page]
地面接收機(jī)和發(fā)電站
地面發(fā)電站可以使用熔鹽發(fā)電機(jī)。由于激光的光線是單色光，因此轉(zhuǎn)換單元的電子結(jié)構(gòu)可以針對(duì)特定光子能量進(jìn)行優(yōu)化，轉(zhuǎn)換到電能的效率因而可以高達(dá)70%。
圖3 熔鹽發(fā)電機(jī)系統(tǒng)
RFID如何？
眾所周知，當(dāng)我們走出商店時(shí)，如果收銀員沒(méi)有取消商品上的RFID標(biāo)簽功能，RFID標(biāo)簽將由射頻信號(hào)供電并發(fā)出信息。通過(guò)使用閉環(huán)電力傳輸系統(tǒng)，有許多措施可以用來(lái)改善RFID電力傳輸效率中的距離、穩(wěn)定性和對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題。
在UHF頻率，有效距離最遠(yuǎn)為3米。一些RFID系統(tǒng)可以長(zhǎng)達(dá)100米以上，比如典型的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)。RFID Journal 宣稱，使用電池廣播信號(hào)、主要用于集裝箱和其它大型資產(chǎn)的有源RFID標(biāo)簽可以從衛(wèi)星上進(jìn)行讀取，前提是幾乎沒(méi)有射頻“噪聲”(可能導(dǎo)致干擾的環(huán)境射頻能量)，廣播的信號(hào)有足夠的功率。
通過(guò)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電力的近場(chǎng)傳輸
位于科羅拉多州科泉市的特斯拉無(wú)線發(fā)射設(shè)備使用的是電場(chǎng)和電容耦合以及傳輸線或波導(dǎo)類型效應(yīng)。位于紐約州長(zhǎng)島的特斯拉沃登克里弗塔就是用來(lái)廣播的，具有無(wú)線通信功能和無(wú)線電力計(jì)劃。特斯拉更關(guān)注于這種系統(tǒng)的無(wú)線電力能力，而不是他創(chuàng)建的通信功能。
在第二次世界大戰(zhàn)期間，無(wú)線電力不請(qǐng)自來(lái)，借助工作在微波頻率的大功率真空管(速調(diào)管)可以傳輸很長(zhǎng)的距離。
在低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的是遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸，在這種場(chǎng)合效率不是優(yōu)先考慮的對(duì)象。在大功率系統(tǒng)和太空、工業(yè)或軍事使用中的遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸中，接收無(wú)線電力是主要目標(biāo)，成本是次要的。在我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫脑O(shè)備將效率和安全標(biāo)準(zhǔn)作為高優(yōu)先等級(jí)，因此微波系統(tǒng)在這種場(chǎng)合無(wú)法良好工作。針對(duì)中等電力需求，最高數(shù)百瓦、距離為幾米且工作在100MHz以下的近場(chǎng)無(wú)線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的效率，并具有較低要求的射頻暴露安全極限。使用低頻磁場(chǎng)還可以比微波系統(tǒng)提供更高的等效平面波功率密度。
特斯拉實(shí)驗(yàn)使用電場(chǎng)進(jìn)行近場(chǎng)無(wú)線傳輸。然而，使用磁場(chǎng)具有在我們周?chē)鄬?duì)缺乏磁性材料的優(yōu)勢(shì)。特斯拉線圈有可能電擊到人，只要與人有交互操作，磁場(chǎng)的傷害程度就顯得小很多。
與電場(chǎng)相比，近場(chǎng)磁場(chǎng)傳輸還有另外一個(gè)好處，因?yàn)樗鼈兛梢源┩复蠖鄶?shù)障礙物，并且沒(méi)有方向性，不像微波信號(hào)具有高度方向性，只能工作在視線范圍內(nèi)。
電力傳輸
圖4 帶諧振變壓器和800W測(cè)試負(fù)載的測(cè)試裝置。接收線圈可以向40Wx20的測(cè)試負(fù)載提供775W電力
無(wú)線電力技術(shù)和應(yīng)用例子
無(wú)線電力傳輸?shù)囊粋€(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)中無(wú)約束的傳感器、激勵(lì)器和消費(fèi)類微型器件的供電。
圖5 對(duì)工作在2GHz的無(wú)線低功耗系統(tǒng)的推薦系統(tǒng)框圖
2009年業(yè)界開(kāi)發(fā)出了一個(gè)運(yùn)行在低射頻功率電平的2GHz無(wú)線電力系統(tǒng)9，它采用了一個(gè)用2.7V初始電壓充電的0.8F超級(jí)電容，能夠在環(huán)境功率為-25.7dBm條件下的10天后存儲(chǔ)額外500mV的電壓。另外一個(gè)這樣的系統(tǒng)例子是由運(yùn)行在2.4GHz的電磁波遠(yuǎn)程供電的一個(gè)WID(Wireless Impedance Device)傳感器。
這里使用了帶18和36個(gè)單元的雙電壓配置的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)整流天線。發(fā)送功率是1W，用了一個(gè)0.1F的超級(jí)電容存儲(chǔ)電能，這個(gè)電容27秒后即可充電至3.6V。然后發(fā)送到基站進(jìn)行收集數(shù)據(jù)的后處理。
圖7 顯示了雙頻整流天線的電路配置。電路離反射板距離17mm。
替換從發(fā)電站到客戶的高壓電力傳輸線纜、鐵塔和變電站。由于短路和電纜問(wèn)題引起的電力故障以及因地形困難而無(wú)法進(jìn)入的電廠將被刪除。電力盜竊也不容易做到。特斯拉的沃登克里弗塔就充分展示了這一點(diǎn)。
圖8 位于紐約州長(zhǎng)島的特斯拉187英尺沃登克里弗塔采用的就是這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在2012年的Intel開(kāi)發(fā)論壇(IDF)上展示的“諧振感應(yīng)式”無(wú)線電力傳輸，他們準(zhǔn)備用這種方法給筆記本電腦和其它便攜式設(shè)備供電
圖9 intel最近展示了從3英尺距離遠(yuǎn)以75%效率給一個(gè)60W白熾燈供電的案例
WiTricity技術(shù)使用耦合式諧振物體。具有相同諧振頻率的兩個(gè)諧振物體能以非常高效的方式交換能量。
圖10 這張圖顯示了電磁場(chǎng)與WiTricity技術(shù)是如何工作的。
能量收集和物聯(lián)網(wǎng)肯定還會(huì)促進(jìn)這一技術(shù)的發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來(lái)這個(gè)行業(yè)定會(huì)迎來(lái)快速的發(fā)展和更新。
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