引言
我們都知道,，無線能源似乎是一個(gè)聽起來很棒的新奇概念,，但是我們很難想象會(huì)很快將它實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,。
“無線充電”顧名思義就是利用一種特殊設(shè)備將電源插座的電力轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙潆姷碾姴ǎ瑥亩谌拥綦娋€的情況下直接對(duì)電子設(shè)備充電,。
無線充電大致上是通過磁場(chǎng)輸送能量,，而人類以及人類身邊的絕大多數(shù)物件都是非磁性的。 無線充電還有一個(gè)好處是省電,，無線充電設(shè)備的效能接收在70%左右，和有線充電設(shè)備相等,，但是它具備電滿自動(dòng)關(guān)閉功能,，避免了不必要的能耗。而且,，這個(gè)效能接收率在不斷提高,，很快將能達(dá)到98%。
無線充電設(shè)備比普通充電器“聰明”很多,，對(duì)于不同的電子產(chǎn)品,，電源接口能自動(dòng)對(duì)應(yīng)，需要充電時(shí),，發(fā)射器和接收芯片會(huì)同時(shí)自動(dòng)開始工作,，充滿電時(shí)，兩方就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉,。它還能自動(dòng)識(shí)別不同的設(shè)備和能量需求,，進(jìn)行‘個(gè)性化工作’,，這就是智能。
1 無線充電技術(shù)
其實(shí)早在1890年,，物理學(xué)家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）就已經(jīng)做了無線輸電試驗(yàn)（圖1）,。他提出并實(shí)現(xiàn)了交流發(fā)電。磁感應(yīng)強(qiáng)度的國際單位制也是以他的名字命名的,。特斯拉構(gòu)想的無線輸電方法,，是把地球作為內(nèi)導(dǎo)體、地球電離層作為外導(dǎo)體,，通過放大發(fā)射機(jī)以徑向電磁波振蕩模式,，在地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振，再利用環(huán)繞地球的表面電磁波來傳輸能量,。但因財(cái)力不足,，特斯拉的大膽構(gòu)想并沒有得到實(shí)現(xiàn)。后人雖然從理論上完全證實(shí)了這種方案的可行性,，但世界還沒有實(shí)現(xiàn)大同,，想要在世界范圍內(nèi)進(jìn)行能量廣播和免費(fèi)獲取也是不可能的。因此,，一個(gè)偉大的科學(xué)設(shè)想就這樣胎死腹中,。
特斯拉進(jìn)行無線電力傳輸實(shí)驗(yàn)
事實(shí)上，從低頻波到宇宙射線,，我們周圍到處存在著電磁波,，它們都攜帶著或多或少的能量。在不少物理學(xué)家看來,，人們要做的或許僅僅是找到合適的辦法接收和利用這些能量,。特斯拉的想法雖然難成現(xiàn)實(shí)，但無線電能傳輸對(duì)于新能源的開發(fā)和利用,、解決未來能源短缺問題有著重要的意義,，因此，許多國家都沒有放棄這方面的研究,。1968年,，美國工程師彼得·格拉澤（Peter Glaser）提出了空間太陽能發(fā)電（Space Solar Power，SSP）的概念,，其構(gòu)想是在地球外層空間建立太陽能發(fā)電基地,，通過微波將電能傳輸回地球（圖2），并通過整流天線把微波轉(zhuǎn)換成電能,。1979年,，美國航空航天局NASA和美國能源部聯(lián)合提出太陽能計(jì)劃-建立“SPS太陽能衛(wèi)星基準(zhǔn)系統(tǒng)”。歐盟則在非洲的留尼汪島建造了一座10萬千瓦的實(shí)驗(yàn)型微波輸電裝置，已于2003年向當(dāng)?shù)卮迩f送電,。野心勃勃的日本擬于2020年建造試驗(yàn)型太空太陽能發(fā)電站SPS2000,，2050年進(jìn)入規(guī)模運(yùn)行。
其實(shí),，無線充電技術(shù)離我們這些普通人也并非遙不可及,。相信一定有人使用過某種品牌的電動(dòng)牙刷（圖3），只要將牙刷插入220V的充電座上即可實(shí)現(xiàn)不接觸的無線充電,，使用起來很方便,。這種無線充電就是利用電磁感應(yīng)原理，解決了潮濕環(huán)境下的用電安全問題,。
無線電能傳輸有電磁感應(yīng),、射頻和微波三種基本方式，這三種技術(shù)分別適用于近程,、中短程與遠(yuǎn)程電力傳送,。但每種無線充電方式都有一些缺點(diǎn)，從而限制了它的發(fā)展,。例如電磁感應(yīng)方式傳送能量較小,、傳送范圍較小等，這也是為什么電動(dòng)牙刷必須放在充電座上才能充電,，而不能將牙刷任意擺放的原因,。所以，現(xiàn)在各家公司的研究方向就是對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行改良和完善,，從而最終實(shí)現(xiàn)商品化,。
2 感應(yīng)“墊子”上市，無線充電不是夢(mèng)想
香港城市大學(xué)的許樹源教授早在幾年前就曾經(jīng)成功研制出一種“無線電池充電平臺(tái)”,，可將數(shù)個(gè)電子產(chǎn)品放在一個(gè)充電平臺(tái)上,，透過低頻電磁場(chǎng)充電，充電時(shí)間與傳統(tǒng)充電器無異,，技術(shù)實(shí)現(xiàn)也不深?yuàn)W,。這種無線電池充電平臺(tái)利用的就是變壓器原理-變化的磁場(chǎng)中閉合的金屬線圈會(huì)產(chǎn)生電流。而英國SplashPower公司2005年初上市的無線充電器Splash pads（圖4）,，就是變壓器原理商業(yè)化的無線充電產(chǎn)品。
Splash Pads看上去就像一塊柔軟的鼠標(biāo)墊,，它的塑膠薄膜里面裝有產(chǎn)生磁場(chǎng)的小線圈陣列（變壓器原邊）,，以及由磁性合金繞以電線制成的口香糖大小的接收線圈（變壓器副邊，可以貼在電子設(shè)備上,，圖5）,。在CES 2007上，WildCharge公司也推出了兩款無線充電器產(chǎn)品WildCharger和WildCharger-Mini（圖6）。WildCharge的無線充電器與SpashPower公司的產(chǎn)品外觀非常相似,，也是墊子模樣的東西,。WildCharger的功率較大，除了可以給手機(jī)和媒體播放器充電以外,，還可以為筆記本電腦充電,，而WildCharger-Mini畢竟個(gè)子小，只能給手機(jī)等小型設(shè)備充電,。據(jù)稱WildCharge公司將從最近開始在網(wǎng)上銷售這類無線充電產(chǎn)品,。
圖5電磁感應(yīng)方式的無線充電原理
3 解決無線電力傳輸?shù)木嚯x問題——共振
既然電磁感應(yīng)方式實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜，為什么使用該類技術(shù)的無線充電器普及這么困難呢,？簡(jiǎn)單地說,，最大障礙就在“傳輸距離”方面。眾所周知,，傳輸電力即便通過金屬線路傳輸,，距離遠(yuǎn)了也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的線路損耗，更別提通過空氣傳輸了--距離增大以后感應(yīng)的能量會(huì)迅速減少,?？梢韵胂螅谝恍┨厥忸I(lǐng)域如果不能突破距離限制,，無線充電已經(jīng)毫無意義,。例如植入體內(nèi)的儀器，難道必須施行外科手術(shù)才能更換電池,。太可怕了,！還有那種安置在動(dòng)物身上的無線定位裝置，怎樣為其補(bǔ)充電能也很關(guān)鍵,。
為了在無線傳輸距離上有所突破,，MIT的助理教授馬林·索爾賈希克（Marin Soljacic）和他的研究小組在長達(dá)4年的實(shí)驗(yàn)研究中終于獲得重大突破,。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)直徑為50cm的銅線圈,，通過調(diào)整發(fā)射頻率使兩個(gè)線圈在10MHz產(chǎn)生共振，從而成功點(diǎn)亮了距離電力發(fā)射端2m以外的一盞60W燈泡,。而且,，即使在電源與燈泡中間擺上木頭、金屬或其它電器,，都不會(huì)影響燈泡發(fā)光（圖7）,。
圖7兩個(gè)線圈之間用木板隔斷，對(duì)傳輸效果毫無影響
同時(shí),，MIT的科學(xué)家們還對(duì)無線電力傳輸理論進(jìn)行了研究,。他們確定了兩個(gè)電磁線圈之間形成磁場(chǎng)強(qiáng)耦合的條件,，并給出了富有啟發(fā)性的結(jié)論：
a.可行性。通常情況下,，電磁輻射具有發(fā)散性,，相隔較遠(yuǎn)的接收器只能接收到發(fā)射能量的極小一部分。而當(dāng)接收天線的固有頻率與發(fā)射端的電磁場(chǎng)頻率一致時(shí),，就會(huì)產(chǎn)生共振,，此時(shí)磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，無線電力的傳輸效率大幅度提高,。MIT的實(shí)驗(yàn)表明,，當(dāng)收發(fā)雙方相隔2m時(shí)，傳輸60W功率的輻射損失僅為5W,。因此,，在幾米內(nèi)“中程”（相較于“近程”和“遠(yuǎn)程”而言）傳輸電力是可行的。
b.安全性,。從電磁理論而方,，人體作為非磁性物體，暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中不會(huì)有任何風(fēng)險(xiǎn),。醫(yī)院對(duì)病人進(jìn)行核磁共振檢查時(shí),，磁場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)B～1T也不會(huì)傷害人體。相比之下,，共振狀態(tài)下磁場(chǎng)強(qiáng)度處于B～10-4 T數(shù)量級(jí),，僅相當(dāng)于地磁場(chǎng)的強(qiáng)度，因此不會(huì)對(duì)人體構(gòu)成危害（圖8）,。
圖8索爾賈?？耍ǖ诙抛笠唬┡cMIT研究小組成員在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)線圈之間留影，以消除人們對(duì)磁場(chǎng)輻射的擔(dān)心,。
4 長江后浪推前浪,，射頻充電器更勝一籌
就在MIT科學(xué)家的研究工作取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展的輝煌時(shí)刻，一家名為Powercast的公司突然推出了一種適合中短距離使用的無線充電裝置,。與前面提到的SplashPower和WildCharge兩家公司的接觸式充電器不同,，Powercast公司的射頻充電器不需要充電墊子，電子設(shè)備擱置在距離發(fā)送器約1m范圍內(nèi)的任何地方都可以充電,。
Powercast公司的無線充電系統(tǒng)包括一個(gè)安裝在墻上的發(fā)送器以及可以安裝在電子產(chǎn)品上的接收器（圖9）,。發(fā)送器這邊利用915MHz頻段把射頻能量發(fā)送出去，而接收器則利用共振線圈吸收射頻電波,。
圖9收發(fā)雙方通過共振圈傳輸能量
5 Tips
目前國際上廣泛采用的射頻頻率分布于低頻（125KHz）,、高頻（13.54MHz）、超高頻（850MHz～910MHz）和微波（2.45GHz）4個(gè)波段,。無線射頻識(shí)別（RFID）通常使用超高頻波段的頻率,，而Wi-Fi信號(hào)則是使用頻率為2.4GHz的微波。MIT研究小組在進(jìn)行無線電力傳輸實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的頻率為4～10MHz,。據(jù)說Powercast公司曾嘗試過使用上述各種波段的射頻電波進(jìn)行電力傳輸,，但只有當(dāng)頻率為900MHz左右時(shí)接收到的能量最強(qiáng)。
射頻電能傳輸與老式的礦石收音機(jī)的收音過程相似,。礦石收音機(jī)自身沒有直流電源,，它利用天線接收來自電臺(tái)的載波，經(jīng)過檢波后在聽筒中產(chǎn)生音頻電流,。Powercast公司聲稱,，這個(gè)無線充電系統(tǒng)絕不比一部收音機(jī)復(fù)雜，而且造價(jià)低廉,，基本接收裝置成本只需5美元,。依賴這樣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，Powercast公司已與手機(jī),、MP3,、汽車配件、體溫表,、助聽器及人體植入儀器等產(chǎn)品的百多家生產(chǎn)廠商簽署了合作協(xié)議,，還會(huì)與飛利浦合作在今年年內(nèi)推出無線充電的LED電筒、明年推出包括鍵盤/鼠標(biāo)在內(nèi)的更多無線電腦外設(shè),。
除了Powercast以外,，制造射頻充電器的還有Fulton和Visteon公司。Fulton公司開發(fā)了eCoupled無線充電技術(shù),，據(jù)說這種充電器與被充電產(chǎn)品都同樣采用了共振感應(yīng)技術(shù),，充電器能夠自動(dòng)地通過超高頻電波尋找待充電電器，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率,。目前,，該公司正與Herman Miller家具公司聯(lián)合開發(fā)備有無線充電器的辦公桌。而Visteon公司則計(jì)劃為Motorola手機(jī)和Apple的iPod生產(chǎn)eCoupled無線充電器,。