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博客

新型无线充电器能为5米外电器充电

已有 296 次阅读2014-4-28 13:52

在若干年前,我们要上网,还得拖根网线,盘踞在某个固定的小角落。而现在,我们可以变换各种姿势,从起居室一路走到卫生间,不间断上网,这要感谢无线网络。若干年后,是否连充电也可以无线化,不用再为一根充电线或电源插座而引发一场“战争”?这想法还是有实现的可能的。

据物理学家组织网4月17日报道,韩国高等科技学院的一个科学家团队,展示了一种名为“偶极线圈共振系统(DCRS)”的无线供电装置,使感应输电的范围大大扩展,传输与接收线圈间的距离达到5米。未来,有可能让用户扔掉手机和平板电脑充电器。

无线充电范围更远效率更高

无线充电看似是一项新发展的技术,其实存在的时间并不短。

2007年,美国麻省理工学院的研究团队,把共振运用到电磁波的传输上,成功“抓住”了电磁波。他们采用一种耦合磁共振系统(CMRS),利用铜制线圈作为电磁共振器,一团线圈附在传送电力方,另一团在接受电力方。当传送方送出某特定频率的电磁波后,经过电磁场扩散到接受方,电力就实现了无线传导。当时,这项实验成功为一个2.1米远的60瓦灯泡供电。这项研究成果发布到著名的《科学》杂志网站上后,引起了巨大反响。自那时起,远距离无线电能传输,吸引了诸多科学家。

此次,韩国高等科技学院原子核与量子工程教授Chun T.Rim的研究小组,则改良了麻省理工学院的技术限制,如复杂的线圈结构,笨重的谐低传输效率和对温度、湿度及人类肉体的敏感性。研究人员称,二者的不同之处在于,他们的系统支持的范围更远,而且更加有效率。

他们优化了线圈结构,将其设计为两个磁极的双极线圈,主线圈产生感应磁场,副线圈接收电能。CMRS中用的是大而笨重的环形空心线圈,而DCRS用的是密压铁氧体磁心线圈,主线圈中的高频交流电产生磁场,然后耦合变化的磁通量,会在副线圈产生感应电压。

并且,DCRS明显小于CMRS,只有3米长、10厘米宽、20厘米高,可升级,系统对环境变化的抵抗力也提高了20倍,能在低频100千赫下良好运行。在多次实验中,研究小组得到的结果很有前景:比如在20千赫频率下操作,3米远处获得的最大输出功率为1403瓦,4米远处为471瓦,5米远处为209瓦;而传输100瓦电力,整个系统的功率效率在3米远处为36.9%,4米为18.7%,5米为9.2%。

能为5米外的电器充电

此无线充电器使用双极长磁性线圈,对设备进行充电,主要通过感应充电方式进行。在试验状态下, DCRS可以从5米远的地方,给一台大型LED电视和三个40瓦的电风扇,还有数台智能手机提供电能。

该小组还测试了该技术在紧急情况下的可用性。今年3月,Rim教授的小组还与韩国水电核电有限公司,合作完成了一次实验,以远程传输方式,给核电厂的基本仪器和控制设备供电,以应对像日本福岛核电站那样的紧急事件。当时,他们给距离发电装置7米远处的核电站,成功传输了10瓦的电力。

不过,这套DCRS系统目前还只是一种原型,业界认为,这种技术一旦投放市场,可能会以更好的名字出现。

Rim教授表示,虽然这项技术目前还不适合推向市场,但是却为公共场所提供了继WiFi覆盖之后的另一个解决方案,这个DCRS系统将会在机场等公共场所提供无线充电服务,能让用户到某个区域就能自动对设备充电,而且不会出现太过密集的情况。

他说:“我们的技术证明了远距离电力传输机制的可行性。虽然远程无线电力传输目前还处于商业化早期阶段,实施成本相当高昂,但我们相信这是未来供电传输的正确方向。就像我们如今的WiFi无处不在一样,将来我们也可以有很多无线供电区,遍布餐馆和街道。人们到哪里都能使用各种电子设备,而不用带着一堆纠缠的线,我们可以随时随地无须担心充电,畅快地使用便携式设备。”

无线充电技术基于电感耦合

不少小伙伴估计要问,这种看上去便捷的充电方式,到底原理是什么?

其实,这是传统的电磁感应技术的新应用。无线充电又称作感应充电,是利用近场感应,也就是电感耦合,“类似高中学的,由尼古拉·特斯拉发现的特斯拉线圈。”浙江大学机械工程学系副教授李德骏向记者解释,简单地来说,电感耦合涉及两个耦合线圈,两个线圈之间没有物理接触,不过两者距离非常接近,当其中一个线圈被磁化后,发出磁场,另外一个线圈感应到磁场就会产生感应电流。

而应用到电器充电上,就是由供电设备(充电器)将能量传送至用电装置,该装置使用接收到的能量对电池充电,并同时供其本身运作之用。由于充电器与用电装置之间,以电感耦合传送能量,两者之间可以不用电线连接。

不过,仅仅是电感耦合所产生的电量并不高,所以需要增强磁共振产生的能量,把电感耦合产生电流的强度,放大至相当的高度。“目前该技术已经运用在变压器、交流电动机及笔记本电脑等上面。”李德骏副教授表示。

另外,电磁感应解决方案在技术实现上并无太多神秘感,国内无线充电研究和应用已经起步,目前申请的相关专利数量至少有数十项,不过大多数与手机充电不相关。中国本土的比亚迪公司,早在2005年12月申请的非接触感应式充电器专利,就使用了电磁感应技术。

目前在消费电子领域出现了无线充电的研发热潮,三星、谷歌等厂商均将这项技术应用到产品之中,苹果也申请了无线充电相关专利。

纵深

无线充电

有哪些优势和不足?

问:既然便捷,为何这项技术没有得到推广呢?

李德骏:要把无线充电的传输距离扩展到商业应用程度,技术上还有许多局限,比如复杂的线圈结构、庞大的共振线圈、传输与接收线圈的高频要求等,都会使传输效率低下,而且共振线圈对周围环境,如温度、湿度和人的接近等非常敏感。并且这项技术要在消费电子等设备上完美实现,需要保证电磁波只辐射到手机接收部分,不会影响到人体健康,或干扰其他设备。通常而言,它的电磁波要达到上万赫兹,而像路由器,只有0.001赫兹级别。要是让整个房间都充斥这种高频率的电磁波,对人体健康估计并不会有太大益处。此外,保证足够的传输效率也很重要。有资料说,有线充电的效率只有80%多,而无线充电号称达到90%的传输效率,但有专家表示,在手机外壳5mm厚度的情况下,无线充电的传输效率最高能达到70%。而较短的充电距离,也是这项技术的一个命门,在技术成熟之前,价格也是阻碍其进一步普及的因素。

问:它有什么优势或者好处?

李德骏:在一些特殊的地方,比如说矿山,电线可能会产生电火花,会引起爆炸等后果;再比如水下,拖根电缆下去,万一有些地方没包好,裸露在外面,就有可能漏电;在太空,更不可能拉根电线来充电。在这些地方,无线充电技术就能大展拳脚。还有就是一些人造器官等设备,需要充电,可以不用像现在一样,在肚子上打个洞,接根电线出来,以后直接感应式充电就可以了。家庭装潢的时候,卫生间是比较潮湿的地方,插座暴露在空气中,有短路的风险存在,而感应式充电,就不存在漏电短路的风险。另外,据我了解,电动游船公司也有这方面的需求,毕竟充电电线沾到水,存在不小的安全隐患。

问:这种充电方式到底安不安全?

李德骏:我认为,应该比我们现在普通的充电方式要安全,至少不会有漏电的危险存在。


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