无线输电：引领无尾电气时代
发布时间：2013-7-29 16:35
发布者：1770309616
|
科幻惊悚电影《诡丝》中大胆设置了这样一个场景：一个小男孩死去后被埋在电磁共振区，由于电磁共振效应可以源源不断地给他的心脏补充能量，小男孩在能量场的防护下，尸体不会腐烂…… 影片编剧畅想电磁共振直接对生物体的心脏供能，未免太过于科幻了。电影虽是虚构，但因电磁共振兴起的无线输电技术，却是地地道道的科技前沿，而且并非遥不可及。 
▲特斯拉线圈 
▲无线输电示意 无尾电器的到来 如果说无线输电技术还属科技前沿，但无线充电技术已来到我们身边。手机、平板电脑、相机、笔记本……这些移动电子产品改变了我们的生活和娱乐方式。然而，这些移动电子设备都离不开电，走到哪儿都要充。伴随着无线充电技术走进人们的视野，充电的烦恼可能即将一扫而光。 手机是最先引入无线充电技术的电子设备。华南理工大学电力学院副院长张波告诉《中国科学报》记者，现在已经涌现出了许多手机无线充电板，但在使用中还存在着充电距离、效率以及充电设备体积的问题。“但我个人认为，随着人们对无线技术的认识和输电水平的提高，在手机无线充电领域取得大的突破甚至产业化前景乐观。” 据了解，目前手机的无线充电板多采用电磁感应方式进行电能传输，这种方式传输距离较短，给人“无线”的印象还不太明显。 “手机的无线充电技术已经开始得到应用，将来还会有更新的突破与进展。”哈尔滨工业大学电气学院副院长、智能测试及信息处理技术研究所所长朱春波在接受《中国科学报》记者采访时透露，哈工大的研究团队正在攻克较远距离的手机无线充电技术。 事实上，手机无线充电只是作为应用于诸多小功率电子设备的代表，其实，无线充电技术的应用正延伸到更大功率的电气设备上，例如，海尔即将上市的无线供电的无尾电视和无尾厨电。 与手机和无尾电视相比，人们对电动汽车无线充电的想象更加动人。 “电动车本身还没有得到普及，电动汽车的无线充电更无从谈起，但技术上还是越来越近了。”朱春波告诉记者，电动汽车有多种能量补充的形式，但对比传统传导式充电，无线充电在安全性和接口标准化方面具有无可比拟的优势，这些优势可能会促进电动汽车的普及。 美国新闻纪录片《谁杀死了EV1》中的EV1是美国加州一款新型电动汽车，受到了地方政府和老百姓的喜爱。但是，在电影的结尾中这款产品被扼杀了，原来通用公司的大股东们都是石油巨头，电动汽车的发展影响到了他们的利益，正是他们杀死了深受百姓喜爱的EV1。在这部纪录片中，EV1最早用到了非接触充电技术，凭着感应式充电器，充电时避免了人身伤害的危险，非常安全。 2012 年，美国斯坦福大学首次提出了“驾驶充电”的概念，为电动汽车充电提出了新的解决方案，这意味着电动汽车可以不必停下来充电而无限地跑下去。 设想一下，如果有一天，人们边开车边充电（需在道路设置无线充电装置）、停进车库按下按钮也可以充电。届时这种动态充电与静态充电结合的电动汽车将变成不折不扣的“傻瓜”车。 在特殊应用领域，无线充电技术早已崭露头角。在水下（海底）移动装备的非接触电源接入、生物医电、旋转式设备、无线传感器等方面，无线输电技术正发挥着重要作用。 “目前，微小功率的无线输电技术实际应用已经取得可喜的进步，研以致用，以用促研。可以预计，再用10到15年的时间，无线输电技术必将得到大面积推广应用。”重庆大学自动化学院党委书记、电力电子与控制工程研究所所长孙跃对无线输电技术充满信心。 无线输电的前世今生 尽管无线输电技术在今天看来属于前沿新兴科技，但早在一百多年前，“无线输电之父”尼古拉·特斯拉就对无线输电展开了探索。 19 世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”的尼古拉·特斯拉，曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性。早在 1899 年，特斯拉在纽约长岛建造了无线电能发射塔（沃登克里弗塔），设想利用地球本身和大气电离层为导体来实现大功率长距离的无线电能传输，可惜由于资金缺乏，这个塔最终并未建成。 2007年6月，美国麻省理工学院的马林·索尔贾希克的研究小组宣布，利用电磁共振技术成功点亮了一个距离电源约2 米远的60瓦电灯泡，电能传输效率达到了40%。该项技术的发布引起了世界范围内磁谐振无线输电装置的研发热潮，德国、日本、新西兰等国家很快跟进了这方面的研究。 麻省理工学院的研究成果陆续发表之后，国内还鲜有人知道磁谐振无线输电技术，因为索尔贾希克的文章是从物理学角度阐述的，这对于国内电工学研究者来说并不容易理解。 2008年，张波和他的学生对磁谐振无线输电用电工学的方法做了原理性的解析，并做出实验进行验证，文章发表在《中国电机工程学报》上，成为后来国内无线输电技术研究者的必读文章。 彼时，朱春波正在哈工大开展无线传感器网络应用方面的研究，他发现无线传感器网络发展的瓶颈技术之一就是供电技术。比如埋在路面或建筑物里的无线传感器，电池电量耗尽就宣告了无线传感器的“寿终正寝”。受到索尔贾希克的启发，朱春波带领学生闯进了无线供电这一陌生领域，成为国内研究无线输电的一支重要力量。2010年圣诞节前，他的学生运用磁谐振技术把1.5米高的圣诞树上的二极管彩灯点亮，还申请了专利。 朱春波告诉《中国科学报》记者，时至今日，尽管对无线输电领域的研究仍处于起步阶段，但人们已经表现出了越来越多的兴趣，对未来摆脱充电插头充满期待。 “一直以来，人们总是在不断寻求无线输电的实用技术方案，并着力推进无线输电技术的实用化发展。”孙跃说，就目前技术成熟情况来看，无线输电技术主要还是解决移动电气设备的电能非接触接入问题，为人们更加便利和安全地使用移动电气设备提供有效的解决方案。 无线输电仍需技术突破 孙跃指出，尽管国内外在基于电磁感应耦合模式的无线电能传输技术方面的发展及应用推广迅速，但目前在功率容量、传输效率、传输距离及电磁兼容等方面仍待进一步突破。 张波则认为，目前电磁感应、磁谐振等磁场输电技术相对成熟，但受限于周围环境影响等因素，传递效率和功率均无法满足人们日常需要，这可能意味着人们还未探索到磁场输电的“终极理论”。 “自然界都有它自己的规律，磁场传输能量肯定是有其路径，只是我们还没有找到这个规律，这需要我们学术界下大力气去探索。”张波对记者说，这可能需要信息、控制、电子电力、材料甚至数学物理等学科交叉研究攻关，一旦探索到磁场传输电能的法门，其意义不亚于光纤的发明。 朱春波在研究中就遇到了芯片“功能不够用”的瓶颈，比如更高频高功率的芯片，现在市场上还没有研发出来。 “有些芯片不够用，技术参数达不到我们的要求。”朱春波说，如果投入资金开发，是可以做出来的。但是，由于短期内该芯片不会有太大的需求量，多数企业不愿意做这桩“赔本买卖”。因此，他认为，这需要“赔得起”的企业为长远打算，提前占领市场。 此外，多位专家纷纷表示，国内对无线输电技术方面的研究较少，队伍亟需壮大。尤其需要更多年轻人的加入。 张波还指出，目前国内外从事研究无线电能传输的人员，大部分是来自通信系统、自动化等学科的“外援”，很少有专门做电能研究的科学家。他认为，无线输电研究在认识上还需得到进一步重视。 延伸阅读 无线输电是否对人体有影响 磁场输电会否对人体产生危害？专家表示，尽管国际、国内制定了相关的磁场接入标准，规定了磁场在何种频率下不得高于某一量值，但目前还不能量化磁场对人体的影响程度。 张波认为，从目前已发表的研究成果而言，磁谐振从某种意义上相当于能量在空间中实现了短路，但这意味着需要有路径，而人体并不是它的短路线，磁场会绕过人体这一“障碍物”。 麻省理工学院在2007年公布其研究成果时，同时公布了一张其研究团队的合影照，在这张照片中，研究人员坐在磁场发射线圈和接收线圈中间，一侧的白炽灯泡仍能正常点亮。 张波告诉《中国科学报》记者，实际上该团队还做了另外一个实验，即在其磁场发射和接收线圈中间加了一个金属板（金属板起屏蔽磁场的作用），灯泡同样可以点亮，说明磁场传输电能时绕过了金属板，这和磁场绕过人的原理类似。 “尽管如此，目前尚无科学的数据证明这一结论，这可能需要专门的研究团队去做测试。而如果磁场传输电能要普及推广，这个测试结论一定要科学、可靠。”张波强调说。 朱春波指出，出于对包括人类在内的生物体的保护的角度，无线电能传输同样要满足电磁标准的要求，不满足不能进入市场。 索尔贾希克在其成果文章中表示，人们本就生活在地磁场中，对磁是不敏感的，有些人还专门购买磁化设备用于“磁疗”，认为磁场对人的伤害有限。朱春波认为这有个前提：在低频磁场下。因为高频磁场容易产生电场，近场高频会不会对人体造成伤害，尚难评估。另外，他还指出，有些伤害可能一时难以表现出，这还有待对磁场长期影响的研究。 需要说明的是，现在手机上采用的无线充电技术，功率、能量很低，传输距离很近，磁场对人体的影响很小。而如果研究远距离电能传输，就应该将磁场辐射的影响考虑在内。 《中国科学报》 (2013-07-26 第9版 探索周刊) |
网友评论