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无中生电

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385e4b31f5cc19a70afb1ee5bc3ca0ee 磁耦合技术供电的展示

无线输电并非天方夜谭

早在1890年,尼古拉·特斯拉这位现代交流电系统的奠基者就开始构想无线供电方法,最后提出了一个非常宏大的方案。他要把地球作为内导体、距离地面约60千米的电离层作为外导体,在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振,再利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力。他想像广播一样,将电能传遍全球。为此,他在纽约长岛建立了57米高的瓦登克里夫塔来实现这一构想,但最终因为资金不足和第一次世界大战的爆发而被迫放弃。

我们现在可以从理论上证明特斯拉的方案的确可行;但是出于世界上各个国家的区隔,这种“天下大同”的设想在短时间内恐怕不会成为现实。虽然如此,从空气中获取电能早已并非天方夜谭。

其中最受瞩目的方式,莫过于利用太阳能发电。来自太阳的电磁波可以经由半导体材料转化成电能,这早已不是什么秘密;事实上,太阳能光伏早已经成了一门巨大的产业。但是,这种技术并不能让我们的家用电器和智能手机脱离电线。

2007年6月,麻省理工大学的一个研究团队实现了两米距离上的无线输电,效率达到了40%。这种技术基于“磁耦合共振”的原理而实现,将发送端和接收端的线圈调校成了一个磁共振系统,当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时,接收端产生共振,从而实现了能量的传输。一年后,英特尔西雅图实验室的约书亚·史密斯团队将无线电力的传输效率提升到了75%;而又过了一年,麻省理工学院的小组声称已经把效率提升到90%了。这意味着,如果我们想的话,家里的大部分电器已经可以无需再拖着一长条电线了。

 寻找未知的可能

磁耦合技术的缺点在于它的工作距离有限,而且发送和接收装置都体积偏大。有研究者曾经做过实验,证明了这种技术可以帮助人们在那些体内植入设备供电,但是也需要对生活环境大幅改装才行。出于同样的原因,它对于随身通信设备来说也并不可行。

利用太阳能来为移动设备供电也不可行,主要原因是光伏设备需要长期受阳光照射的表面。如果想要更好的电能来源的话,也许那些能够穿透衣服的、波长更短的电磁波会成为可能的方向。也许类似RFID的技术会更有前途一些。

RFID技术早已出现在每个人的钱包里,几乎所有的公共交通卡都采用了这种技术。它的供电原理与变压器的原理类似:读卡机周围有一个快速变化的磁场,RFID卡进入这个磁场时,卡中的线圈内就会产生感应电压。当电压够高时会激活RFID芯片,并且把芯片的编号通过线圈发射出去被读卡机接收。事实上,RFID卡的无线供电技术和变压器是一样的,都来源于电磁感应。

传统上,RFID这类设备的通讯距离是有限的,但是和磁耦合共振相比,RFID所需的设备体积不大,功耗也可以接受。现在用这种技术来为手机供电可能并不现实,但是研究者已经开始乐观起来了,因为他们找到了新的应用环境:需要大量传感器和数据通信的物联网。

曾经开发过无线供电系统的约书亚·史密斯和同事们在前不久发表了一篇论文,提出了用空气中无线电波来为卫星通讯设备供电的设想。他们已经开发出了几套原型设备,运行得还不错。其中一个是仅重36毫克的生物传感设备,安装在蜻蜓背上,用来检测蜻蜓在捕食飞行中的神经信号数据。这套设备从发射设备的无线电信号中接收电能,用一系列二极管把它转化成直流电并提升电压,直到能够驱动传感芯片工作为止。然后,它将获得的信号用同样的天线发送回接收站,传输速率高达5Mbps左右。

如此高的通信速率足以满足日常使用的需求。而最吸引人的一点,是这种设备让人们看到了物联网节点的新模型;小型传感器、结构简单、体积微小、可以自组织通信,以及无需电源。研究者将这种无线供电的设备称作“射频供电计算”,它可能让物联网技术迈进一个新时代。

约书亚·史密斯认为在未来几年中,射频供能计算会从一个研究方向转变成一大类消费产品。人们需要大量微小的传感器来改善自己的生活,帮自己随时监控生活中的各种环境参数。在没有无线供电技术之前,单是维护这些设备的成本就足以让物联网发展停滞不前。而现在,这将不会是问题了。

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