趙廣立

無尾電氣的到來

日本成功實(shí)驗(yàn)無線輸電，點(diǎn)亮500米外LED燈之前，我國(guó)天津工業(yè)大學(xué)一支研究團(tuán)隊(duì)就在高鐵列車無線供電方面取得重要進(jìn)展，解決了長(zhǎng)期制約高鐵列車安全的技術(shù)難題，而且這項(xiàng)成果是入選2014中國(guó)科協(xié)夏季科學(xué)展的17項(xiàng)前沿科技成果之一。

如果說無線輸電技術(shù)還屬科技前沿，但無線充電技術(shù)已來到我們身邊。手機(jī)、平板電腦、相機(jī)、筆記本……這些移動(dòng)電子產(chǎn)品改變了我們的生活和娛樂方式。但這些移動(dòng)電子設(shè)備都離不開電，走到哪兒都要充電。而伴隨著無線充電技術(shù)走進(jìn)人們視野，充電的煩惱也即將一掃而光。

誰都知道，手機(jī)是最先引入無線充電技術(shù)的電子設(shè)備。華南理工大學(xué)電力學(xué)院副院長(zhǎng)張波告訴記者，現(xiàn)在已涌現(xiàn)出許多手機(jī)無線充電板，但在使用中還存在充電距離、效率以及充電設(shè)備體積問題?！暗S著人們對(duì)無線技術(shù)的認(rèn)識(shí)和輸電水平的提高，在手機(jī)無線充電領(lǐng)域取得大的突破甚至產(chǎn)業(yè)化前景樂觀?！?/p>

據(jù)了解，目前手機(jī)無線充電板多采用電磁感應(yīng)方式進(jìn)行電能傳輸，這種方式傳輸距離較短，給人“無線”印象還不太明顯。

“手機(jī)無線充電技術(shù)已開始應(yīng)用，將來還會(huì)有更新突破與進(jìn)展。”哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院副院長(zhǎng)、智能測(cè)試及信息處理技術(shù)研究所所長(zhǎng)朱春波透露，哈工大研究團(tuán)隊(duì)正在攻克較遠(yuǎn)距離的手機(jī)無線充電技術(shù)。

事實(shí)上，手機(jī)無線充電只是作為應(yīng)用于諸多小功率電子設(shè)備的代表，無線充電技術(shù)的應(yīng)用其實(shí)正延伸到更大功率的電氣設(shè)備上，如海爾即將上市的無線供電無尾電視和無尾廚電。

與手機(jī)和無尾電視相比，人們對(duì)電動(dòng)汽車無線充電想象更加動(dòng)人。

“電動(dòng)車本身還沒得到普及，電動(dòng)汽車的無線充電更無從談起，但技術(shù)上還是越來越近了?！敝齑翰ǜ嬖V記者，電動(dòng)汽車有多種能量補(bǔ)充形式，但對(duì)比傳統(tǒng)傳導(dǎo)式充電，無線充電在安全性和接口標(biāo)準(zhǔn)化方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)可能會(huì)促進(jìn)電動(dòng)汽車的普及。

美國(guó)新聞紀(jì)錄片《誰殺死了EV1》中的EV1是美國(guó)加州一款新型電動(dòng)汽車，受到地方政府和老百姓的喜愛，但在電影結(jié)尾中這款產(chǎn)品被扼殺，原來通用公司的大股東們都是石油巨頭，電動(dòng)汽車的發(fā)展影響到他們的利益，正是他們殺死了深受百姓喜愛的EV1。在這部紀(jì)錄片中，EV1最早用到了非接觸充電技術(shù)，憑感應(yīng)式充電器，充電時(shí)避免了人身傷害危險(xiǎn)，非常安全。

2012 年，美國(guó)斯坦福大學(xué)首次提出“駕駛充電”概念，為電動(dòng)汽車充電提出了新的解決方案，這意味著電動(dòng)汽車可不必停下來充電而無限地跑下去。

設(shè)想一下，如果有一天，人們邊開車邊充電（需在道路設(shè)置無線充電裝置）、停進(jìn)車庫按下按鈕也可以充電。屆時(shí)，這種動(dòng)態(tài)充電與靜態(tài)充電結(jié)合的電動(dòng)汽車，將變成不折不扣的“傻瓜”車。

而在特殊應(yīng)用領(lǐng)域，無線充電技術(shù)早已嶄露頭角。在水下（海底）移動(dòng)裝備的非接觸電源接入、生物醫(yī)電、旋轉(zhuǎn)式設(shè)備、無線傳感器等方面，無線輸電技術(shù)正發(fā)揮著重要作用。

“目前，微小功率的無線輸電技術(shù)實(shí)際應(yīng)用已取得可喜進(jìn)步，研以致用，以用促研?？梢灶A(yù)計(jì)，再用10到15年時(shí)間，無線輸電技術(shù)必將得到大面積推廣應(yīng)用。”重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院黨委書記、電力電子與控制工程研究所所長(zhǎng)孫躍對(duì)無線輸電技術(shù)充滿信心。

無線輸電的前世今生

盡管無線輸電技術(shù)在今天看來屬于前沿新興科技，但早在一百多年前，“無線輸電之父”尼古拉·特斯拉就對(duì)無線輸電展開探索。

19 世紀(jì)末被譽(yù)為“迎來電力時(shí)代的天才”的尼古拉·特斯拉，曾致力于研究無線傳輸信號(hào)及能量的可能性。早在 1899 年，特斯拉在紐約長(zhǎng)島建造了無線電能發(fā)射塔，設(shè)想利用地球本身和大氣電離層為導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)大功率長(zhǎng)距離無線電能傳輸，可惜由于資金缺乏，這個(gè)塔最終并未建成。

2007年6月，美國(guó)麻省理工學(xué)院的馬林·索爾賈?？搜芯啃〗M宣布，利用電磁共振技術(shù)成功點(diǎn)亮了一個(gè)距離電源約2 米遠(yuǎn)的60瓦電燈泡，電能傳輸效率達(dá)到40%。該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)布引起世界范圍內(nèi)磁諧振無線輸電裝置的研發(fā)熱潮，德國(guó)、日本、新西蘭等國(guó)家很快跟進(jìn)了這方面的研究。

麻省理工學(xué)院的研究成果陸續(xù)發(fā)表后，國(guó)內(nèi)還鮮有人知道磁諧振無線輸電技術(shù)，因索爾賈?？说奈恼率菑奈锢韺W(xué)角度闡述的，這對(duì)國(guó)內(nèi)電工學(xué)研究者來說并不容易理解。

2008年，張波和他的學(xué)生對(duì)磁諧振無線輸電用電工學(xué)的方法做了原理性解析，并做出實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，文章發(fā)表在《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》上，成為后來國(guó)內(nèi)無線輸電技術(shù)研究者的必讀文章。

彼時(shí)，朱春波正在哈工大開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面的研究，他發(fā)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展瓶頸技術(shù)之一就是供電技術(shù)。比如埋在路面或建筑物里的無線傳感器，電池電量耗盡就宣告無線傳感器的“壽終正寢”。受到索爾賈?？说膯l(fā)，朱春波帶領(lǐng)學(xué)生闖進(jìn)無線供電這一陌生領(lǐng)域，成為國(guó)內(nèi)研究無線輸電的一支重要力量。2010年圣誕節(jié)前，他的學(xué)生運(yùn)用磁諧振技術(shù)把1.5米高的圣誕樹上的二極管彩燈點(diǎn)亮，還申請(qǐng)了專利。朱春波告訴記者，時(shí)至今日，盡管對(duì)無線輸電領(lǐng)域的研究仍處于起步階段，但人們已表現(xiàn)出越來越多的興趣，對(duì)未來擺脫充電插頭充滿期待。

“一直以來，人們總是在不斷尋求無線輸電實(shí)用技術(shù)方案，并著力推進(jìn)無線輸電技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展。”孫躍說，就目前技術(shù)成熟情況來看，無線輸電技術(shù)主要還是解決移動(dòng)電氣設(shè)備的電能非接觸接入問題，為人們更加便利和安全使用移動(dòng)電氣設(shè)備提供有效解決方案。

無線輸電仍需技術(shù)突破

孫躍指出，盡管國(guó)內(nèi)外在基于電磁感應(yīng)耦合模式無線電能傳輸技術(shù)方面的發(fā)展及應(yīng)用推廣迅速，但目前在功率容量、傳輸效率、傳輸距離及電磁兼容等方面仍待進(jìn)一步突破。

張波則認(rèn)為，目前電磁感應(yīng)、磁諧振等磁場(chǎng)輸電技術(shù)相對(duì)成熟，但受限于周圍環(huán)境影響等因素，傳遞效率和功率均無法滿足人們?nèi)粘Ｐ枰?，這可能意味著人們還未探索到磁場(chǎng)輸電的“終極理論”。

“自然界都有它自己的規(guī)律，磁場(chǎng)傳輸能量肯定是有其路徑，只是我們還沒找到這個(gè)規(guī)律，這需要學(xué)術(shù)界下大力氣去探索?！睆埐▽?duì)記者說，這可能需要信息、控制、電子電力、材料甚至數(shù)學(xué)物理等學(xué)科交叉研究攻關(guān)，一旦探索到磁場(chǎng)傳輸電能的法門，其意義不亞于光纖的發(fā)明。

朱春波在研究中就遇到芯片“功能不夠用”的瓶頸，比如更高頻高功率的芯片，現(xiàn)在市場(chǎng)上還沒有研發(fā)出來?！坝行┬酒粔蛴茫夹g(shù)參數(shù)達(dá)不到我們的要求。如果投入資金開發(fā)可以做出來，但由于短期內(nèi)該芯片不會(huì)有太大需求量，多數(shù)企業(yè)不愿做這樁‘賠本買賣。因此，需要‘賠得起的企業(yè)為長(zhǎng)遠(yuǎn)打算，提前占領(lǐng)市場(chǎng)?！?/p>

此外，還有多位專家表示，國(guó)內(nèi)對(duì)無線輸電技術(shù)方面的研究較少，隊(duì)伍亟需壯大。尤其需要更多年輕人的加入。張波還指出，目前國(guó)內(nèi)外從事研究無線電能傳輸?shù)娜藛T，大部分是來自通信系統(tǒng)、自動(dòng)化等學(xué)科的“外援”，很少有專門做電能研究的科學(xué)家。“無線輸電研究，在認(rèn)識(shí)上還需得到進(jìn)一步重視?！?/p>