無線輸電：引領無尾電氣時代

趙廣立

無尾電氣的到來

日本成功實驗無線輸電，點亮500米外LED燈之前，我國天津工業(yè)大學一支研究團隊就在高鐵列車無線供電方面取得重要進展，解決了長期制約高鐵列車安全的技術難題，而且這項成果是入選2014中國科協(xié)夏季科學展的17項前沿科技成果之一。

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

誰都知道，手機是最先引入無線充電技術的電子設備。華南理工大學電力學院副院長張波告訴記者，現(xiàn)在已涌現(xiàn)出許多手機無線充電板，但在使用中還存在充電距離、效率以及充電設備體積問題?！暗S著人們對無線技術的認識和輸電水平的提高，在手機無線充電領域取得大的突破甚至產業(yè)化前景樂觀。”

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

“手機無線充電技術已開始應用，將來還會有更新突破與進展?！惫枮I工業(yè)大學電氣學院副院長、智能測試及信息處理技術研究所所長朱春波透露，哈工大研究團隊正在攻克較遠距離的手機無線充電技術。

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

與手機和無尾電視相比，人們對電動汽車無線充電想象更加動人。

“電動車本身還沒得到普及，電動汽車的無線充電更無從談起，但技術上還是越來越近了?！敝齑翰ǜ嬖V記者，電動汽車有多種能量補充形式，但對比傳統(tǒng)傳導式充電，無線充電在安全性和接口標準化方面具有無可比擬的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢可能會促進電動汽車的普及。

美國新聞紀錄片《誰殺死了EV1》中的EV1是美國加州一款新型電動汽車，受到地方政府和老百姓的喜愛，但在電影結尾中這款產品被扼殺，原來通用公司的大股東們都是石油巨頭，電動汽車的發(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。在這部紀錄片中，EV1最早用到了非接觸充電技術，憑感應式充電器，充電時避免了人身傷害危險，非常安全。

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

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

而在特殊應用領域，無線充電技術早已嶄露頭角。在水下（海底）移動裝備的非接觸電源接入、生物醫(yī)電、旋轉式設備、無線傳感器等方面，無線輸電技術正發(fā)揮著重要作用。

“目前，微小功率的無線輸電技術實際應用已取得可喜進步，研以致用，以用促研?？梢灶A計，再用10到15年時間，無線輸電技術必將得到大面積推廣應用?！敝貞c大學自動化學院黨委書記、電力電子與控制工程研究所所長孫躍對無線輸電技術充滿信心。

無線輸電的前世今生

盡管無線輸電技術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·特斯拉就對無線輸電展開探索。

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

2007年6月，美國麻省理工學院的馬林·索爾賈?？搜芯啃〗M宣布，利用電磁共振技術成功點亮了一個距離電源約2 米遠的60瓦電燈泡，電能傳輸效率達到40%。該項技術的發(fā)布引起世界范圍內磁諧振無線輸電裝置的研發(fā)熱潮，德國、日本、新西蘭等國家很快跟進了這方面的研究。

麻省理工學院的研究成果陸續(xù)發(fā)表后，國內還鮮有人知道磁諧振無線輸電技術，因索爾賈希克的文章是從物理學角度闡述的，這對國內電工學研究者來說并不容易理解。

2008年，張波和他的學生對磁諧振無線輸電用電工學的方法做了原理性解析，并做出實驗進行驗證，文章發(fā)表在《中國電機工程學報》上，成為后來國內無線輸電技術研究者的必讀文章。

彼時，朱春波正在哈工大開展無線傳感器網絡應用方面的研究，他發(fā)現(xiàn)無線傳感器網絡發(fā)展瓶頸技術之一就是供電技術。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”。受到索爾賈希克的啟發(fā)，朱春波帶領學生闖進無線供電這一陌生領域，成為國內研究無線輸電的一支重要力量。2010年圣誕節(jié)前，他的學生運用磁諧振技術把1.5米高的圣誕樹上的二極管彩燈點亮，還申請了專利。朱春波告訴記者，時至今日，盡管對無線輸電領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用技術方案，并著力推進無線輸電技術的實用化發(fā)展?！睂O躍說，就目前技術成熟情況來看，無線輸電技術主要還是解決移動電氣設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電氣設備提供有效解決方案。

無線輸電仍需技術突破

孫躍指出，盡管國內外在基于電磁感應耦合模式無線電能傳輸技術方面的發(fā)展及應用推廣迅速，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一步突破。

張波則認為，目前電磁感應、磁諧振等磁場輸電技術相對成熟，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日常需要，這可能意味著人們還未探索到磁場輸電的“終極理論”。

“自然界都有它自己的規(guī)律，磁場傳輸能量肯定是有其路徑，只是我們還沒找到這個規(guī)律，這需要學術界下大力氣去探索?！睆埐▽τ浾哒f，這可能需要信息、控制、電子電力、材料甚至數(shù)學物理等學科交叉研究攻關，一旦探索到磁場傳輸電能的法門，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)在市場上還沒有研發(fā)出來?！坝行┬酒粔蛴?，技術參數(shù)達不到我們的要求。如果投入資金開發(fā)可以做出來，但由于短期內該芯片不會有太大需求量，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)為長遠打算，提前占領市場?！?/p>

此外，還有多位專家表示，國內對無線輸電技術方面的研究較少，隊伍亟需壯大。尤其需要更多年輕人的加入。張波還指出，目前國內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)、自動化等學科的“外援”，很少有專門做電能研究的科學家?！盁o線輸電研究，在認識上還需得到進一步重視?！?/p>