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我们有望告别“插座时代”

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        【中国插座网】  核心提示:

  你为家里那一大团“剪不断,理还乱”的插座、电线而抓狂过吗?现在,好消息来了!

  最近日本科学家接连发布微波无线输电技术的最新成果,而我国科学家近年来也不断在公交车、高铁、电视等领域实现无线输电的各项突破。这些意味着告别插座已经有了实现的可能。

  创纪录

  微波输电点亮500米外led灯

  说起输电,你也许马上会想到粗粗的电线杆和长长的高压线,或者家里那些“剪不断,理还乱”的插座和电线。今天,我们的电话、网络等通信技术早已实现了从有线到无线的飞跃,为什么无线输电还相对滞后?能不能不经过电线将电能从发电装置传送到接收端?科学家们在不断深入研究中,令人欣慰的一些改变在陆续出现。3月,日本接连两项试验的成功,就引发人们广泛关注。

  3月11日,日本宇宙航空研究开发机构(jaxa)宣布,研究人员利用微波,将1.8千瓦电力以无线方式,精准地传输到了55米距离外的一个接收装置。次日,日本三菱重工也宣布,其科研人员将10千瓦电力转换成微波后输送,其中部分电能成功点亮了500米外接收装置上的led灯,这是迄今为止日本成功实验中距离最长、电力最大的一次。

  三菱重工表示,这一技术将会被用于太空太阳能发电系统(ssps)。该公司计划在2030年至2040年运用该技术,将太空的发电装置获得的电能通过微波向地面传输。据估算,如果使用直径两三千米的巨大太阳能电池板进行太空发电,将能达到一台常用的百万千瓦装机容量的核电机组发电水平。

  太空太阳能发电的设想并非源于日本。早在上世纪60年代,美国科研人员就提出了这一构想。2007年,麻省理工学院的一群科学家用电磁共振无线电能传输技术,隔空点亮了2米多外一只60瓦的灯泡。

  不过,最终实现这一愿景,还有许多困难需要克服,比如怎样将巨大的发电装置送到太空以及如何组装维护等。而最大的困难在于,如何解决无线电波在传输中的弥散和衰减问题。日本这两次实验中无线传输的电力,一个只够用来启动一个电热水壶,另一个将10千瓦的电力传输了500米后仅仅能点亮一只功率很小的led灯。“这就说明在传输过程中,绝大部分的能量发散掉了。”中科院电工研究所研究员廖承林说。

  除了传输效率需要进一步提高外,科学家们面临的难题还有如何减少微波传输路径对环境设备的干扰、对生物的影响等问题。此外,由于路途遥远,微波传输路径需要缩小的同时发电站的输出功率还必须要非常大,“可能达到兆瓦级”。中科院上海微系统与信息技术研究所研究员俞凯表示。

  重实用

  我国在电视汽车高铁等领域已有诸多突破

  在2007年麻省理工学院那只灯泡被点亮时,中国科学家也注意到了无线输电技术的发展前景。而相较于以较远距离输电为目标的微波输电技术,我国更看重商业化前景更好的近距离无线输电研究,这能更直接地给用户带来便利,技术商业化的潜质要大得多。事实上,在新能源汽车充电等日常生活领域中,这些技术已经派上了用场。

  早在2010年国际消费电子展上,海尔集团就推出了世界上首台“无尾电视”——电视后面的电源线、信号线、网络线等“尾巴”都被割掉了。这是无线电力传输技术首次成功应用于电视接收终端。如今,这种技术在我国的手机、移动电源、冰箱、厨房小家电等生活产品中已广泛试水。

  去年,中兴新能源汽车公司在湖北省襄阳市构建了中国第一条无线充电公交示范线,全球首台无线充电社区巴士也在成都上线。成都公交实际使用数据显示,不到8分钟,所充电量即可满足新能源公交汽车一圈8公里的行驶线路,充电整体效率达90%。

  杨庆新则对高铁无线供电情有独钟。作为天津工业大学工程电磁场与磁技术研究团队的负责人,去年他领导研制的高速列车无线电能传输技术,被中国科学技术协会列为10项引领未来的科学技术之一。这种悬挂式发射线圈技术,发射端被固定在铁路上方。接收端被置于列车顶部,代替了传统的受电弓滑板和接触网滑动取电的方式,发射端与接收端之间允许存在数十厘米的间隙,不仅极大提高了绝缘强度和受流质量,而且从根本上解决了因为磨损、覆冰而断电的问题,被认为有望革新高铁列车供电模式。

  展望清洁能源的新希望

  尽管困难重重,但就是这样一个又一个“一小步”,有可能成为人类未来高效利用电能、太阳能等清洁能源的“一大步”。

  想象一下,一座太阳能发电卫星静止在距离地面3.5万千米的高空,源源不断地为地面上的城市供电。这种输电方式清洁、安全,不受恶劣天气和时间的影响,也不会发生传统核电站的核泄漏事故。这样美好的前景,推动着各国加大对无线输电领域的投入力度。

  另一个动力来自有线输电的成本和污染的增长趋势,近年来各类能源引发的战争及公共危机越来越多。“如果空间太阳能电站的设想变成现实,就可以解决全球能源危机问题。”该技术还延伸到许多其他应用领域,如为卫星和轨道上的运载工具输电,或为星际探测飞行器提供动力等。

  无线输电技术还可以为不方便架设输电线的地方提供另一种高效的输电方式。在高山、森林、海岛、沙漠等地方架设输电线路不但困难危险,而且日后的线路检修以及故障修复等都障碍重重。这些地方的边防哨所、无线电导航台、卫星监控站、天文观测点等需要生活和工作用电,将电能以无线的形式输送过去,会方便得多。

  链接100多年前,人类就已经开始尝试

  事实上,早在19世纪上半叶,人类就有了用无线方式输送电力的想法。最早可以追溯到美国科学狂人尼古拉·特斯拉。

  那时,电磁铁问世不久,电磁感应现象也刚被发现,特斯拉设计了一个简单的无线输电装置:把一个线圈连接在电源上,作为发射器传输能量;另一个线圈连着灯泡,作为能量接收器。通电后,发射器能够以10兆赫兹的频率振动,另一个线圈连着的灯泡将被点亮。这便是著名的“特斯拉线圈”的由来。

  特斯拉的设想在理论上是可行的,但实际操作中面临着这样一个难题:如何提高传输效率?因为电磁波在自由空间传输能量的过程中会向四面八方散发,特别是微波,散射在空间里,能量衰竭更快。这成为无数科学家在接下来的百余年时间里研究的瓶颈。

  直到本世纪初,美国麻省理工学院物理学家马林·绍利亚契奇还没有准备好做这一难题的“终结者”,因为他在发明一项功效卓著的无线输电系统前,曾经一连3个晚上被手机“电池电量不足”的“嘀嘀”声吵醒,他继而想到:“为什么墙里的电不能直接传输给我的手机呢?”

  这便是电磁共振无线输电技术的由来。按照此理论,只要让电磁能发射器同接收设备在相同频率上产生共振,它们之间就可以进行能量互换。

  利用这一原理,绍利亚契奇和他的团队成功地把一盏距发射器2.13米开外的60瓦电灯点亮,且传输效率大幅提高。自此,全世界很多科学家开始基于这一实验展开了后续研究。有专家表示,这种技术可以实现10米左右距离的室内无线输电。

  而对于一些低功率近程的电能传送来说,电磁感应无线输电技术无疑更为适合。因为通过电磁感应,发射线圈和接收线圈之间可以利用磁耦合来传递电能。当然,这种距离要求非常近,约在1厘米以下,可以用相互“贴着”来形容。

  此外,如果要实现高功率远程电力传送,则只能依靠微波或激光的远场辐射技术来进行。因为无线电波波长越短,其定向性越好,弥散越小。日本科学家们最近所取得的突破,即基于微波的这一特性。

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