特斯拉的“異端”世界無線充電構(gòu)想

對于大多數(shù)人來說，提到無線充電技術(shù)就像隔空取物一樣，首先想到的是科幻故事里的情節(jié)，比如《最終幻想VII》中描述的那個充滿能量流動（生命之泉）的世界或是電影《阿凡達》中娜美星的能量網(wǎng)絡(luò)。然而不通過電纜，能量是如何從一端傳送到另一端的？其實這種技術(shù)，也確實如一些科幻作品中所描述的，是從大地與天空中汲取能量的一種技術(shù)：從低頻波到宇宙射線，其實我們周圍到處存在著電磁波，它們都攜帶著或多或少的能量，所以不少物理學家都認為只要找到合適的辦法就能接收和利用這些能量。

特斯拉構(gòu)想

100年前，交流電的發(fā)明者美國人尼古拉·特斯拉從閃電中獲得靈感，設(shè)計了“特斯拉線圈”，這是一種分布參數(shù)高頻共振變壓器，可以輕松獲得上百萬伏的高頻電壓。游戲《紅色警戒》系列里面的電磁塔（特斯拉塔）就是根據(jù)特斯拉線圈設(shè)計的。

后來，特斯拉發(fā)明了所謂的“放大發(fā)射機”，現(xiàn)在稱之為大功率高頻傳輸線共振變壓器，用于無線輸電試驗。特斯拉的無線輸電技術(shù)神乎其技。特斯拉把地球作為內(nèi)導體，地球電離層作為外導體，通過他的放大發(fā)射機，使用這種放大發(fā)射機特有的徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起大約8赫茲的低頻共振，利用環(huán)繞地球的表面電磁波來傳輸能量。這一系統(tǒng)與現(xiàn)代無線電廣播的能量發(fā)射機制不同，而與交流電力網(wǎng)中的交流發(fā)電機與輸電線的關(guān)系類似，當沒有電力接收端的時候，發(fā)射機只與天地諧振腔交換無功能量，整個系統(tǒng)只有很少的有功損耗，而如果是一般的無線電廣播，發(fā)射的能量則全部在空間中損耗掉了。

無線充電的發(fā)展

在石油資源日漸枯竭的今天，無線電能傳輸對于新能源的開發(fā)和利用、解決未來能源短缺問題有著重要的意義，因此許多國家都沒有放棄這方面的研究。1968年，美國工程師Peter Glaser提出了空間太陽能發(fā)電(Space Solar Power，SSP)的概念，其構(gòu)想是在地球外層空間建立太陽能發(fā)電基地，通過微波將電能傳輸回地球，并通過整流天線把微波轉(zhuǎn)換成電能（如圖）。1979年，美國航空航天局NASA和美國能源部聯(lián)合提出太陽能計劃——建立太陽能衛(wèi)星基準系統(tǒng)。歐盟則在非洲的留尼汪島建造了一座10萬千瓦的實驗型微波輸電裝置，已于2003年向當?shù)卮迩f送電。野心勃勃的日本擬于2020年建造試驗型太空太陽能發(fā)電站SPS2000，2050年進入規(guī)模運行。

香港城市大學的許樹源教授早在幾年前就曾經(jīng)成功研制出一種無線電池充電平臺，可將數(shù)個電子產(chǎn)品放在一個充電平臺上，透過低頻電磁場充電，充電時間與傳統(tǒng)充電器無異，技術(shù)實現(xiàn)也不深奧。這種無線電池充電平臺利用的就是變壓器原理——變化的磁場中閉合的金屬線圈會產(chǎn)生電流。而英國SplashPower公司2005年初上市的無線充電器Splash pads，就是變壓器原理商業(yè)化的無線充電產(chǎn)品。

在2011年日本最大的無線通訊展（Wireless Japan 2011）上，研究人員展示了一款二維通訊設(shè)備。當用戶將電子設(shè)備放在平板上時，系統(tǒng)會在設(shè)備所放位置的特定領(lǐng)域聚集電磁波，而不是在整塊平板上均衡地發(fā)散。如此一來，只有設(shè)備放置處的導電膜片（conductive sheet）才會收到電磁波。這種方法不僅可以集中傳輸電力，還能提高節(jié)能效率，這樣絕大部分的能源就被節(jié)省下來了。

無線電能傳輸有電磁感應、電磁共振和微波三種基本方式，這三種技術(shù)分別適用于近程、中短程與遠程電力傳送。其中電磁感應是將線圈中的電流直接以電磁波形式進行1cm以下的近距離收發(fā)，收發(fā)設(shè)備需要有較高的識別能力，由于電磁波是向四面八方輻射而大量散失，因此效率較低，通常它只適合相互“貼著”的小功率電子產(chǎn)品。電磁共振方式是利用電磁波通過線圈產(chǎn)生同頻率的磁場共振實現(xiàn)無線供電，磁場的強弱決定了它的傳輸距離和效率，它可以實現(xiàn)10m左右距離的室內(nèi)供電。微波方式是將電力以微波或激光形式發(fā)射到遠程的接收設(shè)備，然后通過整流、調(diào)制等處理后使用。幾種技術(shù)各有特點，近來電磁感應和電磁共振技術(shù)取得了突破，更適合日常應用。

無線充電的未來

由線圈旋轉(zhuǎn)切割磁場產(chǎn)生的電流，兩個設(shè)備中分別使用了一個具備振蕩電路特性的線圈組成一對收發(fā)天線，讓其中一個天線發(fā)送能量，另一個天線則接收能量。當向其中的發(fā)送線圈加載數(shù)兆赫茲的交流電場之后，其天線周圍產(chǎn)生磁場，通過相同頻率共振向處于一定距離之外的另一根天線傳輸電力，從而實現(xiàn)無線電力傳輸。英特爾西雅圖實驗室就試制出了這樣的磁場耦合共振電力收發(fā)器，可以在2米距離內(nèi)無線給60W燈泡提供電力。英特爾首席技術(shù)官Justin Rattner表示，未來可以將無線充電裝置安裝在辦公桌內(nèi)部，只要將筆記本、手機等放在桌上就能夠立即供電。筆者認為這才是無線充電技術(shù)的未來。

無論是電磁感應，還是電磁共振技術(shù)，效率都和產(chǎn)生磁場的線圈大小有關(guān)。如果要將它內(nèi)置到充電裝置和筆記本、手機等便攜設(shè)備中，就必須精簡線圈尺寸，發(fā)送和接收效率自然也會隨之下降，因此需要更先進的控制芯片以及收發(fā)電路設(shè)計使無線電能的傳輸效率提升到75%以上，從而讓無線供電的效率更高，充電時間更短。

不過距離也是無線電力傳輸?shù)囊淮笳系K，距離越遠損耗越大，接收端能感應到的電能也就越少。然而在通常情況下，當接收端天線的固有頻率與發(fā)射端的磁場頻率一致時，就會產(chǎn)生共振，此時磁場耦合強度明顯增強，無線電力的傳輸效率大幅度提高。不過，這種電磁場的頻率可能對設(shè)備內(nèi)部的其他部件造成干擾。

在未來，我們可以將無線充電裝置放在辦公室、旅館和機場的頂部，只要身處發(fā)射共振有效工作距離之內(nèi)，就能立即為筆記本、手機無線充電，就像現(xiàn)在已經(jīng)十分普及的WiFi無線上網(wǎng)一樣簡單。人們不再需要隨身攜帶充電器，不再為各種不匹配的接口而發(fā)愁，也不必為延長待機時間而使用笨重的電池了。也可以在自家的墻上安裝一個電力發(fā)射器，這樣所有的家用電器也可以實現(xiàn)無線充電。

tips

今天人們談到得特斯拉幾乎成為了陰謀論和偽科學的標志性人物。其實除了發(fā)明交流電以外，特斯拉許多設(shè)計和概念都相當超前，特別是他的無線充電技術(shù)一旦變成現(xiàn)實，電力將成為一種免費的用之不竭的能源（特斯拉發(fā)明的交流電沒有收一分錢使用稅，否則他肯定是億萬富翁）。可惜的是，由于他的競爭對手愛迪生通過各種不正當手段對其打壓與誣蔑，導致特斯拉的無線充電設(shè)計并沒有投入到商業(yè)應用。在他死后，相關(guān)的研究資料也被FBI列為機密文件，與世隔絕。直到今天，科學界仍無法還原特斯拉當年的研究成果。