這才是無線充電的終極目標(biāo)

在移動電力方面，電線有很多用途，但它們也有缺點。畢竟，誰都厭倦插入和拔出手機和其他可充電小玩意兒，因為這是一個麻煩。

電線也對電力公司提出了挑戰(zhàn)：這些公司必須努力將施加在傳輸電纜上的電壓提高到非常高的值，以避免在此過程中消耗大部分電力。在為電動火車和有軌電車等公共交通工具供電時，電線需要與滾動或 滑動觸點串聯(lián)使用，這些觸點維護起來很麻煩，甚至還會產(chǎn)生火花，并且在某些情況下會產(chǎn)生有問題的污染物。

許多人都渴望解決這些問題——看看過去十年無線充電的廣泛采用——主要用于便攜式消費電子產(chǎn)品， 也用于車輛。雖然無線充電器使您不必反復(fù)連接和斷開電纜，但以這種方式輸送能量的距離非常短。事實上，當(dāng)間距只有幾厘米，更不用說幾米時，很難為設(shè)備充電或供電。真的沒有實用的方法可以在沒有電線的情況下將電力傳輸?shù)礁h(yuǎn)的距離嗎？

對一些人來說，無線電力傳輸?shù)恼麄€概念讓人聯(lián)想到尼古拉特斯拉的形象，高壓線圈噴出微型閃電。這不會是一個愚蠢的聯(lián)系。特斯拉確實追求過以某種方式利用地面和大氣作為長距離電力傳輸管道的想法，但這個計劃沒有成功。但他的夢想是在沒有電線的情況下遠(yuǎn)距離傳輸電力。

與特斯拉同時代的古列爾莫·馬可尼（Guglielmo Marconi）想出了如何使用“赫茲波”或我們今天所說的電磁波來遠(yuǎn)距離發(fā)送信號。這一進(jìn)步帶來了使用相同類型的波將能量從一個地方傳送到另一個地方的可能性。畢竟，儲存在木材、煤炭、石油和天然氣中的所有能量最初都是這樣到達(dá)這里的：它在數(shù)百萬年前以電磁波（太陽光）的形式在太空中傳播了 1.5 億公里。

今天可以利用相同的基本物理學(xué)來代替電線嗎？本文作者和其位于華盛頓特區(qū)美國海軍研究實驗室的同事都這認(rèn)為是可行的，以下是其中的一些原因。

在過去的一個世紀(jì)中，人們曾多次嘗試使用電磁波作為無線電力傳輸?shù)氖侄?，但這些嘗試產(chǎn)生了好壞參半的結(jié)果。無線電力傳輸研究的黃金年也許是 1975 年，當(dāng)時為 雷神公司工作的威廉·布朗和美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室的理查德·迪金森（現(xiàn)已退休）在實驗室內(nèi)使用微波將電力傳輸?shù)淖罱K效率提升到超過 50% 。 在另一次演示中，他們能夠在大約一英里（1.6 公里）的距離內(nèi)提供超過 30 千瓦的電力。

這些演示是美國宇航局和美國能源部探索太陽能衛(wèi)星可行性的 更大運動的一部分 ，有人提議，有朝一日，太陽能衛(wèi)星將在太空中收集陽光，并將能量以微波的形式傳送到地球。但由于這一研究方向在很大程度上是由 1970 年代的能源危機推動的，因此在接下來的幾十年里，對太陽能衛(wèi)星的興趣減弱了，至少在美國是這樣。

盡管研究人員定期重新審視太陽能衛(wèi)星的想法，但那些進(jìn)行功率****實際演示的人一直在努力超過 1975 年達(dá)到的效率、距離和功率水平的高水位線。這種情況最近開始發(fā)生變化，因為傳輸和接收技術(shù)取得了各種最新進(jìn)展。

在 2019 年馬里蘭州貝塞斯達(dá)海軍水面戰(zhàn)中心的一次演示中，這道激光束在 325 米的距離內(nèi)安全地傳輸了 400 瓦的功率。

大多數(shù)早期****功率的努力都局限于微波頻率，這是當(dāng)今充滿 Wi-Fi、藍(lán)牙和各種其他無線信號的電磁頻譜的同一部分。這一選擇的部分原因是高效的微波****和接收設(shè)備很容易獲得這一簡單事實。

但是，在更高頻率下運行的設(shè)備的效率和可用性都有所提高。由于大氣對電磁頻譜某些部分內(nèi)能量的有效傳輸施加的限制，研究人員將重點放在微波、毫米波和光學(xué)頻率上。雖然微波頻率在效率方面略有優(yōu)勢，但它們需要更大的天線。因此，對于許多應(yīng)用，毫米波或光鏈路效果更好。

對于使用微波和毫米波的系統(tǒng)，****通常采用固態(tài)電子放大器和相控陣、拋物線或超材料天線。微波或毫米波的接收器使用稱為整流天線（rectennas）的元件陣列。這個詞，是整流器（rectifier）和天線（antenna）的組合，反映了每個元件如何將電磁波轉(zhuǎn)換為直流電。

任何為光功率傳輸而設(shè)計的系統(tǒng)都可能使用激光器——具有嚴(yán)格限制光束的激光器，例如光纖激光器。用于光功率傳輸?shù)慕邮掌魇菍ｉT的光伏電池，旨在以非常高的效率將單波長的光轉(zhuǎn)換為電能。事實上，效率可以超過 70%，是典型太陽能電池的兩倍多。

在美國海軍研究實驗室，我們在過去 15 年的大部分時間里都在研究不同的功率束選項并研究潛在應(yīng)用。其中包括延長無人機的飛行時間和有效載荷能力，在黑暗中為軌道上的衛(wèi)星提供動力，為在月球永久陰影區(qū)域運行的漫游車提供動力，從太空向地球表面發(fā)送能量，以及為戰(zhàn)場上的部隊分配能量。

你可能會認(rèn)為，一個以窄光束通過空氣發(fā)送大量能量的設(shè)備聽起來像是死亡射線。這觸及了一個關(guān)鍵考慮的核心：功率密度。不同的功率密度在技術(shù)上是可行的，從低到無用到高到危險。但也有可能在這兩個極端之間找到一個平衡點。還有一些巧妙的方法可以讓高功率密度的光束安全使用。這正是作者所在的一個團隊在 2019 年所做的，從那時起他們成功地擴展了這項工作。

作者的行業(yè)合作伙伴之一， PowerLight Technologies，前身為 LaserMotive，十多年來一直在開發(fā)基于激光的功率光束系統(tǒng)。這家公司以贏得2009 年NASA 動力****挑戰(zhàn)而聞名，不僅在為機器人系繩攀爬器、四軸飛行器和固定翼無人機提供動力方面取得了成功，而且還深入研究了用激光安全****動力的挑戰(zhàn)。這很關(guān)鍵，因為多年來，許多研究小組已經(jīng)展示了激光能量束——包括海軍研究實驗室、近代大學(xué)、北京理工大學(xué)、科羅拉多大學(xué)博爾德分校、JAXA的團隊，空中客車公司和其他公司——但只有少數(shù)人以在每一種可能的情況下都真正安全的方式實現(xiàn)了這一目標(biāo)。

多年來，使用微波 [藍(lán)色] 或激光 [紅色] 進(jìn)行了許多功率****演示，峰值功率記錄已在 1975 年創(chuàng)下 [歷史]。2021 年，作者和他的同事在此類實驗中獲得的峰值功率水平分別獲得了第二和第三名，他們使用小得多的天線在超過一公里的距離上****了超過一千瓦的信號。

在作者團隊的努力之前，最引人注目的安全激光功率束演示可能是 2012 年Lighthouse Dev公司。為了強調(diào)該系統(tǒng)的安全性，BBC 科學(xué)節(jié)目“ Bang Goes the Theory ”的主持人全神貫注于在馬里蘭大學(xué)的建筑物之間發(fā)送的能量束。這個特殊的演示利用了這樣一個事實，即某些紅外波長對您的眼睛來說比紅外光譜的其他部分安全一個數(shù)量級。

該策略適用于相對低功耗的系統(tǒng)。但是，當(dāng)您將級別推高時，您很快就會達(dá)到無論使用何種波長都會引起安全問題的功率密度。然后怎樣呢？這就是作者展示的系統(tǒng)與眾不同的地方。

在超過 300 米的距離內(nèi)發(fā)送超過 400 瓦的功率時，光束被包含在一個虛擬外殼內(nèi)，該外殼可以感應(yīng)到物體撞擊它并觸發(fā)設(shè)備在造成任何損壞之前切斷主光束的電源。其他測試表明傳輸距離如何超過一公里。

仔細(xì)測試（沒有使用 BBC 科學(xué)節(jié)目主持人）驗證了此功能的功能令其滿意，該功能也通過了海軍激光安全審查委員會的審核。在作者的演示過程中，該系統(tǒng)進(jìn)一步證明了自己，有幾次，鳥兒飛向光束，將其關(guān)閉——但只是暫時的。您會看到，系統(tǒng)會監(jiān)控光束所占據(jù)的體積及其周圍環(huán)境，當(dāng)路徑再次暢通時，電源鏈路會自動重新建立自身。將其視為車庫門安全傳感器的更復(fù)雜版本，其中防護梁的中斷會觸發(fā)驅(qū)動門關(guān)閉的電機。

在作者的演示中，出席的觀察者能夠在****和接收器之間走動，而無需佩戴激光安全眼鏡或采取任何其他預(yù)防措施。這是因為，除了將系統(tǒng)設(shè)計成可以自動關(guān)閉之外，作者和他的同事還仔細(xì)考慮了接收器反射的可能影響，或者沿著光束路徑懸浮在空氣中的粒子的光散射可能產(chǎn)生的影響。

*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個人發(fā)布，僅代表博主個人觀點，如有侵權(quán)請聯(lián)系工作人員刪除。