特斯拉的梦想 - 无线电能传输

根据电磁波的理论，电和磁可以以交替的形式在介质中传播，于是形成了现在的无线电通讯。那么，大量的电能能否以无线的形式在空气中传播呢？早在一百多年前，交流电之王特斯拉就提出了一个非常宏大的方案——把地球作为内导体、距离地面约60千米的电离层作为外导体，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，再利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力。尽管这个方案理论可行，但因为资金和技术安全原因以失败而告终。

随着技术的日新月异，特别是电子器件的发展，无线电能传输，已经从试验变成了商用，甚至有些都已经走进家用。无线电能的传输形式，大致可以分为三类：1.以电磁感应的“磁耦合”形式传输2.以电磁波及非辐射性谐振的形式传输。3.以微波或者激光的形式远程传输电磁感应磁耦合形式传输以电磁耦合形式进行无线电能传输是目前最广泛的应用。最基本的原理类似于传统疏松式变压器，如图。当初级线圈两端通过交流电时，在磁芯中产生一个交变磁场，磁场通过气隙（空气）传输到次级线圈产生新的电流。

目前，很多无线手机充电器和充电牙刷都是采用这个原理。对于手机充电器而言，只要在充电座和手机背后各装一个线圈，就能实现无接点充电。

不过，如果两个线圈的磁芯之间的距离（气隙）增大的话，越来越多的磁力线会散发到空气中，从而导致了传输效率的下降，所以这种无线电能的传输距离一般不超过50cm.目前Nissan和雪拂兰等电动车厂商采用了这个电磁感应的方式来对电动车进行充电。这种充电方式一般都会有一个突起的充电台用来减小与接收接受线圈的距离，然后用接受线圈感应后的电能来对锂电池进行充电。目前NissanLEAF3.3kW的无线充电系统的售价是$1,540美金。

电磁谐振形式电能传输2006年MIT发明了一种新的无线电能传输方式，以马林索尔贾希克为首的研究团队从相隔2.1米远的地方隔空点亮了60W的灯泡。为此，他们还在两个线圈之间进行了合照。（下图）

这种无线电能的传播方式听起来有点像收音机的调频。首先由发射线圈对电能用电力电子技术在一定频率进行高频振荡，当把第二个接受线圈的频率设置成一样的时候，就可以高效地接受以谐振耦合方式传播的电能了。这种方式的辐射非常小，因此也称为非辐射性电磁共振。

目前以WiTricity,Qualcomm,MomentumDynamics,美国橡树岭国家实验室和中国的某些研究所都在开发这种新的无线电能传输方式。同时Delphi，Toyota和Audi等汽车厂商都开始加大对这样新技术的研究及实验。橡树岭国家实验室还发现，当充电器频率在谐振频率的50%~95%的时候传输效率最高。通过选择25kHz左右的开关频率的时候，他们达到了将近92%的传输效率。

目前实验室最大传输功率是52kW,最高的传输效率为98%，最远的传输距离为2m。但是，大多数时候这些指标都不能兼得。比如，东京大学传输200cm的试验中，传输效率只有40%。

当无线汽车充电还在为效率，安全和距离而努力的时候，工程师们又提出了另一个疯狂的想法。如果在高速公路的路面上铺上充电的发射线圈，高速公路两边的太阳能电站就能对路过的汽车时候就进行无线充电了。如果加上超级电容的使用，可以让电能在几十秒内充完，这样电动车理论上可以实现无限续行。目前斯坦福大学，北卡州立大学及橡树岭国家实验室等学术机构都正在对此进行研究。

微波及激光形式电能传输微波传输电能微波是波长介于无线电波和红外线辐射之间的电磁波，目前已广泛应用于微波炉、气象雷达、导航和移动通信。微波送电是全世界的研究热点，据报道1967年美国空军同雷神公司合作进行了世界上首次电力微波传输试验，成功地通过微波向模拟直升机提供电力。1968年，美国航天工程师彼得·格拉泽提出了空间太阳能发电(SSP,SpaceSolarPower)的概念。他设想在大气层外通过卫星收集太阳能发电，然后通过微波将能量无线传输回地面，并且重新转化成电能供人使用。在太空的太阳光线没有地球大气层的影响，辐射能量十分稳定，是“取之不尽”的洁净能源。如果在静止轨道上建设太阳能电站，一年有99%的时间是白天，其利用效率比在地面上要高出6倍～15倍。随着全球环境污染和能源短缺问题日趋紧张，向太空要能源的需求愈发迫切。美国和日本等国都开始提出太空太阳能电站的构想。

有专家曾对太空太阳能发电技术的安全性做出质疑。但是太空太阳能发电技术的本质是微波辐射，微波辐射是一种非离子化过程，就像可