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              深入解析無線充電技術
              深圳安泰和科技有限公司  2010-11-29 09:18:42

              在無線充電的浪潮下,且看小編對無線充電的近距離解析。

              感應“墊子”上市,無線充電夢想成真
                香港城市大學的許樹源教授早在幾年前就曾經成功研制出一種“無線電池充電平臺”,可將數個電子產品放在一個充電平臺上,透過低頻電磁場充電,充電時間與傳統充電器無異,技術實現也不深奧。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生電流。而英國SplashPower公司2005年初上市的無線充電器Splash pads(圖4),就是變壓器原理商業化的無線充電產品。

              無線充電手機,無線充電相機

                Splash Pads看上去就像一塊柔軟的鼠標墊,它的塑膠薄膜里面裝有產生磁場的小線圈陣列(變壓器原邊),以及由磁性合金繞以電線制成的口香糖大小的接收線圈(變壓器副邊,可以貼在電子設備上,圖5)。在CES 2007上,WildCharge公司也推出了兩款無線充電器產品WildCharger和WildCharger-Mini(圖6)。WildCharge的無線充電器與SpashPower公司的產品外觀非常相似,也是墊子模樣的東西。WildCharger的功率較大,除了可以給手機和媒體播放器充電以外,還可以為筆記本電腦充電,而WildCharger-Mini畢竟個子小,只能給手機等小型設備充電。據稱WildCharge公司將從最近開始在網上銷售這類無線充電產品。

              令人期待的無線充電技術
                “無線充電”顧名思義就是利用一種特殊設備將電源插座的電力轉變為可充電的電波,從而在扔掉電線的情況下直接對電子設備充電。由于電波的傳輸與設備的充電接口無關,所以如果無線充電技術一旦普及,我們將可能享受以下“福利”:

                1.不受插座和線纜束縛,充電更方便。
                2.充電器接口之爭得到解決,不同品牌、不同接口充電器的時代宣告過去(我們知道現在這樣的結果本就是人禍)。
                3.沒有了電線聯結器,移動類電子設備體積進一步縮小。而且,由于設備外殼上沒有金屬接點或者開口,可以增強電子產品的防水性。

               近在咫尺的無線充電技術
                其實早在1890年,物理學家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)就已經做了無線輸電試驗(圖1)。他提出并實現了交流發電。磁感應強度的國際單位制也是以他的名字命名的。特斯拉構想的無線輸電方法,是把地球作為內導體、地球電離層作為外導體,通過放大發射機以徑向電磁波振蕩模式,在地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振,再利用環繞地球的表面電磁波來傳輸能量。但因財力不足,特斯拉的大膽構想并沒有得到實現。后人雖然從理論上完全證實了這種方案的可行性,但世界還沒有實現大同,想要在世界范圍內進行能量廣播和免費獲取也是不可能的。因此,一個偉大的科學設想就這樣胎死腹中。

                事實上,從低頻波到宇宙射線,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。在不少物理學家看來,人們要做的或許僅僅是找到合適的辦法接收和利用這些能量。特斯拉的想法雖然難成現實,但無線電能傳輸對于新能源的開發和利用、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,美國工程師彼得·格拉澤(Peter Glaser)提出了空間太陽能發電(Space Solar Power,SSP)的概念,其構想是在地球外層空間建立太陽能發電基地,通過微波將電能傳輸回地球(圖2),并通過整流天線把微波轉換成電能。1979年,美國航空航天局NASA和美國能源部聯合提出太陽能計劃—建立“SPS太陽能衛星基準系統”。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年向當地村莊送電。野心勃勃的日本擬于2020年建造試驗型太空太陽能發電站SPS2000,2050年進入規模運行。

                其實,無線充電技術離我們這些普通人也并非遙不可及。相信一定有人使用過某種品牌的電動牙刷(圖3),只要將牙刷插入220V的充電座上即可實現不接觸的無線充電,使用起來很方便。這種無線充電就是利用電磁感應原理,解決了潮濕環境下的用電安全問題。


                無線電能傳輸有電磁感應、射頻和微波三種基本方式,這三種技術分別適用于近程、中短程與遠程電力傳送。但每種無線充電方式都有一些缺點,從而限制了它的發展。例如電磁感應方式傳送能量較小、傳送范圍較小等,這也是為什么電動牙刷必須放在充電座上才能充電,而不能將牙刷任意擺放的原因。所以,現在各家公司的研究方向就是對這些技術進行改良和完善,從而最終實現商品化。

              共振,解決無線電力傳輸的距離問題
                既然電磁感應方式實現并不復雜,為什么使用該類技術的無線充電器普及這么困難呢?簡單地說,最大障礙就在“傳輸距離”方面。眾所周知,傳輸電力即便通過金屬線路傳輸,距離遠了也會產生相當大的線路損耗,更別提通過空氣傳輸了——距離增大以后感應的能量會迅速減少?梢韵胂,在一些特殊領域如果不能突破距離限制,無線充電已經毫無意義。例如植入體內的儀器,難道必須施行外科手術才能更換電池。太可怕了!還有那種安置在動物身上的無線定位裝置,怎樣為其補充電能也很關鍵。

                為了在無線傳輸距離上有所突破,MIT的助理教授馬林·索爾賈?(Marin Soljacic)和他的研究小組在長達4年的實驗研究中終于獲得重大突破。他們在實驗中使用了兩個直徑為50cm的銅線圈,通過調整發射頻率使兩個線圈在10MHz產生共振,從而成功點亮了距離電力發射端2m以外的一盞60W燈泡。而且,即使在電源與燈泡中間擺上木頭、金屬或其它電器,都不會影響燈泡發光(圖7)。

                同時,MIT的科學家們還對無線電力傳輸理論進行了研究。他們確定了兩個電磁線圈之間形成磁場強耦合的條件,并給出了富有啟發性的結論:
                a.可行性。通常情況下,電磁輻射具有發散性,相隔較遠的接收器只能接收到發射能量的極小一部分。而當接收天線的固有頻率與發射端的電磁場頻率一致時,就會產生共振,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。MIT的實驗表明,當收發雙方相隔2m時,傳輸60W功率的輻射損失僅為5W。因此,在幾米內“中程”(相較于“近程”和“遠程”而言)傳輸電力是可行的。      b.安全性。從電磁理論而方,人體作為非磁性物體,暴露在強磁場環境中不會有任何風險。醫院對病人進行核磁共振檢查時,磁場強度高達B~1T也不會傷害人體。相比之下,共振狀態下磁場強度處于B~10-4 T數量級,僅相當于地磁場的強度,因此不會對人體構成危害(圖8)。      圖8索爾賈?(第二排左一)與MIT研究小組成員在兩個實驗線圈之間留影,以消除人們對磁場輻射的擔心。


              墻內開花墻外香,射頻充電器更勝一籌
                就在MIT科學家的研究工作取得實質性進展的輝煌時刻,一家名為Powercast的公司突然推出了一種適合中短距離使用的無線充電裝置。與前面提到的SplashPower和WildCharge兩家公司的接觸式充電器不同,Powercast公司的射頻充電器不需要充電墊子,電子設備擱置在距離發送器約1m范圍內的任何地方都可以充電。

                Powercast公司的無線充電系統包括一個安裝在墻上的發送器以及可以安裝在電子產品上的接收器(圖9、圖10)。發送器這邊利用915MHz頻段把射頻能量發送出去,而接收器則利用共振線圈吸收射頻電波。

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