無線輸電靠不靠譜

無線充電技術(shù)在電動牙刷、剃須刀、手機(jī)上已經(jīng)有了一些應(yīng)用，電動汽車無線充電也有了初步的試驗。如果無線充電可以實現(xiàn)，那么我們是不是可以省去高壓輸電線路實現(xiàn)無線輸電，甚至還可以接收太空太陽能電池發(fā)來的電能，徹底解決人類輸電和用能問題呢?今天小編嘗試說說無線輸電靠不靠譜。

無線輸能在破解無線輸電的問題前，讓我們先把無線輸電的范圍拓展一下吧——“無線輸能”。能量的概念包含更廣，太陽光就是最常見的“無線輸能”，那可是跨越1.5億公里、長達(dá)45億年的無線輸能。首先來看看有什么能量形式，再看他們能不能“無線”傳輸。世界上的能量形式我們早已熟知，高中物理就學(xué)了四種：力、熱、光、電。再加核能和化學(xué)能，大概就這六種能源形式(其中的力是指機(jī)械能，電是指電磁能)。核能和化學(xué)能所來源的原子力和化學(xué)鍵力是不可能遠(yuǎn)距離傳輸?shù)�，所以我們只考慮機(jī)械能、熱能、光能和電磁能四種能量傳輸。先說有線傳輸對應(yīng)的四種常用方式：機(jī)械能的傳輸對應(yīng)剛性桿傳輸，鋼桿是機(jī)械能的載體，例子如汽車的傳動軸;光能傳輸對應(yīng)光纖，光纖是光的載體;熱能對應(yīng)熱的良導(dǎo)體，比如各種金屬;電磁能對應(yīng)導(dǎo)線或鐵芯，都是電或磁的良導(dǎo)體。有線傳輸?shù)奶攸c就是，這個通道的阻力很低：鋼桿對機(jī)械能無損失，光纖對光能損失小，良導(dǎo)體的熱阻小，導(dǎo)線的電阻小，鐵芯的磁阻小。這樣我們才能在遠(yuǎn)端收獲到損失較小的能量。

哪些能量可以無線傳輸無線傳輸就沒有這些“低阻通道”了，只有空氣，或者什么都沒有的真空。四種能量在空氣或者真空中傳播的效果如何呢?首先是機(jī)械能和熱能，二者必須有介質(zhì)才能傳播，真空無法傳播，而空氣中兩種能量都會向四周彌散，導(dǎo)致傳播效果不佳。光能傳播不需要介質(zhì)，人類可以利用激光進(jìn)行大功率的光能傳輸，激光甚至可以做成激光炮。但激光對地形和天氣要求高，光只能走直線，并且不能被空氣中的顆粒漫反射，否則損耗太大。即便可以傳輸，在發(fā)射和接受兩端，由電變光和由光變電的效率都較低，成本卻很高。也許未來只有太空能量通過激光傳輸?shù)降孛嬗幸欢�可行性。剩下只有電能了，我們平時接觸到的電能只有50或60赫茲，是非常低的頻率，電磁波的波長達(dá)五六千公里，這么長的波長對一般輸電距離而言是沒有電磁波特性的(地球的赤道約四萬公里)，因而電磁感應(yīng)是電能傳輸?shù)闹饕�方式。我們現(xiàn)在應(yīng)用的無線充電技術(shù)，以及實驗室內(nèi)的無線輸電技術(shù)，都是利用電磁感應(yīng)原理。附錄一解釋了電磁感應(yīng)和電磁波二者區(qū)別。

無線輸能的要義既然空氣或真空對能量傳輸是一條“高阻通道”，想要能量順利傳輸過去，不因“高阻”而四散彌漫，只有一個方法——諧振!激光是一種諧振的光源，收音機(jī)靠諧振接收信號，同樣電能傳輸也需要諧振的幫助。諧振的詳情請見問下的附錄二，詳細(xì)闡述了諧振的概念，以及各種能源的諧振實例。電能的無線傳輸我們需要建立諧振頻率是50Hz的一條回路，這樣就能把電能傳輸過去了。話雖如此，但實現(xiàn)起來并不好辦�，F(xiàn)實的環(huán)境太復(fù)雜了，電場和磁場會在空中遇到各種各樣的障礙物，遇到建筑的鐵或者鋼，電磁場就會被吸收，專業(yè)術(shù)語叫“屏蔽”(類似于把手機(jī)放在一個封閉鐵盒里就沒信號一樣，所有信號都被鐵盒吸收了)。我們設(shè)計回路參數(shù)時，想充分考慮沿路所有鋼鐵所構(gòu)成的電容電感，實在太困難了。(電容和電感是電學(xué)中最常見但也是最難理解的概念，有機(jī)會小編會寫一期介紹電容和電感的物理本質(zhì)是什么)目前也有無線輸電的應(yīng)用案例，比如無線充電的牙刷、手機(jī)、汽車，這些案例中的一個共性就是距離短。牙刷和手機(jī)都安放在充電座上，無線充電汽車的底盤與地面貼的也非常近(30cm以內(nèi))。距離近的目的只有一個，減少周圍環(huán)境的雜散電容電感的影響，以便我們設(shè)計的回路能夠最大限度的傳輸能量。當(dāng)然，從另一個角度說，這也是為了提高能量的傳輸效率。距離越長，雜散的電容電感越多，他們吸收的能量也就越多，能傳到目的地的能量就越少，能量傳輸效率也就很低了。所以從雜散參數(shù)影響的角度來說，完成長距離的無線輸電是件幾乎不可能的事，因為雜散參數(shù)和各種屏蔽的影響幾乎無法去除。

電磁波的方式無線輸電是否可行?既然電磁感應(yīng)的方式并不樂觀，那電磁波的方式是否可以?有人也提出了微波無線輸電。電磁感應(yīng)與電磁波的區(qū)別只在于頻率，或者說波長與傳輸距離的比例。波長比傳輸距離長，則是電磁感應(yīng)原理，否則就是電磁波的傳輸原理。電磁波的傳播方式同廣播信號是一樣的，是四散彌漫的，只要是彌漫，就缺乏效率。廣播電視信號是可以彌漫空間的，但因為傳輸?shù)闹皇切盘�，能量很低，效率低就低�?但如果大功率的電能彌漫空間，不僅僅要求有很大的功率發(fā)射和接收裝置，而且空間中彌漫著大功率的電磁波，人們會覺得像是生活在微波爐中。目前，輸電線路周圍的電磁環(huán)境問題已經(jīng)引起了人們的質(zhì)疑，不知道如果有看不見的大功率電磁波包圍著你，你會作何感想。