电磁能量无线传输

能量无线传输是利用一种特殊设备将电源的电能转变为可无线传播的能量,在接受端又将次此能量转变回电能,从而到达对用电器的无线供电。
现在已经问世的无线供电技术,根据其电能传输原理,大致上可以分为三类:第一类是非接触式充电技术所采用的电磁感应原理,这种非接触式充电技术在许多便携式终端里应用日益广泛。这种类型中,将两个线圈放置于邻近位置上,当电流在一个线圈中流动时,所产生的磁通量成为媒介,导致另一个线圈中也产生电动势。
通过电磁感应来进行无线供电是非常成熟的技术,但会受到很多限制。最主要的问题是,低频磁场会随着距离的增加而快速衰减。如果要增加供电距离,只能加大磁场的强度。然而,磁场强度太大一方面会增加电能的消耗,另一方面可能会导致附近使用磁信号来记录信息的设备失效。我们都不想自己的硬盘里面的数据被强磁场一笔勾销吧。所以这种方式往往会应用在一些防水要求比较高的小家电上,例如某些电动牙刷和电动刮胡刀等。人们也在尝试用电磁感应为手机这样的小型设备充电。从2005年开始,市场上就已经有了一些无线充电器,但使用起来并不能算是很方便,充其量也只是减少了我们把手机插上变压器的麻烦而已。有了室内距离的无线供电设备,谁还需要这种东西呢?
公共交通卡、一些学校的饭卡,还有二代身份证,这些也都需要电。在这些卡证中都有一块
小小芯片,里面最少存储着一个唯一的编号。这一小块芯片就像是我们的一条内存或者一块
硬盘,没有电的时候,它和一粒沙子没什么区别。即使储存了很多信息,也没有办法传递出来。
这种卡证的供电原理与变压器的原理类似。读卡机周围会形成一个快速变化的磁场,芯片进
入这个磁场时,周围的线圈内就会产生感应电压,激活芯片,并且把自己的编号通过线圈发
射出去被读卡机接收。读卡机会根据编号的不同而做出不同的反应,例如告诉你现在饭卡账
户里还剩多少钱。
第二类是最接近实际应用的一种技术,它直接应用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理。这和100年前的收音机原理基本相同:直接在整流电路中将电波的交流波形变换成直流后加以利用,但不使用放大电路等。同以前相比,这种技术的效率得到提高,并正在推动厂商将其投入实际应用。
第三类是利用电磁场的谐振方法。谐振技术在电子领域应用广泛,但是,在供电技术中应用的不是电磁波或者电流,而只是利用电场或者磁场。2006 年11月,美国麻省理工学院(MIT)物理系助理教授Marin Soljacic的研究小组全球首次宣布了将电场或者磁场应用于供电技术的可能性。
无线电能传输有电磁感应,射频和微波三种方式。三种技术分别适用于近程,中短程及远程电力传输
无线能量传输技术是指通过非接触的方式传输能量的一种技术,现有的无线能量传输技术主要有:①辐射技术:通过某种独特的接收器接收空气中尚未散失的辐射能量,并将其转换成电能,储存给附近的电池中;②磁场共振技术:当两个物体在同一频率实现共振时,将实现能量的无线传输;③电感耦合技术:通过相对很直接的接触来进行能量传输,尤如把机器放在一个垫子上就能进行充电;④从环境中“收获”能源:将自然界出现的热能、光能和振动能转换成所需的能量。上述技术目前还只能在很短的距离实现微小能量的传输。今后,科技工作者如能研发出大功率、远距离的无线能量传输装置,将有可能引起能源领域一场变革。
无线电力:共振原理抓住电磁波其实,科学家早在19世纪就发现了电磁转换现象,从理论上说,电力可转化为通过无形的介质传播的电磁波,实现电力的无线输送。但是电磁波向四面八方辐射,能量大量散失,
因此“无线输电”的研究始终进展不大。
“无线电力”技术的突破之处在于,到了“抓住”电磁波的方法,即利用物理学的“共振”原理——两个振动频率相同的物体能高效传输能量。研究小组把共振运用到电磁波的传递上。他们利用铜制线圈作为电磁共振器,一团线圈附在传送电力方,另一团在接受电力方。当传送方送出某特定频率的电磁波后,经过电磁场扩散到接受方,电力就实现了无
线传导。
压缩木耳电磁谐振原理
什么是共振呢?以我们比较熟悉的秋千为例。当小孩坐在秋千上,身体晃动的频率与秋千的频率一致时,会产生共振,然后小孩就能持续地提供给秋千能量。再如,声音共振。如果一个房间里面有100个同样的酒瓶,每个酒瓶中倒入不同量的酒,那么所有酒瓶的共振频率是不同的。但是如果有个歌剧演员在房间里大声唱一个音符的话,与该音符频率相同的那个酒瓶有可能接受并积累能量,甚至会爆炸,而其他酒瓶则不受影响。与上述的共振类似,当物体间以相同频率共振时,就有可能有效实现无线能量传输。研究小组把共振运用到电磁波的传递上。他们利用铜制线圈作为电磁谐振器,一团线圈附在传送电力方,另一团在接受电力方。当传送方送出某特定频率的电磁波后,经过电磁场辐射到接受方,电力就实现了无线传输。
对于今后无线电力传输的应用,电磁谐振具有无可比拟的优势。因为,日常生活中应用的很多物体,与电磁场的反应很微弱。正如麻省理工学院一名物理学硕士所言:“电磁场与生物机体的反应微弱,会使无线电力传输的安全性能大大提升”。实验中的两个铜线圈,虽然在彼此之间产生了强大的磁场,但是对周围环境的影响很小。
工业氯化钙马林-索尔贾希克教授提出了共振这个概念,他认为当物体间以相同频率共振时,就有可能有效实现无
线能量传输。为此,他使用了两个铜线圈,让其中一个传输能量,另一个则接收能量。马林-索尔贾希克解释说,未来的无线电力传输系统首先要解决电力生产和输送两大问题。从低频波到宇宙射线,整个电磁波波谱皆存在着波动。而波动向外发射时携带着能量,频率越高,能量越大。如果这种电磁波能够烹饪食品,当然也能提供电能,人们要做的仅仅是将微波转变成传输效率更高的长波
科学家们称,对于无线电力传输产生的微波,人们感到担心是完全没有必要的,如果其微波射向宽广的区域,则毫无危险可言。就象是我们将手放入工作中的微波炉中,手当然会被烧伤,但如果将微波炉门打开,人站在离其3米以外就不会受到任何伤害。就像电灯一样,用手去触摸亮着的灯泡会感到灼热,但并不妨碍人们在灯下阅读报纸。根据科学界目前达成的协议,电源2.45千兆赫兹的频率主要用于未来的电力传输,该频率可使能量轻易穿过大气层,随后其能量将最终转变成高压直流。
(时报讯据《中国日报》报道,以电话、网络为代表的通信技术早已实现了从有线到无线的飞跃,如今电力传送也将迎来无线时代了!美国科学家日前成功开发出了一项“无线输电”技术,它能为室内的灯泡、手机、电脑“隔空充电”,这将令插座、电池和盘根错节的
琉璃砖电线都成为历史名词。
点亮两米外灯泡
汽车尾气抽排系统
数字式水表据英国《泰晤士报》8日报道,麻省理工学院的研究团队7日在美国《科学》杂志的网站上发表了他们的研究成果。这项被他们称为“无线电力”的技术经过多次试验,已经能成功为一个两米外的60瓦灯泡供电。目前这项技术的最远输电距离还只能达到2.7米,但研究者相信,电源已经可以在这范围内为电池充电。而且只需要安装一个电源,就可以为整个
屋里的电器供电。
领导这项研究的索尔亚希克教授说:“我总是忘记给手机充电,它一个月会六次发出电力不足的警告声,我就想,这个家伙要是能自己充电就好了。”
5年实现电器无线化
有了这一技术,屋子里只要有个无线电源,手机、MP3和电脑就能随时充电,并从此杜绝因废弃电池带来的环境污染。索尔亚希克教授说:“我们已经掌握了‘无线输电’的最具发展潜力的技术。现在是认真考虑商业化问题的时候了。”
不过这项技术目前也面临着一些障碍,比如点亮灯泡时,电力在传送中流失了45%,目前该系统的供电效能仅为普通化学电池的一半因此输电效率必须提高一倍才有望取代化学电池。不过索尔亚希克教授认为,这些问题将在3至5年内解决。)
2在非洲留尼汪岛西南部的格朗巴桑大峡谷进行了一场特殊的实验:一只200瓦的灯泡
亮了起来。在灯泡周围,既没有电线,也没有插头和插座。实验者居伊·皮尼奥莱是一位从事太空研究的工程师。
居伊·皮尼奥莱的试验就是利用微波进行长距离无线输电。一部发电机发出的电能首先通过磁控管被转变为电磁微波,再由微波发射器将微波束送出,40米外的接收器将微波束接收后由变流机转换为电流,然后将电灯泡点亮。这次试验的成功,仅是走出了无线输电的第一步。
第二步将从2003年开始,即给整个格朗巴桑村供电。这一步的试验室试验阶段已经完成。目前,第一批发射器和接收器样机已由留尼汪的企业造出。工程技术人员决定在距格朗巴桑村700米远的山头上建一座高压电线塔,在山头的峡谷边缘修建发射器,发射器由一个小型的喇叭状天线和一个抛物柱面反射器组成。发射器的磁控管将高压电线塔输来的电能转换为电磁波束,电磁波束被谷底格朗巴桑村旁呈蜂窝状的接收器接收。随后,电磁波能先被转换为高压直流电,然后再被转换为低压直流电,最后被转换为220伏的普通交流电供格朗巴桑村使用。最终,磁控管的优点是价格低廉,缺点是寿命短、工作频率难以控制。因此,磁控管将被雷达系统上常用的速调管所取代。速调管的工作频率极易控制,寿命也比较长,但其价格比磁控管要昂贵得多。第三种取代方案是使用半导体。
在陆地上无线输电的好处是发射器和接收器与大自然融为一体而不破坏环境,高压线输电或太阳光电
板则会破坏环境;无线输电的成本比地下电缆输电的成本要低得多,甚至比用柴油发电机组发电的成本还要低。用于无线输电的微波束的强度仅为每平方厘米5毫瓦,比每平方厘米100毫瓦的阳光强度小得多。因此,微波无线输电十分安全,它不会发生电离,不会使周围生物的基因发生变异。在微波接收器下面甚至可以种植蔬菜。
研究人员下一步的计划是在太空建一座太阳能发电站:将一些地球卫星送入距地面3.6万公里高的同步轨道上,卫星上的光电板将太阳的光能转换为电能,然后将电能用微波的形式传送到地球表面。太空上的光电板平均每平方厘米可以接收140毫瓦的光能,为地球表面光能接收效率的8倍。而且,在太空,光能的接收不受昼夜、阴晴和季节变化的影响。
据悉,对于太空电站生产的电能,日本和加拿大打算将电能通过微波由一架小飞机运回地面,而法国则打算在同步轨道上安置一面直径为1公里的镜子,将呈微波状态的电能反射传输到墨西哥与巴黎、撒哈拉与北京、澳大利亚与纽约之间,即将电能传输到需要它的地方。日本计划在2040年前后建立太空发电站
3在2008年8月的英特尔开发者论坛(IDF,Intel Developer Forum)上,西雅图实验室的约书亚·史密斯(Joshua R. Sm ith)领导的研究小组向公众展示了一项新技术——基于“磁耦合共振”原理的无线供电,在展示中成功地点亮了一个一米开外的60瓦灯泡,而在电
源和灯泡之间没有使用任何电线。他们声称,在这个系统中无线电力的传输效率达到了75%。
英特尔的这种无线供电技术,是基于麻省理工大学的一项研究成果而开发的。马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振”,而他本人也因为这一发明获得了麦克阿瑟基金会2008年的天才奖,新技术所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一,不由让人们对室内距离的无线供电重新燃起了希望。而它的关键在于“共振”。
科学家们早就发现,共振是一种非常高效的传输能量方式。我们都听过诸如共振引起的铁
锡渣分离机
桥坍塌、雪崩或者高音歌唱家震碎玻璃杯的故事。无论这些故事可信度如何,但它们的基本原理是正确的:两个振动频率相同的物体之间可以高效传输能量,而对不同振动频率的物体
几乎没有影响。在马林的这种新技术中,将发送端和接收端的线圈调校成了一个磁共振系统,当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时,接收端就产生共振,从而实现了
能量的传输。根据共振的特性,能量传输都是在这样一个共振系统内部进行,对这个共振系统之外的物体不会产生什么影响。这就像是几个厚度不同的玻璃杯不会因为同一频率的声音
而同时炸碎一样。
最妙的就是这一点了。当发射端通电时,它并不会向外发射电磁波,而只是在周围形成一个
非辐射的磁场。这个磁场用来和接收端联络,激发接收端的共振,从而以很小的消耗为代价
来传输能量。在这项技术中,磁场的强度将不过和地球磁场强度相似,人们不用担心这种技术会对自己的身体和其他设备产生不良影响。
方案二:尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)的梦想——使用电磁波来远距离供电——也许很快就会变成现实。早在1890年,这位现代交流电系统的奠基者就开始构想无线供电方法,最后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。他想像广播一样,将电能传遍全球。为此,在J. P. 摩根的资助下,他在纽约长岛建立了57米高的瓦登克里夫塔(Wardenclyffe Tower)来实现这一构想,但最终被迫放弃。虽然我们现在可以从理论上证明特斯拉的方案的确可行,但是出于世界上各个国家的区隔,这种“天下大同”在短时间内恐怕不会成为现实
方案三:不过另一种远程无线供电方案可能会更容易实现一点。
加拿大科学家正计划制造一架无人飞机,飞行高度33千米,可以在空中连续飞行几个月。这可能是世界上第一架可以真正投入使用的远程供电飞机,本身不携带燃料,而是从地面的微波站中获取能量。
微波是指那些频率在300MHz到300KMHz之间的电磁波,它的波长在1米到1毫米之间。
因为电磁波的频率越高,能量就越集中,方向性也越强,所以人们认为,使用微波来无线传

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