无线供电：在探索中前行

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2010年1月7日-10日，一年一度的CES（国际消费电子展）在美国拉斯维加斯举行，在距离展会现场不远的一家酒店里，WiTricity公司约请了各大消费电子产品公司和一些便携式电脑厂商负责人来到它们租住的房间。WiTricity公司给大家展示的是应用了最新无线供电技术的一些概念性产品，如一台不用任何电池也不用任何电线就能正常工作的平板电视机：这台平板电视机后面装有一个特殊的线圈，而另外一个负责供电的装置里也装有一个特殊的线圈，这两个线圈尺寸不一样，线圈彼此并不朝着对方，正是这两个关键的部件实现了无线供电，最终实现了无需电线就能给这台电视提供电力支持。

WiTricity公司的工作引起了参观者对无线供电技术的极大兴趣。事实上，实现无线供电、摆脱电缆的束缚可以说一直是人类的一个梦想。而自从美国麻省理工学院著名物理学家马林·索尔贾希克（Marin Soljacic）教授率先提出新的无线供电技术以来，人们就在期盼这项研究能有突破性进展，特别是2007年6月马林·索尔贾希克的团队给一个直径60厘米的线圈通电成功地点亮了2米之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡，更是让人们对这项技术的商业前景非常看好。一些公司和风险投资商开始进入这个市场，只有16人的WiTricity就是这样的一家公司，WiTricity公司目前最主要的工作之一就是将马林·索尔贾希克教授开发的无线供电技术商业化。

借助共振传递能量

无线供电并不是在空中直接传送电能，而是利用强度非常低的磁场在空中传输能量。这种磁场类似地球磁场，但区别在于，无线供电使用的是振荡磁场，而地球磁场是静态磁场。简单说来，无线供电就是利用共振来传送能力。单就技术而言，只要能设计出振荡频率一模一样的电源和电力捕获装置，就能实现 “强共振磁耦合”（Highly Resonant Magnetic Coupling）。

其实，共振是两个设备之间互相传递能量的一种非常高效的方法。共振在生活中也很常见，它存在于许多物理系统中。最常见的例子就是高音歌唱家引吭高歌后，房间另一头的玻璃应声而裂，这就是声音共振。原理在于，玻璃的共振频率与歌手的噪音一样，玻璃获取了这能量。不过，要让两个物体彼此产生磁共振要难得多。马林·索尔贾希克博士是最早从大自然的共振中得到启发的人之一，他很早就开始探索能不能让间隔一定距离的两个磁性设备产生共振、传递能量。最终马林·索尔贾希克博士及其团队攻克了这个难关，掌握了让这些设备产生所需要的磁共振的方法。

实际上，观察一下将交流电变成低压电、供手机或便携式电脑使用的变压器的内部构造，就会发现其中有两个彼此挨得非常近的线圈。一个线圈形成磁场后，会在另外一个线圈上感应出另一个磁场。但如果让两个线圈稍稍远离一点，它们就会停止工作，因为只有在非常短的距离才会产生感应现象。比说，可以买到里面装有线圈的电动牙刷，底座有另一个线圈，电能就会无线传输，但如果将牙刷从底座稍稍拨出一点，就会停止充电。麻省理工学院的马林·索尔贾希克博士一个很关键的研究课题就是设法把线圈距离拉大到大于线圈尺寸的位置。

马林·索尔贾希克博士先从理论上进行了论证，并在著名的学术杂志《科学》上撰文公开了论证过程，但当时很多人们不相信他，认为这不可能做到。后来，马林·索尔贾希克率领其团队开始着手将理论落实。到2007年6月，马林·索尔贾希克和其同事们的研究工作取得了重大进展。他们公开进行了试验：团队所有成员都坐在两个线圈之间（两个线圈即所谓的共振器，它们会在一定频率下产生振荡），结果一方可将足够电能传递给另一方，最后点亮了一只60瓦灯泡。这也打消了很多人的疑虑，使人们最终相信无线供电技术是可行的。

消费电子设备和汽车率先受益

无线供电技术一进提出就激起人们的广泛关注。首先它让我们摆脱了电缆的限制，行动更为方便和自由，这也正是科学技术最重要的目标之一。而另一方面，从环保上来说，无线供电也具有非常重要的作用。

“考虑一下一次性电池与电网各自的经济成本。大多数人只知道电池的成本高于电网，但他们都没有认识到使用电网要比使用一次性电池要划算得多。比如，美国电网电力的成本大概是每度电10美分。这意味着，1度电可以让10只100瓦灯泡亮1小时，而电费只需要10美分。”WiTricity该公司的首席执行官Eric Giler介绍说，“如果你弄来数量足够多的AA电池，获得足够的电力让10只100瓦灯泡亮上1小时，就要花350美元。而且，电池电量用光后被扔到废渣填埋场，任其腐烂，有毒化学物质就会渗出来——这对环境造成的危害很大。”

Eric Giler以无线鼠标为例来说明这个问题。无线鼠标使用一次性电池，而实际使用时它离电网电力只有几英寸的距离，基本上是触手可及。相比较而言，用电池显然要贵多了，而且使用无线电力为无线鼠标供电不但能省钱，还能保护环境。

研究人员认为可能率先用上无线供电技术的一种设备是电动车辆。电动车辆是未来汽车的一个发展方向，但是，要给电动车辆找到插座接通电源充电却是一件很麻烦的事情，比如一旦遇到暴风雨，传统的充电方式就非常危险，这时只能拨掉电源或者只好卷起脏兮兮的电线放到后备箱。

“设想一下：车开到车库后你就不用管他，车子就能自动充电。因为地面有一块垫子，而你的车子底部有一个线圈。还有，在停车场专门配有电动车辆泊车区，这个泊车区的地下埋有无线充电装置，可以自动给车充电。这肯定会给电动汽车的使用者带来很大方便。”Eric Giler说。

另一种设备是小型移动电子产品。现在的人们常常同时携带几种手持移动设备，如相机、MP3播放器和手机等，这些设备都使用不同类型的电池，因而配有各种不同的充电器。如果在这些设备内置一种无线充电装置，就可以让人们摆脱线缆的束缚，同时也无需再配各种充电器了。与电动汽车相比，Eric Giler认为这方面的产品可能要更早一些上市。

第三种是某些固定的电子设备，比如电视机、立体声音响和电脑设备等使用电池或电线的设备。在今年的CES期间，WiTricity公司除了展示了无线供电的电视外，还向便携式电脑厂商们演示了如何给笔记本电脑供电：只要把笔记本电脑放到底部装有线圈的桌面上就可以为它充电，因为桌子的背面有一个塑料模，里面的线圈让桌子成为一个通电表面。

“我们正在尝试把线圈做到那些常见手机里面，比如黑莓Curve、诺基亚N96、谷歌GI和苹果iPhone，只要把这些手机放到桌面上，就会看到它们开始充电。”Eric Giler介绍说，“未来的有一天，我们可以实现通过埋在天花板里的线圈为整间房子里面的众多设备供电，这样人们回家后只要把手机放到通电的桌面，即使手机角度不正，它也会自动充电。”

据Eric Giler介绍，这些设备中的线圈能做得很小。WiTricity现在已经能做到让装有充电线圈的手机与普通手机差不多一样大。当手机与充电的基座接近离时，可能距离1.5米时左右手机会开始充电。而且，充电的电脑和手机仍然可以使用，虽然这些设备正在磁场被充电。而之所以没有干扰，就是因为所用频率全然不同。另外，WiTricity公司还在针对军用和工厂机器人进行无线充电的试验性研究。

仍处于完善阶段

总体来说，无线供电技术仍然处于研究过程，要真正进入实用阶段还有不短的时间。不过这并影响厂商的热情，目前进入到无线供电技术领域的公司已有10多家。这10多家公司又分为两大阵营。第一个阵营（大约9家公司），它们使用的是传统的电磁感应技术。现在有些超市已经可以买到此类产品，如手机充电垫，人们可以将手机搁在充电垫上面进行充电，不过，这种充电方式对手机的摆放位置和方向有严格要求，必须完全正确，另外，效率很低。另外几家是可以实现较远距离无线输电的公司（WiTricity公司也是其中之一），这类公司用的是强耦合磁共振技术。比如，美国加利福尼亚州有一家公司采用光来输电，用一种激光对准光电探测器，光电探测器捕获到光后，把它重新转换成电。这种方式的主要缺陷在于，物理干扰会中断供电，实际应用受到了局限，因此要非常慎重地应用。还有另一家公司则采用射频技术。它们发射无线电场，但强度只有3瓦大小，所以只适合传输非常小的能量，而无法传输强电能，而且效率也只有几千分之一，因为大部分电能完全散发到空中了。

在这些公司中，WiTricity的工作值得一提。该公司已经研发出来的无线供电设备可以无线输送几毫瓦到几千瓦之间的电能，输电距离也在几厘米到几米之间。据Eric Giler介绍， WiTricity正在试验为7英尺之外的设备供电，而目前面临的一个困难是让供电装置能自动根据用电设备的需求为其充电。

“考虑到诸多设备有不同类型的电池，要求不同的电量，而线圈不能仅仅输出稳定电量或者接受能量，还要自己弄清楚需要多少电量，这就需要两边的电子设备很高的智能，眼下做到这一点其实有些难度。” Eric Giler说。

另外，提高供电效率也是供电技术研究中的一项重要内容。目前的无线供电技术研究中用共振器之间传输电能的百分比来表述效率，这种效率随着距离的增加衰减很快。比如，有两个尺寸一样的共振器，假设大小为D，而且线圈之间的距离小于或等于D，那么就能传输95%的电能。如果把两个共振器分开得远一些，比如5D，只能传送10%左右的电能。目前，WiTricity研制的系统大多数工作于这个距离范围。

幸运的是，效率并非总是那么重要。Eric Giler说：“如果你给车辆充电，要充3000瓦的电，就会非常关注高效率。如果只是手机，你不会太关注。如果换成碱性电池，即使供电效率只有1%，还是比用电池供电划算，因为一次性电池的电能成本是电网电能的350倍。”

不干扰心脏起搏器

这项技术安全吗，这是很多人首次听到无线供电技术的一个很自然的疑问，因为我们从小接受的关于电的教育告诉我们，电是很危险的。而研究者认为，这项技术是安全的，正如声音共振能震碎窗户上的玻璃而不会振裂房间里别人的耳膜一样，人是很安全的，因为只有玻璃这个物体与歌手所唱的曲调有着同样的共振频率。而且磁场对生物体根本不会有太大干扰。在磁体面前，人如同空气。人不会干扰磁体，磁体也不会对人有太大干扰。

“请记住，这不是辐射，而是强耦合磁共振。”Eric Giler说，“而且，目前所使用的频率范围是可以选择的，通常可用频率从100千赫直到数十兆赫。不过，要激发工作频率在100千赫以上的心脏起搏器还是非常难，因为我们所用的频率一般要这频率高得多。”

这项技术的一个好处在于电能不会跑到别的地方，它不会散发到周围环境，而是由每个共振器保留起来，彼此之间共享，最终以电阻热损失的方式散逸。但这不是磁能意义上的辐射能，因此不会干扰Wi-Fi或手机。

“无线供电技术仍然是一种处于研究过程中的技术，技术仍在进步。但前景无容置疑，设想有一天，你家里所有的设备都可以使用同一面墙壁后面的电源，这将是多么令人激动的事情。虽然今天还不能，但这一天是完全有可能，只要技术逐步完善，而且不同厂商之间的产品都符合一个共同的标准。” Eric Giler总结说。