無線供電

無線能量傳輸技術分為兩種類別:非輻射與輻射。非輻射技術在線圈之間以電感合，能量通過磁場傳送。應用例子有電動牙刷充電，RFID及智能卡心律調節器、電動車充電器。現在發展焦點是為行動電話等無線充電技術。輻射技術則以微波、激光等定向能波束把能量送，這種技術可以傳送致較遠距離，但發射一方必須瞄準接收一方發射。使用輻射技術的無線能量傳輸仍處於實實驗階段，提議使用的用途有太陽能發電衛星及無人飛行載具。

技術上，無線輸電技術與無線電通訊中所用發射與接收技術並無本質區別，但是前者著眼於傳輸能量，而非附載於能量之上的信息。無線輸電技術的最最大困難在於無線電波的彌散與不期望的吸收與衰減。對於無線電通訊，無線電波的彌散問題甚至不一定是件壞事，但是卻可能給無線輸電帶來嚴重的傳輸效率問題。一個辦法是使用微波甚至激光傳輸，理論上，無線電波波長越短，其定向性越好，彌散越小。亦有人擔心此項技術可能給人帶來的健康風險，雖然尚無太多證據證實或者否定這種風險，有實驗將幾代動物暴露於微波及比之更強的輻射環境，並未發現對健康造成任何影響。

美國無線電力公司在2009年的全球科技、娛樂及設計大會(TEDGlobal)上，成功利用線圈共振原理實現無線輸電，為兩台手機隔空充電，並開啟了一台沒有接電線的電視機。2010年1月，海爾在第四十三屆國際消費類電子產品展覽會(CES展)上推出全球首台無尾電視”，其中使用了麻省理工學院發明的無線輸電技術，利用“磁耦合共振”原理實現無線供電。

2007年6月，麻省理工大學的物理學助理教授馬林·索爾賈希克（Marin Soljacic）和他的研究團隊公開做了一個演示。他們給一個直徑60厘米的線圈通電，6英尺（約1.9米）之外連接在另一個線圈上的60瓦燈泡被點亮了。這種馬林稱之為“witricity”技術的原理是“磁耦合共振”，而他本人也因為這一發明獲得了麥克阿瑟基金會2008年的天才獎。新技術所消耗的電能只有傳統電磁感應供電技術的百萬分之一，不由讓人們對室內距離的無線供電重新燃起了希望。而它的關鍵在於“共振”。

科學家們早就發現，共振是一種非常高效的傳輸能量方式。我們都聽過諸如共振引起的鐵橋坍塌、雪崩或者高音歌唱家震碎玻璃杯的故事。無論這些故事可信度如何，但它們的基本原理是正確的：兩個振動頻率相同的物體之間可以高效傳輸能量，而對不同振動頻率的物體幾乎沒有影響。在馬林的這種新技術中，將發送端和接收端的線圈調校成了一個磁共振系統，當發送端產生的振蕩磁場頻率和接收端的固有頻率相同時，接收端就產生共振，從而實現了能量的傳輸。根據共振的特性，能量傳輸都是在這樣一個共振系統內部進行，對這個共振系統之外的物體不會產生什麼影響。這就像是幾個厚度不同的玻璃杯不會因為同一頻率的聲音而同時炸碎一樣。

最妙的就是這一點了。當發射端通電時，它並不會向外發射電磁波，而只是在周圍形成一個非輻射的磁場。這個磁場用來和接收端聯絡，激發接收端的共振，從而以很小的消耗為代價來傳輸能量。在這項技術中，磁場的強度將不過和地球磁場強度相似，人們不用擔心這種技術會對自己的身體和其他設備產生不良影響。

在2007年馬林演示他的成果的時候，這項技術能夠達到40%左右的效率。這在某些場合是可以接受的，但是人們還想更進一步。剛才我們提到的英特爾公司研究員們已經把傳輸效率提升到了75%，而馬林小組最近聲稱，他們做到了90%。這意味著，一年之間提高到原來的兩倍以上！

雖然成效驚人，但改進空間也依然很大。下一步，有望在提高傳輸效率的同時縮小發射端和接收端的體積，最終實現用電設備內置接收端的目標。

想象一下，這會對生活帶來什麼樣的影響？我們可以完全從需要的角度出發來擺放家用電器，不用再考慮附近是否有插座；我們在裝修房間的時候不用再考慮如何布設電線，筆記本電腦和手機這樣的小件電子設備永遠顯示電池充滿，清掃機器人在房間里跑來跑去，不用過一會就去找地方充電……這一天也許很快就會來到。市場上已經有了一些採用這種技術的原型產品，廣泛使用也只是時間問題罷了。

美國無線電力公司在2009年的全球科技、娛樂及設計大會（TED Global）上，成功利用線圈共振原理實現無線輸電，為兩台手機隔空充電，並開啟了一台沒有接電線的電視機。

2010年1月，海爾在第四十三屆國際消費類電子產品展覽會(CES展)上推出全球首台"無尾電視"，其中使用了麻省理工學院發明的無線輸電技術，利用“諧振感應耦合(磁耦合諧振)”原理實現無線供電。

無線能量傳輸技術分為兩種類別：非輻射與輻射。非輻射技術在線圈之間以電感耦合，能量通過磁場傳送。應用例子有電動牙刷充電、RFID及智能卡、心律調節器、電動車充電器、JR磁浮的車上供電。發展焦點是為行動電話等無線充電技術。輻射技術則以微波、激光等定向能波束把能量傳送，這種技術可以傳送致較遠距離，但發射一方必須瞄準接收一方發射。使用輻射技術的無線能量傳輸仍處於實驗階段，提議使用的用途有太陽能發電衛星及無人飛行載具。

無線充電，又稱作感應充電、非接觸式感應充電，是利用近場感應，也就是電感耦合，由供電設備（充電器）將能量傳送至用電的裝置，該裝置使用接收到的能量對電池充電，並同時供其本身運作之用。基本上由於充電器與用電裝置之間以電感耦合傳送能量，兩者之間不需使用電線連接，因此充電器及用電的裝置都可以做到無導電接點外露。那樣就比有線充電更為方便。

廣義地說，終端用電器通過無線的方式獲取電能的過程就叫無線供電，所獲得的電能是由其它形式的能量轉化面來的，無線供電裝置就是一套能量轉化為電能的裝置。

最常見的無線供電就是太陽能電池，它吸收太陽能量轉化為電能。

無線供電的形式有多種，所有攜帶能量的物質形式都有可能用來無線供電，如電磁感應，電磁共振，風力發電，太陽能發電，潮汐發電，微波供電，激光供電，遠紅外供電等等，只是這些發電方式有的設備相當複雜，體積龐大，不能直接用與終端設備整合成一體，而是通過電線與終端設備相連。

狹義地說，通常我們把電磁感應和電磁共振叫作無線供電，簡單地認為這是一個電與電之間的無線連接，事實上，它們都是線歷了二次轉換，即：發射部分將電能轉化為磁能，然後由接收部分將磁能轉化為電能。電磁感應的距離是很近的，通常在30厘米以內，電磁共振的距離稍遠些，距離為數厘米到3米以內，此類無線供電能方便地傳輸較大的功率，數千瓦甚至數十千瓦，工業上使用的有軌非接觸式無線供電就是這種類型，它是將一個發射線圈做成軌道，用電器沿著軌道運行，一個磁芯騎（串）在軌道上，接收線圈通過磁芯的耦合從軌道上獲取電能。

2006年，麻省理工的無線供電實驗屬於電磁共振，同年明天科技的VOX無線供電晶元也屬於此類。

微波的無線供電具有很好的穿透性，傳輸距離遠且受障礙物影響較小，在金屬表面反射等特點，但微波可能會對環境產生較大的影響，特別是對人和動物的影響。激光的無線供電具有直線傳播、能量集中、距離遠和穿透性差等特性，易受障礙物的影響，對人和動物特別是眼睛的影響較大，通常不適合於民用。但明天科技採用了一種平面發散發射技術，使這一現象得到了明顯的改變，並實現了與普通激光相近的傳輸效果，距離可達數十米甚至數十千米，在確保安全的前提下，使這一技術廉價化和民用化成為可能。

尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的夢想——使用電磁波來遠距離供電——也許很快就會變成現實。早在1890年，這位現代交流電系統的奠基者就開始構想無線供電方法，最後提出了一個非常宏大的方案——把地球作為內導體、距離地面約60千米的電離層作為外導體，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遠距離傳輸電力。他想像廣播一樣，將電能傳遍全球。為此，在J. P. 摩根的資助下，他在紐約長島建立了57米高的瓦登克里夫塔（Wardenclyffe Tower）來實現這一構想，但最終被迫放棄。雖然我們現在可以從理論上證明特斯拉的方案的確可行，但是出於世界上各個國家的區隔，這種“天下大同”在短時間內恐怕不會成為現實。不過另一種遠程無線供電方案可能會更容易實現一點。

加拿大科學家正計劃製造一架無人飛機，飛行高度33千米，可以在空中連續飛行幾個月。這可能是世界上第一架可以真正投入使用的遠程供電飛機，本身不攜帶燃料，而是從地面的微波站中獲取能量。

微波是指那些頻率在300MHz到300KMHz之間的電磁波，它的波長在1米到1毫米之間。因為電磁波的頻率越高，能量就越集中，方向性也越強，所以人們認為，使用微波來無線傳遞能量可能是最好的選擇。更何況，微波可以通過硅整流二極體天線轉換成電能，轉化效率可以高達95%以上——這樣高的轉化率已經可以讓人滿意了。

在這架無人機起飛之後，地面的高功率發射機通過天線將發射機所產生的微波能量匯聚成能量集中的窄波束，然後將其射向高空飛行的微波飛機。微波飛機通過微波接收天線接收能量，轉換成直流電，再由直流電動機帶動飛機的螺旋槳旋轉。因為無需攜帶燃料和發動機，這種飛機的有效載荷將會大大提升。

其實早在1968年，美國航天工程師彼得·格拉澤(Peter Glaser)就已經更進一步，提出了空間太陽能發電(SSP，Space Solar Power)的概念。他設想在大氣層外通過衛星收集太陽能發電，然後通過微波將能量無線傳輸回地面，並且重新轉化成電能供人使用。這一設想，不是在僅數十千米的距離上用微波傳遞能量，而是要把能量在三萬多千米之外，從太空精確地射向地面接收站。

想象一個地球同步衛星。它停留在赤道上空36，000千米的高度，太陽能電池陣列始終對太陽定向，微波發射天線則瞄準地面的接收天線。這兒，不存在在地面接收太陽能所必然面臨的照射時間、氣候、重力等問題，每年有277天可以全天接受日照，而被地球遮擋時，最長停電時間也不過75分鐘。它每年有99%以上的時間把源源不斷的太陽光能轉化為電能，效率將比地面上同樣規模的太陽能電站高出十倍左右。

1977~1980年，美國宇航局和能源部共同出資，對空間太陽能發電的問題進行了概念研究，得出結論：這種方式不存在不可克服的技術困難。但是後來這個計劃一度被鎖進保險櫃，原因在於耗資驚人。目前把物品送上太空還是很花錢的，要在太空中組裝一顆收集太陽能來發電的衛星，成本令人難以接受。

不過，隨著地球上不可再生資源的逐漸消耗，這個計劃又被擺上了桌面。現在有幾個能源消耗大國和能源匱乏的國家正在論證這種方案的可行性，並且開始了小規模實驗，來驗證在大氣內進行微波能量傳遞以及從太空向地面發射微波束的實際效果，而目前比較樂觀的估計是，2010～2020年太陽能發電衛星就可以進入實用階段了。

感謝邁克爾·法拉第（Michael Faraday），這個英國人在1831年發現的電磁感應，帶領我們進入了電氣時代。到了今天，誰不需要電？法拉第的發現，也促進了近距離無線供電技術的發展。最早的工業化近距離無線供電技術早在1885年就已經被實際應用了：隨便拆開一個家用變壓器，我們就會看到變壓器里會有兩組導線纏在一個鐵芯框架上，但它們彼此並沒有直接相連。

不僅如此。公共交通卡、一些學校的飯卡，還有二代身份證，這些也都需要電。在這些卡證中都有一塊小小晶元，裡面最少存儲著一個唯一的編號。這一小塊晶元就像是我們的一條內存或者一塊硬碟，沒有電的時候，它和一粒沙子沒什麼區別。即使儲存了很多信息，也沒有辦法傳遞出來。

這種卡證的供電原理與變壓器的原理類似。讀卡機周圍會形成一個快速變化的磁場，晶元進入這個磁場時，周圍的線圈內就會產生感應電壓，激活晶元，並且把自己的編號通過線圈發射出去被讀卡機接收。讀卡機會根據編號的不同而做出不同的反應，例如告訴你現在飯卡賬戶里還剩多少錢。

通過電磁感應來進行無線供電是非常成熟的技術，但會受到很多限制。最主要的問題是，低頻磁場會隨著距離的增加而快速衰減。如果要增加供電距離，只能加大磁場的強度。然而，磁場強度太大一方面會增加電能的消耗，另一方面可能會導致附近使用磁信號來記錄信息的設備失效。我們都不想自己的硬碟裡面的數據被強磁場一筆勾銷吧。

所以這種方式往往會應用在一些防水要求比較高的小家電上，例如某些電動牙刷和電動刮鬍刀等。人們也在嘗試用電磁感應為手機這樣的小型設備充電。從2005年開始，市場上就已經有了一些無線充電器，但使用起來並不能算是很方便，充其量也只是減少了我們把手機插上變壓器的麻煩而已。有了室內距離的無線供電設備，誰還需要這種東西呢

我們經常會使用和風箏相關的比喻。風箏飛得再高，也總會有一根線握在手裡。斷線的風箏也許會一時飛得更高，但最後一定會墜落地面。也許以後會改用遙控航模的比喻吧——沒有線，卻依然盡在掌握。

當可以在遠距離、中等距離和近距離都廣泛實現無線供電的時候，人類目前最常用的能量將會變得像空氣一樣隨處可得。無需再抱怨沒有合適的充電器，不用再為電子設備準備厚重的電池以盡量延長它們的待機時間。我們可以把手持設備做得更小更薄，甚至可以容易地植入體內。在那時候，生活又是何等一幅模樣？

沒有人知道。當終於可以解開電線的束縛時，我們會飛得更高，走得更遠，遠到超出想象。正如每天呼吸空氣而不自覺一樣，我們終會把無處不在的無線電力當作一件自然而然的事情，卻忘了僅僅在200年前，祖輩們還僅僅把電當成一種用來博人一笑的小小魔術。

也許有一天，我們會對我們的下一代談起我們年輕的時候。講述中極盡描述從線纜束縛的無奈走到無線的自由這一過程。會回味那些有電線的日子，不可避免地談及那些因電線接頭鬆動讓所有工作成果化為一縷青煙的小插曲。會懷念電池的質感，會懷念在抽屜里纏成一團的充電器的沉穩踏實。也許還會一遍遍提起法拉第、麥克斯韋，以及特斯拉這些名字。我們會像小時候的老師那樣，循循善誘地提問：“那麼，電是從哪裡來的呢？”

也許，坐在對面的小孩，會像《三體II·黑暗森林》中那個兩百年後的漂亮女護士一樣，不以為然地說：“電？到處都有電啊。”

為了這樣輕率的答案而微笑吧，欣慰的是，他們，終於擁有了一個比我們更加寬廣更加自如的世界。