遠(yuǎn)程能量傳輸：電力集束越來(lái)越實(shí)用和有效

研究人員向1公里外發(fā)射了大量能量。

電線也對(duì)電力公司提出了挑戰(zhàn)。為了避免大部分電力被沿途消耗，這些公司必須努力將傳輸電纜的電壓提升到非常高的水平。為電動(dòng)列車和有軌電車等公共交通供電時(shí)，電線需要結(jié)合滾動(dòng)觸點(diǎn)或滑動(dòng)觸點(diǎn)一起使用，而這類觸點(diǎn)很難維護(hù)，可能會(huì)產(chǎn)生火花，而且在某些情況下會(huì)產(chǎn)生有問(wèn)題的污染物。

許多人都渴望找到這些問(wèn)題的解決方案，過(guò)去10年，無(wú)線充電得到了廣泛采用，除了主要用于便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品外，也用于汽車。雖然使用無(wú)線充電器就無(wú)需反復(fù)連接和斷開電纜，但這種方式的能量傳輸距離非常短。事實(shí)上，當(dāng)空氣間隙只有幾厘米時(shí)，給設(shè)備充電或供電就很難了，更不用說(shuō)幾米了。真的沒有不用電線就能將電力輸送到更遠(yuǎn)距離的實(shí)用辦法嗎？

無(wú)線能量傳輸?shù)母拍顣?huì)讓一些人想起尼古拉?特斯拉用高壓線圈釋放出微型閃電的畫面。這種聯(lián)系是有道理的。特斯拉確實(shí)曾試圖以某種方式將地面和大氣層作為遠(yuǎn)距離輸電的管道，但這一計(jì)劃毫無(wú)進(jìn)展。然而，他不用電線就能遠(yuǎn)距離輸電的夢(mèng)想一直延續(xù)了下去。

與特斯拉同時(shí)代的古列爾莫?馬可尼（Guglielmo Marconi）發(fā)現(xiàn)了利用“赫茲電波”（即我們今天所說(shuō)的電磁波）來(lái)遠(yuǎn)距離發(fā)送信號(hào)的辦法。這一進(jìn)步帶來(lái)了使用同一種波將能量從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方的可能性。畢竟，所有儲(chǔ)存在木材、煤炭、石油和天然氣中的能量最初就是這樣到達(dá)這里的，數(shù)百萬(wàn)年前，這些能量大部分都以電磁波（即陽(yáng)光）的形式在太空中傳輸了1.5億公里。

今天能否利用同樣的基礎(chǔ)物理知識(shí)來(lái)取代電線呢？我和華盛頓美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的同事都這么認(rèn)為，以下是其中一些原因。

上個(gè)世紀(jì)，人們偶爾會(huì)嘗試使用電磁波作為無(wú)線能量傳輸?shù)氖侄危@些嘗試的結(jié)果有好有壞。1975年可能是無(wú)線能量傳輸研究的黃金年份，當(dāng)時(shí)雷神公司的威廉?布朗（Willian Brown）和NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的理查德?狄金森（Richard Dickinson，現(xiàn)已退休）使用微波在實(shí)驗(yàn)室中傳輸能量，其端到端效率超過(guò)50%。在一次單獨(dú)的演示中，他們將30多千瓦的功率傳輸了大約1.6公里。

這些演示是NASA和美國(guó)能源部為探索太陽(yáng)能衛(wèi)星的可行性而開展的一項(xiàng)大型活動(dòng)的一部分。據(jù)提議，太陽(yáng)能衛(wèi)星有朝一日將在太空中收集陽(yáng)光，并將能量作為微波傳輸?shù)降厍颉Ｓ捎谶@一研究方向在很大程度上受到了20世紀(jì)70年代能源危機(jī)的推動(dòng)，因此在接下來(lái)的幾十年里，至少在美國(guó)，人們對(duì)太陽(yáng)能衛(wèi)星的興趣逐漸減弱。

雖然研究人員經(jīng)常重新討論太陽(yáng)能衛(wèi)星這個(gè)想法，但那些實(shí)際進(jìn)行能量傳輸演示的人，在效率、距離和功率水平等方面都難以超過(guò)1975年達(dá)到的高水平。不過(guò)，得益于傳輸和接收技術(shù)最近取得的各種進(jìn)展，這種情況正在開始改變。

大多數(shù)早期的能量傳輸努力僅限于微波頻率，也就是今天的Wi-Fi、藍(lán)牙和各種其他無(wú)線信號(hào)所使用的電磁頻譜。之所以這樣選擇，部分原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)橛须S時(shí)可用的高效微波傳輸和接收設(shè)備。

不過(guò)，以更高頻率運(yùn)行的設(shè)備在效率和可用性方面均已有所提高。由于大氣限制了部分電磁頻譜內(nèi)能量的有效傳輸，研究人員將重點(diǎn)放在了微波、毫米波和光頻上。雖然微波頻率在效率方面略有優(yōu)勢(shì)，但需要更大的天線。因此，在許多應(yīng)用場(chǎng)景下，毫米波或光鏈路更合適。

在使用微波和毫米波的系統(tǒng)中，發(fā)射器通常采用固態(tài)電子放大器和相控陣、拋物面天線或超材料天線。微波或毫米波接收器則使用了一種被稱為“整流天線”的元件陣列。這個(gè)詞由整流器和天線組成，反映了每個(gè)元件如何將電磁波轉(zhuǎn)化為直流電。

任何光功率傳輸系統(tǒng)都可能使用光束嚴(yán)格受限的激光器，如光纖激光器。光功率傳輸接收器專門用于以非常高的效率將單波長(zhǎng)光轉(zhuǎn)換為電能的光伏電池。事實(shí)上，其效率可以超過(guò)70%，是一般太陽(yáng)能電池的兩倍多。

你可能會(huì)覺得，一臺(tái)以窄光束通過(guò)空氣傳輸大量能量的裝置像是一條死亡射線。這就觸及了關(guān)鍵問(wèn)題的核心：功率密度。從因?yàn)樘投鴽]有用的密度到因?yàn)樘叨芪ｋU(xiǎn)的密度，不同的功率密度在技術(shù)上是可能實(shí)現(xiàn)的。但也有可能在這兩個(gè)極端之間找到一種令人滿意的中間密度。還有一些巧妙的辦法可以實(shí)現(xiàn)高功率密度光束的安全使用。這正是2019年我們團(tuán)隊(duì)所做的事，從那時(shí)起，我們成功地?cái)U(kuò)展了這項(xiàng)工作。

我們的行業(yè)合作伙伴之一Power-Light Technologies（前身為LaserMo-tive）十幾年來(lái)一直在開發(fā)基于激光的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)。該公司因在2009年贏得了NASA無(wú)線能量傳輸挑戰(zhàn)賽（Power Beaming Challenge）而聞名遐邇，它不僅在為繩索攀爬機(jī)器人、四旋翼直升機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力方面取得了成功，還深入研究了用激光安全地傳輸能量的問(wèn)題。這很關(guān)鍵，因?yàn)槎嗄陙?lái)，許多研究小組已經(jīng)演示了激光無(wú)線能量傳輸，包括美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室、近畿大學(xué)、北京理工大學(xué)、科羅拉多大學(xué)博爾德分校、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）、空客公司等團(tuán)隊(duì)，但只有少數(shù)團(tuán)隊(duì)在每種可能的情況下都以真正安全的方式完成了相關(guān)工作。

在我們團(tuán)隊(duì)之前，也許最引人注目的安全激光無(wú)線能量傳輸演示是由Lighthouse Dev公司在2012年完成的演示。為了突出該系統(tǒng)的安全性，BBC科學(xué)節(jié)目《理論大爆炸》的主持人將自己的臉完全伸進(jìn)了馬里蘭大學(xué)兩棟大樓之間發(fā)出的能量束里。這個(gè)特別演示利用了一個(gè)事實(shí)，即某些紅外波長(zhǎng)對(duì)眼睛的安全性比紅外光譜的其他部分高出1個(gè)數(shù)量級(jí)。

這種策略適用于功率相對(duì)較低的系統(tǒng)。但是，把能級(jí)推得更高時(shí)，很快就會(huì)出現(xiàn)無(wú)論使用何種波長(zhǎng)都會(huì)引起安全問(wèn)題的功率密度。那怎么辦？這正是我們的演示系統(tǒng)的不同之處。在300米以外的距離發(fā)射400多瓦功率時(shí)，光束被包裹在一個(gè)虛擬外殼中，這個(gè)外殼可以覺察到撞擊它的物體，并在發(fā)生任何損壞之前觸發(fā)設(shè)備切斷主光束的能量。其他測(cè)試表明傳輸距離可以超過(guò)1公里。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)謹(jǐn)慎的測(cè)試（沒有邀請(qǐng)BBC科學(xué)節(jié)目主持人），這一功能符合了我們的要求，也通過(guò)了美國(guó)海軍激光安全審查委員會(huì)的審查。在演示過(guò)程中，這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)一步證明了其安全性，有幾次有幾只鳥飛向光束，引發(fā)了系統(tǒng)自動(dòng)暫時(shí)關(guān)閉。該系統(tǒng)會(huì)監(jiān)控光束所占據(jù)的體積及其周圍環(huán)境，因此當(dāng)路徑再次暢通時(shí)，電源鏈路會(huì)自動(dòng)重新建立連接。我們可以把它看作高階版的車庫(kù)門安全傳感器，防護(hù)梁的突然出現(xiàn)會(huì)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)門電機(jī)自動(dòng)關(guān)閉。

在我們的演示中，出席活動(dòng)的觀察員可以在發(fā)射器和接收器之間走動(dòng)，且無(wú)須佩戴激光安全護(hù)目鏡或采取任何其他防護(hù)措施。這是因?yàn)?，除了把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成能夠自動(dòng)關(guān)閉外，我們還認(rèn)真考慮了接收器反射可能產(chǎn)生的影響，或沿光束路徑懸浮在空氣中的粒子對(duì)光的散射作用。

我們的下一個(gè)目標(biāo)是在移動(dòng)平臺(tái)上應(yīng)用無(wú)線能量傳輸，并做好充分的安全措施。為此，我們希望擴(kuò)大覆蓋距離和提高輸送功率。

不過(guò)，除了我們，世界各地的其他政府、知名公司和初創(chuàng)企業(yè)都在努力開發(fā)自己的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來(lái)，日本一直是微波和激光無(wú)線能量傳輸領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，中國(guó)已經(jīng)縮小了這一差距，并且一直在趕超，韓國(guó)也是如此。

消費(fèi)電子領(lǐng)域也有很多參與者，如Powercast、Ossia、Energous、GuRu和Wi-Charge等。據(jù)跨國(guó)技術(shù)巨頭華為公司預(yù)計(jì)，用于智能手機(jī)充電的無(wú)線能量傳輸將在“兩三代（手機(jī)）”內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

在工業(yè)應(yīng)用方面，瑞奇實(shí)驗(yàn)室、TransferFi、MH GoPower和MetaPower等公司正在利用無(wú)線能量傳輸技術(shù)解決棘手問(wèn)題，即如何給存放在倉(cāng)庫(kù)等地方的機(jī)器人和傳感器電池充滿電并使其隨時(shí)可用。在電網(wǎng)層面，Emrod等公司正試圖將無(wú)線能量傳輸提升到新高度。

在研發(fā)方面，我們團(tuán)隊(duì)在過(guò)去一年中演示了1.6千瓦的安全微波無(wú)線能量傳輸，傳輸距離為1公里。II-VI Aerospace & Defense、Peraton實(shí)驗(yàn)室、Lighthouse Dev等公司最近也取得了令人矚目的進(jìn)步。如今，Solar Space Technologies、Solaren、Virtus Solis等雄心勃勃的初創(chuàng)企業(yè)以及其他低調(diào)的公司正在努力成為第一家實(shí)現(xiàn)從太空到地球的實(shí)用無(wú)線能量傳輸?shù)墓尽?/span>