既然電磁感應方式實現并不復雜,為什么使用該類技術的無線充電器普及這么困難呢?簡單地說,最大障礙就在“傳輸距離”方面。眾所周知,傳輸電力即便通過金屬線路傳輸,距離遠了也會產生相當大的線路損耗,更別提通過空氣傳輸了--距離增大以后感應的能量會迅速減少。可以想象,在一些特殊領域如果不能突破距離限制,無線充電已經毫無意義。例如植入體內的儀器,難道必須施行外科手術才能更換電池。太可怕了!還有那種安置在動物身上的無線定位裝置,怎樣為其補充電能也很關鍵。
為了在無線傳輸距離上有所突破,MIT的助理教授馬林·索爾賈希克(Marin Soljacic)和他的研究小組在長達4年的實驗研究中終于獲得重大突破。他們在實驗中使用了兩個直徑為50cm的銅線圈,通過調整發射頻率使兩個線圈在10MHz產生共振,從而成功點亮了距離電力發射端2m以外的一盞60W燈泡。而且,即使在電源與燈泡中間擺上木頭、金屬或其它電器,都不會影響燈泡發光(圖7)。
圖7兩個線圈之間用木板隔斷,對傳輸效果毫無影響
同時,MIT的科學家們還對無線電力傳輸理論進行了研究。他們確定了兩個電磁線圈之間形成磁場強耦合的條件,并給出了富有啟發性的結論:
a.可行性。通常情況下,電磁輻射具有發散性,相隔較遠的接收器只能接收到發射能量的極小一部分。而當接收天線的固有頻率與發射端的電磁場頻率一致時,就會產生共振,此時磁場耦合強度明顯增強,無線電力的傳輸效率大幅度提高。MIT的實驗表明,當收發雙方相隔2m時,傳輸60W功率的輻射損失僅為5W。因此,在幾米內“中程”(相較于“近程”和“遠程”而言)傳輸電力是可行的。
b.安全性。從電磁理論而方,人體作為非磁性物體,暴露在強磁場環境中不會有任何風險。醫院對病人進行核磁共振檢查時,磁場強度高達B~1T也不會傷害人體。相比之下,共振狀態下磁場強度處于B~10-4 T數量級,僅相當于地磁場的強度,因此不會對人體構成危害(圖8)。
圖8索爾賈希克(第二排左一)與MIT研究小組成員在兩個實驗線圈之間留影,以消除人們對磁場輻射的擔心。
4 長江后浪推前浪,射頻充電器更勝一籌
就在MIT科學家的研究工作取得實質性進展的輝煌時刻,一家名為Powercast的公司突然推出了一種適合中短距離使用的無線充電裝置。與前面提到的SplashPower和WildCharge兩家公司的接觸式充電器不同,Powercast公司的射頻充電器不需要充電墊子,電子設備擱置在距離發送器約1m范圍內的任何地方都可以充電。
Powercast公司的無線充電系統包括一個安裝在墻上的發送器以及可以安裝在電子產品上的接收器(圖9)。發送器這邊利用915MHz頻段把射頻能量發送出去,而接收器則利用共振線圈吸收射頻電波。
圖9收發雙方通過共振圈傳輸能量
5 Tips
目前國際上廣泛采用的射頻頻率分布于低頻(125KHz)、高頻(13.54MHz)、超高頻(850MHz~910MHz)和微波(2.45GHz)4個波段。無線射頻識別(RFID)通常使用超高頻波段的頻率,而Wi-Fi信號則是使用頻率為2.4GHz的微波。MIT研究小組在進行無線電力傳輸實驗時采用的頻率為4~10MHz。據說Powercast公司曾嘗試過使用上述各種波段的射頻電波進行電力傳輸,但只有當頻率為900MHz左右時接收到的能量最強。
射頻電能傳輸與老式的礦石收音機的收音過程相似。礦石收音機自身沒有直流電源,它利用天線接收來自電臺的載波,經過檢波后在聽筒中產生音頻電流。Powercast公司聲稱,這個無線充電系統絕不比一部收音機復雜,而且造價低廉,基本接收裝置成本只需5美元。依賴這樣的技術優勢,Powercast公司已與手機、MP3、汽車配件、體溫表、助聽器及人體植入儀器等產品的百多家生產廠商簽署了合作協議,還會與飛利浦合作在今年年內推出無線充電的LED電筒、明年推出包括鍵盤/鼠標在內的更多無線電腦外設。
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