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未來(lái)最重要的電磁輻射排放源:無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的發(fā)展歷史

來(lái)源:北京康高特儀器設備有限公司 發(fā)布時(shí)間:2016-10-25 18:07:45 作者: 瀏覽次數:1386次 分類(lèi):技術(shù)文章

        實(shí)際上無(wú)線(xiàn)供電的設想早在一百多年前*已經(jīng)出現。早在1890年,尼古拉?特斯拉(Nikola Tesla),這位現代交流電系統的奠基者*開(kāi)始構想無(wú)線(xiàn)供電方法[8],*后提出了一個(gè)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(huán)繞地球的表面電磁波來(lái)遠距離傳輸電力。他想像電能能像廣播一樣傳遍全球。1900年,特斯拉得到了150,000美金的研究經(jīng)費(51%來(lái)自于J.P.摩根),并開(kāi)始計劃建造華登克里夫塔(Wardenclyffe Tower,見(jiàn)圖1.1),這個(gè)塔一度被當時(shí)的報紙稱(chēng)為“特斯拉的百萬(wàn)大建筑”,特斯拉希望用這個(gè)塔進(jìn)行跨大西洋的無(wú)線(xiàn)電廣播和無(wú)線(xiàn)電能傳輸實(shí)驗。特斯拉*終建成了一座高187英尺的鐵塔,鐵塔頂部有一個(gè)直徑為68英尺的半球型圓頂。鐵塔尚未完工,特斯拉*迫不及待地開(kāi)始了他的實(shí)驗。而1908年通古斯大爆炸之后,特斯拉停止了無(wú)線(xiàn)電能傳輸實(shí)驗甚至有人懷疑,1908年的通古斯大爆炸也與特斯拉的華登克里夫塔有關(guān),由于紐約市民關(guān)于華登克里夫塔實(shí)驗現象的描述和通古斯事件目擊者觀(guān)察到的征狀相符,同時(shí)在通古斯大爆炸前后,特斯拉曾多次到圖書(shū)館查閱中西伯利亞地區的地圖。后來(lái)因為摩根的撤資,特斯拉陷入了經(jīng)濟困難,華登克里夫塔也被拆除抵債。盡管特斯拉的研究*終沒(méi)有結果,但是他當初的無(wú)線(xiàn)輸電構想*是足夠大膽。

        到了20世紀20年代中期,日本的H.Yagi和S.Uda論述了無(wú)線(xiàn)輸電概念的可行性;30年代美國的學(xué)者也開(kāi)始研究不利用導線(xiàn)去點(diǎn)亮電燈的輸電方案。隨著(zhù)大功率、高效率真空電子管微波源的研制成功,20世紀60至70年代之間Raytheon公司的William C. Brown做了大量的無(wú)線(xiàn)供電方面的研究工作[6][7],使得這一概念變成試驗結果,奠定了現代無(wú)線(xiàn)供電的實(shí)驗基礎,他設計了結構簡(jiǎn)單、高效率的半波電偶極子半導體二極管整流天線(xiàn),把它放在用來(lái)反射電磁波的導電平板之上,純電阻作為負載,用低噪聲、高效率的放大管和磁控管作為微波源,將頻率為2.45GHz的微波能量轉換為直流電。此后Brown又對實(shí)驗方法不斷改進(jìn),如從喇叭天線(xiàn)、反射面天線(xiàn)到相控陣天線(xiàn)、從一般二極管到勢壘二極管,用鋁條構造半波電偶極子和傳輸線(xiàn)等,射頻能量轉換為直流電的效率也不斷提高,他所演示的直流-直流轉換效率達到54%左右。

        從90年代起,由于無(wú)線(xiàn)通信頻率的擴展,為避免對2.45GHz頻段通信潛在的干擾,美國宇航局傾向把5.8GHz的頻率用于無(wú)線(xiàn)供電,這兩個(gè)頻率點(diǎn)的大氣穿透性都很好,相應元器件的轉換效率都很高。1998年5.8GHz印刷電偶極子整流天線(xiàn)陣轉換效率達到了82%[9][10]。莫斯科大學(xué)以B.Л.Caввин、B.A.Baнкe為首的研究組也在無(wú)線(xiàn)供電與衛星太陽(yáng)能電站方面進(jìn)行了大量理論與實(shí)驗研究,研制出了無(wú)線(xiàn)供電的關(guān)鍵器件—快回旋電子束波微波整流器,從1996年開(kāi)始已將有關(guān)回旋波整流器的技術(shù)提供給日本京都大學(xué)的Mat-sumoto、Shinohara等人,計劃在“自由號”國際空間站的日本模塊上進(jìn)行試驗2000年以后,國際上已經(jīng)掀起了對無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究與應用的熱潮,無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)也越來(lái)越頻繁的在各大通信技術(shù)展、電源新技術(shù)展上露面,各大公司也紛紛推出自己的研究成果。2007年6月,麻省理工大學(xué)的物理學(xué)助理教授Marin Solijacic和他的研究團隊公開(kāi)做了一個(gè)演示(見(jiàn)圖1.2),他們給一個(gè)直徑60厘米的線(xiàn)圈通電,點(diǎn)亮了大約2m之外連接在另一個(gè)線(xiàn)圈上的60瓦燈泡。演示裝置包括直徑為3英尺的匹配銅線(xiàn)圈,以及與電源相連的工作頻率在MHz范圍的傳輸線(xiàn)圈,接受線(xiàn)圈在非輻射性磁場(chǎng)內部發(fā)生諧振,并以相同的頻率振蕩,然后有效地利用磁感應來(lái)點(diǎn)亮燈泡[3][4]。此外他們還發(fā)現,即使兩個(gè)諧振線(xiàn)圈之間存在障礙物時(shí),也能讓燈泡繼續發(fā)光。這項被命名為“WiTricity”的技術(shù)*是運用了共振的原理,通過(guò)一個(gè)磁共振系統進(jìn)行電能傳輸。據Marin小組稱(chēng),至2008年他們已經(jīng)將傳輸效率提高到了90%。這意味著(zhù),該技術(shù)已經(jīng)具備了實(shí)用化的條件,他本人也因為這一發(fā)明獲得了麥克阿瑟基金會(huì )2008年的天才獎。不過(guò),該技術(shù)仍舊面臨著(zhù)一些問(wèn)題,使用的銅線(xiàn)圈非常笨重,足有0.6米高,如果要想實(shí)現整座房間內的電器都能自動(dòng)充電,銅絲線(xiàn)圈的直徑預計將達2.1米。

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