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【聚焦】无线输电靠不靠谱?

2014-09-10 10:15
默菲
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  无线充电技术在电动牙刷、剃须刀、手机上已经有了一些应用,电动汽车无线充电也有了初步的试验。如果无线充电可以实现,那么我们是不是可以省去高压输电线路实现无线输电,甚至还可以接收太空太阳能电池发来的电能,彻底解决人类输电和用能问题呢?今天小编尝试说说无线输电靠不靠谱。

  无线输能

  在破解无线输电的问题前,让我们先把无线输电的范围拓展一下吧——“无线输能”。能量的概念包含更广,太阳光就是最常见的“无线输能”,那可是跨越1.5亿公里、长达45亿年的无线输能。

  首先来看看有什么能量形式,再看他们能不能“无线”传输。

  世界上的能量形式我们早已熟知,高中物理就学了四种:力、热、光、电。再加核能和化学能,大概就这六种能源形式(其中的力是指机械能,电是指电磁能)。核能和化学能所来源的原子力和化学键力是不可能远距离传输的,所以我们只考虑机械能、热能、光能和电磁能四种能量传输。

  先说有线传输对应的四种常用方式:机械能的传输对应刚性杆传输,钢杆是机械能的载体,例子如汽车的传动轴;光能传输对应光纤,光纤是光的载体;热能对应热的良导体,比如各种金属;电磁能对应导线或铁芯,都是电或磁的良导体。有线传输的特点就是,这个通道的阻力很低:钢杆对机械能无损失,光纤对光能损失小,良导体的热阻小,导线的电阻小,铁芯的磁阻小。这样我们才能在远端收获到损失较小的能量。

  哪些能量可以无线传输

  无线传输就没有这些“低阻通道”了,只有空气,或者什么都没有的真空。四种能量在空气或者真空中传播的效果如何呢?首先是机械能和热能,二者必须有介质才能传播,真空无法传播,而空气中两种能量都会向四周弥散,导致传播效果不佳。

  光能传播不需要介质,人类可以利用激光进行大功率的光能传输,激光甚至可以做成激光炮。但激光对地形和天气要求高,光只能走直线,并且不能被空气中的颗粒漫反射,否则损耗太大。即便可以传输,在发射和接受两端,由电变光和由光变电的效率都较低,成本却很高。也许未来只有太空能量通过激光传输到地面有一定可行性。

  剩下只有电能了,我们平时接触到的电能只有50或60赫兹,是非常低的频率,电磁波的波长达五六千公里,这么长的波长对一般输电距离而言是没有电磁波特性的(地球的赤道约四万公里),因而电磁感应是电能传输的主要方式。我们现在应用的无线充电技术,以及实验室内的无线输电技术,都是利用电磁感应原理。附录一解释了电磁感应和电磁波二者区别。

  无线输能的要义

  既然空气或真空对能量传输是一条“高阻通道”,想要能量顺利传输过去,不因“高阻”而四散弥漫,只有一个方法——谐振!

  激光是一种谐振的光源,收音机靠谐振接收信号,同样电能传输也需要谐振的帮助。谐振的详情请见问下的附录二,详细阐述了谐振的概念,以及各种能源的谐振实例。

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