遠距離“無線輸電”聽起來像是一個黑科技，無需使用銅線就能把能源傳輸至世界各地。但早在1890 年的時候，尼古拉·特斯拉就曾嘗試用 140 英尺的線圈，為兩英里外的燈泡進行無線供電，可惜以失敗告終。這個想法在沉寂了100多年以后，在當(dāng)今時代又迎來了新的曙光，新西蘭初創(chuàng)企業(yè)Emrod正致力于推出全球首個遠程、高功率的無線電力傳輸系統(tǒng)。本文譯自Medium，作者Leon Okwatch，原標題為“How Far Are We From Wireless Electricity？”，希望對您有所啟發(fā)。

無線輸電，是指不經(jīng)過電纜將電能從發(fā)電裝置傳送到接收端的技術(shù)?，F(xiàn)代科學(xué)革命使特斯拉的這個曾經(jīng)被認為是白日夢的非凡想法，迎來了新的曙光。

那一年是1891年，一位名叫尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的鮮為人知的塞爾維亞裔美國科學(xué)家設(shè)計了一種可以無線發(fā)電和傳輸電能的設(shè)備。特斯拉線圈是這項技術(shù)的原型，被特斯拉視為能源傳輸?shù)氖ケ?/p>

1. 特斯拉線圈

特斯拉線圈是一種分布參數(shù)高頻串聯(lián)諧振變壓器，可以獲得上百萬伏的高頻電壓。

線圈通過電磁感應(yīng)原理工作，特斯拉展示了如何使用線圈為幾米外的燈泡無線供電。

即使以現(xiàn)代標準來看，特斯拉也遠遠領(lǐng)先于他所處的時代，而且他的目光遠不止停留在特斯拉線圈的原型。他希望世界上所有人都能享受廉價甚至免費的電力。他突破了界限，創(chuàng)造出了在現(xiàn)實世界中更實用的東西，想為地球提供無限能源。

2. 沃登克萊夫塔

沃登克里弗塔是尼古拉·特斯拉設(shè)計的一座無線電能傳輸塔，又稱作特斯拉塔。1901年，物理學(xué)家尼古拉·特斯拉到處求援，希望在紐約長島興建一座高塔進行跨大西洋無線電廣播和無線電能傳輸實驗。尼古拉·特斯拉最終說服當(dāng)時億萬富翁摩根，征得了15萬美元資助，實際上，摩根只對尼古拉·特斯拉的商業(yè)價值感興趣，他認為特斯拉能夠借這個項目實現(xiàn)無線通訊。特斯拉最癡迷的是無線能源傳輸。

尼古拉·特斯拉打著電信的旗號，獲得了建造這座塔的資金。他已經(jīng)證明，使用特斯拉線圈變壓器，無需有線連接就可以傳輸高頻信號。

在他的實驗室里進行的進一步秘密實驗使他確信，他可以利用地球上層大氣傳輸電能。沃登克萊夫塔是特斯拉設(shè)想的橫跨全球的塔網(wǎng)的原型，它可以讓世界各地從一個中央站遠程獲取無線能源。

特斯拉的計劃是，從附近的煤田發(fā)電，然后利用這個塔將電能輸送到世界各地，類似于無線電波的遠距離傳輸方式。

在接受《美國雜志》采訪時，特斯拉如此生動地描述了他的愿景：

“電力在不久的將來將不需要電線，就能傳輸?shù)绞澜绺鞯赜糜谏虡I(yè)用途，例如家庭照明和駕駛飛機。我已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這些基本原理，剩下的就是把它們商業(yè)化了。當(dāng)這項工作完成后，你就可以去山頂俯瞰自己的農(nóng)場，可以去北極，或者去沙漠都可以，只需要安裝一個小設(shè)備，就可以保障你日常的能源需求，比如做飯和燈光?！?/p>

——尼古拉·特斯拉

不幸的是，特斯拉的雄心壯志并沒有實現(xiàn)。在此之前，該項目的出資人摩根大通（JP Morgan）撤出了資金，特斯拉也因此破產(chǎn)。這座未完工的塔樓在1917年被拆除，以履行特斯拉的部分財務(wù)義務(wù)。

到目前為止，無線電力傳輸?shù)母拍钜恢北桓鞣N限制所淹沒。

3. 如今的無線電力技術(shù)

破滅的希望已經(jīng)沉寂了100多年。而如今，又有幾家公司正在進入市場，他們的技術(shù)可以安全地做到通過空氣傳輸電能。

由政府支持的新西蘭初創(chuàng)企業(yè)Emrod在這場競爭中處于領(lǐng)先地位，他們預(yù)計將向消費者推出全球首個遠程、高功率的無線電力傳輸系統(tǒng)，以取代現(xiàn)有的銅線技術(shù)。

這項技術(shù)利用電磁波在遠距離無線傳輸能量。Emrod的系統(tǒng)由四個部件組成：一個電源、一個發(fā)射天線、多個中繼站和一個接收天線組成，接收天線通常被稱為“rectenna”。

首先，發(fā)射天線將電能轉(zhuǎn)換成微波能量，并將其聚焦成圓柱形波束。微波光束通過一系列繼電器發(fā)送，直到它到達rectenna，再將其轉(zhuǎn)換為電能。

聽起來原理很簡單，但該技術(shù)最大的困難在于，如何解決無線電波在傳輸中的彌散和衰減問題。對于無線通訊來說，電波的彌散可能是好事，但無線輸電則恰恰相反。

相比之下，通過無線傳輸發(fā)送的原始能量是最重要的考慮因素。接收到的傳輸能量的比例成為關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)。因此，必須設(shè)計有效的辦法，盡量減少損失。

Emrod找到了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的方法，創(chuàng)始人Greg Kushnir說：“我們開發(fā)的所有組件的效率都非常好?！苯陙碛糜谀芰總鬏?shù)男虏牧系陌l(fā)展有助于將能量損失降到最低。這家公司計劃將來進一步提高其效率。

值得注意的是，該技術(shù)是非?？煽康?，因為它不受天氣或大氣條件的影響，因此意外停電將成為過去。

目前，這家初創(chuàng)公司正在尋求將能源帶給那些沒有電網(wǎng)的社區(qū)，或者從離岸資源轉(zhuǎn)移能源。

4. 無線輸電的前景

有人會說，無線電力是那我們并不需要的、被過度炒作的發(fā)明之一。畢竟，我們已經(jīng)實現(xiàn)了電力傳輸，而且運行良好。

這遠非事實。傳統(tǒng)輸電方式的隱性成本極高。

建立電線傳輸系統(tǒng)并維護其正常運行的成本是很昂貴的，而且，偏遠地區(qū)有各種地理上的限制，使得電網(wǎng)無法擴展。而無線電力傳輸將有可能讓海上的船只、電動汽車或飛機在行駛中進行充電。但或許它所帶來的最大革命，將是向全世界傳輸一種清潔、廉價的可再生能源。

我們可以通過兩種方式實現(xiàn)這一點：

1. 太陽能的遠距離傳輸

根據(jù)全球能源統(tǒng)計（Global Energy Statistics），2019年世界能源消費總量為130億噸石油當(dāng)量（MTOE）。

這相當(dāng)于17.3太瓦的功率?，F(xiàn)在，如果我們用太陽能電池板覆蓋350 * 350公里的土地，則可以提供超過17.4太瓦的電力。這個區(qū)域大約有43000平方英里。大撒哈拉沙漠大約有360萬平方英里，太陽能每天可以提供超過12小時的電力。

這意味著1.2%的沙漠面積足以滿足全世界的能源需求。而核聚變或任何其他正在開發(fā)的清潔能源都無法與之匹敵。

如果無線電力傳輸成為現(xiàn)實，我們就能利用撒哈拉沙漠的一小部分來獲取太陽能，并將其傳輸?shù)饺颍恍枰嘿F的銅線。這難道不是解決能源危機、污染和氣候變化的重大突破嗎？

2. 太空太陽能

太空太陽能（Space-based Solar Power）的意思是，巨大的太陽能電池板在太空中收集太陽能，并將其傳輸回地球，這聽起來像是未來科幻電影中的瘋狂場景。

太空太陽能（SBSP）的概念是由俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁?齊奧爾科夫斯基在20世紀20年代提出的，但在很大程度上一直是難以實現(xiàn)的。

情況正在逐漸改變。幾個月前，歐洲航天局宣布了資助SBSP的計劃，作為一種通過推進綠色能源生產(chǎn)來應(yīng)對氣候變化的手段。

太空太陽能發(fā)電系統(tǒng)將為每個人提供清潔能源，無處不在。SBSP將采用無線電力概念。該計劃是將太陽能電池的電能轉(zhuǎn)換成能量波，然后利用電磁場將其傳輸?shù)降厍虮砻娴奶炀€上。然后天線就會把電波轉(zhuǎn)換回電能。

SBSP是一個有吸引力的解決方案，能夠解決迫在眉睫的能源危機問題，因為它有幾個優(yōu)點，可以產(chǎn)生更多的能源：

在太空中總是處于正午，而地球上的太陽能電池板會受到日光和天氣的限制。

由于沒有大氣氣體、云、塵埃和其他天氣事件的阻礙，太陽能電池板可以接收到更強烈的陽光。而地球的大氣層通常會吸收并反射一部分太陽光線。

太陽能板衛(wèi)星可以全天24小時接收太陽能。而目前，地球電池板收集太陽能的時間平均為一天時間的29%。

電力可以迅速轉(zhuǎn)移到最需要的地區(qū)。

當(dāng)然，SBSP仍面臨著許多障礙，其中最大的障礙是巨大太陽能電池板的發(fā)射和部署成本。新的超輕太陽能電池制造方法正在處于研究中。

5. 無線輸電：特斯拉曾經(jīng)的夢想，如今即將實現(xiàn)的現(xiàn)實

我們這一代人在追求無線電力傳輸?shù)倪^程中會得到很多，而不會失去什么。在今后幾年中，我們將能看到如今的努力產(chǎn)生的積極結(jié)果。

可惜的是，偉大的發(fā)明家特斯拉將無法親眼目睹自己的夢想成真。

我很想說出特斯拉的一句名言：

“如果你想找到宇宙的秘密，請從能量、頻率和振動的角度思考?！?/p>

——尼古拉·特斯拉
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