遠程無線電力傳輸聽起來像是尼古拉·特斯拉不太成功的夢想中的科幻小說。想象一下，如果電力可以在沒有電纜的情況下到達任何地方，我們可能會擁有什么樣的可能性。雷達和先進材料技術(shù)的發(fā)展使這項技術(shù)能夠遠距離傳輸。新西蘭初創(chuàng)公司 Emrod 通過與新西蘭配電公司 Powerco 合作開發(fā)了一個更大的原型系統(tǒng)，并在今年年初測試了該技術(shù)，從而實現(xiàn)了工業(yè)用例。使用 Emrod 專有的波束形成技術(shù)、超材料和整流天線，通過電磁波長距離傳輸能量。

在接受 EE Times 采訪時，Emrod 的首席執(zhí)行官 Greg Kushnir 解釋了 Emrod 的無線系統(tǒng)如何通過將電能轉(zhuǎn)換為微波能量來工作，然后微波能量被塑造成準直光束，并通過空氣直接從發(fā)射天線發(fā)送到接收天線。當?shù)竭_接收天線時，電磁能被轉(zhuǎn)換回電能供消費者使用。據(jù)該公司稱，這項技術(shù)可以升級為以無線方式遠距離傳輸 kW 的電力。

“在成功完成可行性研究以確認該技術(shù)的可行性后，Emrod 于 2019 年注冊為一家公司。該公司隨后展示了一個概念驗證系統(tǒng)，目前正在室內(nèi)設施中進行測試，然后進行計劃的現(xiàn)場試驗。Emrod 是一個由 10 人組成的團隊，但計劃在未來 12 個月內(nèi)大幅增長，以支持現(xiàn)場試點項目的實施、持續(xù)的研發(fā)和商業(yè)化，”Kushnir 說

圖 1：Emrod 的團隊

特斯拉科技

自 1890 年代以來，尼古拉·特斯拉( Nikola Tesla)在研究他的“特斯拉線圈”變壓器電路時一直在考慮無線能源，該變壓器電路可產(chǎn)生交流電。

1899 年，特斯拉在科羅拉多斯普林斯進行了第一個真正的無線電力實驗。他在谷倉式結(jié)構(gòu)內(nèi)建造了一個強大的振蕩器，木塔頂部是一根 40 米長的金屬桿，頂部有一個銅球。發(fā)明者證明了他可以從 3 公里（2 英里）以外的地方為燈泡供電。他的“特斯拉線圈”完美成功，但實驗燒毀了科羅拉多斯普林斯電力公司的發(fā)電機，讓整個社區(qū)陷入黑暗（圖 1）。

圖 2：特斯拉 1899 年在科羅拉多斯普林斯進行實驗時使用的“塔式谷倉”

“我認為任何對無線技術(shù)感興趣的人都對 Nikola Tesla 的工作深表贊賞。他的工作對我們今天享受的大部分無線通信技術(shù)都有幫助，”庫什尼爾說。

庫什尼爾指出，埃姆羅德無線系統(tǒng)背后的科學和技術(shù)與特斯拉提出的有很大不同。Emrod 可以通過兩種技術(shù)保持光束緊密和聚焦。第一個與由小型無線電元件和單波模式組成的傳輸有關，以創(chuàng)建平行排列的準直光束。第二個與可與這些無線電波有效相互作用的專有超材料有關。

“它必須是為了實現(xiàn)功率水平和效率水平，使其適用于我們關注的用例。例如，特斯拉的系統(tǒng)以一種被描述為全向的方式傳輸能量，這意味著它向所有方向發(fā)射能量。Emrod 的系統(tǒng)使用聚焦的單向波束，將功率直接從一個天線發(fā)送到另一個天線。我們還開發(fā)了無源繼電器來擴展我們系統(tǒng)的范圍和內(nèi)置的新安全系統(tǒng)（圖 3），”Kushnir 說。

他補充說：“我們使用的天線設計、超材料和中繼技術(shù)至關重要，因為它們使我們能夠?qū)崿F(xiàn)一定水平的性能，即效率水平、可靠性和距離。系統(tǒng)中內(nèi)置的安全考慮對于將系統(tǒng)用于商業(yè)目的也是必要的?！?/p>

圖 3：Emrod 的架構(gòu)

埃姆羅德的目標

這項技術(shù)（通過微波進行無線能量傳輸）已經(jīng)存在了幾十年。但要使其在商業(yè)上可行，就必須最大限度地減少能量損失。庫什尼爾強調(diào)了近年來發(fā)展的超材料的使用如何產(chǎn)生影響。

Emrod 的技術(shù)旨在提供一種新的方式，將電力輸送到農(nóng)村地區(qū)通常電氣化差距最大的地方，而且這些地方無法負擔支持電網(wǎng)的基礎設施。他們的天線充當為客戶提供電力的電纜。這些天線將位于所有可以使用可再生能源的多風和陽光充足的地方。該系統(tǒng)可在所有天氣條件下工作，傳輸距離僅受每個天線之間的視線限制。

在困難地形上無線傳輸能量消除了對傳統(tǒng)電線桿和線路的需求，就像蜂窩基站一樣。Emrod 的系統(tǒng)使用一對天線在電源點和基站之間提供無線點對點連接。庫什尼爾指出，在太平洋島嶼，電力成本非常昂貴，使用可再生能源不得不挑戰(zhàn)基礎設施成本問題。使用 Emrod 的無線遠程能源技術(shù)，可以減少對柴油發(fā)電機的依賴，為偏遠社區(qū)提供電力，從而降低成本。

“目前，Emrod 系統(tǒng)在經(jīng)濟上可行的用例是鋪設和維護電力線基礎設施將是困難和昂貴的，例如跨越水道、森林或有爭議的地點。我們正在規(guī)劃我們的第一個內(nèi)場試點項目，該項目將部署在新西蘭，目的是從一個新的太陽能發(fā)電場傳輸電力以滿足該地區(qū)商業(yè)客戶的需求，”Kushnir 說。

EMROD 的技術(shù)使用發(fā)射天線、一系列中繼器和接收整流天線（一種能夠?qū)⑽⒉芰哭D(zhuǎn)換為電能的整流天線）。這些組件中的每一個都顯示為安裝在適當結(jié)構(gòu)上的方形面板。面板的表面積越大，傳輸功率就越大，可以覆蓋的距離也就越遠。

“使用 Emrod 的系統(tǒng)，只要發(fā)射和接收天線之間有視線，典型用例中的無線傳輸距離可達 40 公里。這可以使用無源繼電器進行擴展。目前，放大器的可用半導體技術(shù)將天線功率密度的上限設置為每平方米 10kW 左右。”

圖 4：Emrod 的技術(shù)

這家初創(chuàng)公司還考慮了在緊急情況下（例如意外停電）使用無線電力的可能性。一輛卡車可以配備一個整流天線，然后駛?cè)胫欣^器的可視范圍內(nèi)，以建立臨時的無線電源連接。??

Emrod 在整個開發(fā)過程中與新西蘭的頻譜管理機構(gòu)合作，并將確保整個技術(shù)符合安全標準。Emrod 使用工業(yè)、科學和醫(yī)療 (ISM) 頻段的功率并保持低功率密度。

Emrod 的點對點傳輸意味著功率直接在兩點之間輻射。光束周圍沒有輻射，高壓電纜傳輸就是這種情況。低功率安全激光器確保傳輸光束在任何瞬態(tài)物體（例如鳥類或直升機）到達主光束之前立即關閉，確保它只接觸清潔空氣。

審核編輯 黃昊宇