无线输电：作别插座时代

　　在3.6万千米的太空中，一座表面布满了光伏面板的太阳能发电卫星静静伫立，将收集到的太阳能源源不断地传回地球，向城市供电。实际上，它的转化效率比在地球上高出10倍，而且永不停歇。这种似乎只存在于科幻片，或者《三体》等科幻小说中的场景，如今有了实现的可能。

　　最近，日本科学家接连发布微波无线输电技术的最新成果。而在国内，我国科学家近年来也不断在公交车、高铁、“无尾电视”、手机等领域实现无线输电的各项突破。

　　人类作别插座的时代来真的来临了吗？下面，让我们追寻电能的踪迹，探寻国内外科学家们如何摆脱电线，将电能安全送达目的地。

　　百米无线点灯创历史

　　说起输电，你也许马上会想到粗粗的高压线，或者家里那些“剪不断，理还乱”的各式插座、电线。近年来，随着科学技术的进步发展，科学家们对无线输电研究的进一步深入，一些改变正在发生。

　　就在两周前，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）宣布，研究人员利用微波，将1.8千瓦电力以无线方式，精准地传输到55米距离外的一个接收装置。虽然这样的电力只够用来启动一个电热水壶，但消息一经发出，便引发人们的广泛关注。

　　仅1天后，日本三菱重工也宣布，科研人员将10千瓦电力转换成微波后输送，其中部分电能成功点亮了500米外接收装置上的LED灯，成为迄今为止日本成功实验中距离最长、电力最大的一次。

　　专家表示，这样的实验意味着人类可能实现大规模、中长距离的无线输电，并使之商业化。正如三菱重工在一份声明中所说：“我们确信，这次实验表明无线输电商业化已经成为可能。”

　　但真正要实现这个梦想，还需要解决诸如传输效率等问题。“10千瓦的电力，经过500米的传输距离后，只是点亮了一只LED灯。我们都知道LED灯的功率很小，这就说明在传输过程中，相当大部分的能量发散掉了。”中科院电工研究所研究员廖承林在接受采访时说。

　　更有意味的是，三菱重工和JAXA均选择利用微波传送电能，这恰好印证了日本因为能源短缺而一直深耕太空太阳能发电的战略。三菱重工同时表示，这一技术将会被用于太空太阳能发电系统（SSPS）。该公司计划在2030年至2040年运用该技术，将太空的发电装置获得的电能通过微波向地面传输。据估算，如果使用直径两三千米的巨大太阳能电池板进行太空发电，将能达到一台常用的百万千瓦装机容量的核电机组发电水平。

　　当然，其面临的难题将会更多。不仅传输效率要进一步提高，微波传输路径需要缩小，发电站的输出功率还必须要非常大。“可能达到兆瓦级。”中科院上海微系统与信息技术研究所研究员俞凯表示。

　　尽管困难重重，但就是这样“一小步”，有历史意义，因为这可能是人类未来高效利用电能、太阳能的“一大步”。

　　三技术实现输电无线化

　　无线输电，指不经过电缆将电能从发电装置传送到接收端的技术。今天，我们的电话、网络等通信技术早已实现了从有线到无线的飞跃，为什么无线输电还相对滞后？

　　事实上，早在19世纪上半叶，人类就有了用无线方式输送电力的想法。最早可以追溯到美国科学狂人尼古拉·特斯拉。

　　那时，电磁铁问世不久，电磁感应现象也刚被发现，特斯拉设计了一个简单的无线输电装置：把一个线圈连接在电源上，作为发射器传输能量；另一个线圈连着灯泡，作为能量接收器。通电后，发射器能够以10兆赫兹的频率振动，另一个线圈连着的灯泡将被点亮。这便是著名的“特斯拉线圈”的由来。

　　特斯拉的设想在理论上是可行的，但实际操作里面临着这样一个难题：如何提高传输效率？因为电磁波在自由空间传输能量的过程中会向四面八方散发，特别是微波，散射在空间，能量衰竭更快。这成为无数科学家在接下来的百余年时间里研究的瓶颈。

　　直到2009年，美国麻省理工学院物理学家马林·绍利亚契奇还没有准备好做这一难题的“终结者”，因为他在发明一项功效卓著的无线输电系统前，曾经一连3个晚上被手机“电池电量不足”的“滴滴”声吵醒，他继而想到：“为什么墙里的电不能直接传输给我的手机呢？”

　　这便是电磁共振无线输电技术的由来。按照此理论，只要让电磁能发射器同接收设备在相同频率上产生共振，它们之间就可以进行能量互换。

　　利用这一原理，绍利亚契奇和他的团队成功地把一盏距发射器2.13米开外的60瓦电灯点亮，且传输效率大幅提高。自此，全世界很多科学家开始基于这一实验展开了后续研究。有专家表示，这种技术可以实现10米左右距离的室内无线输电。

　　而对于一些低功率近程的电能传送来说，电磁感应无线输电技术无疑更为适合。因为通过电磁感应，发射线圈和接收线圈之间可以利用磁耦合来传递电能。当然，这种距离要求非常近，约在1厘米以下，可以用相互“贴着”来形容。

　　此外，如果要实现高功率远程电力传送，则只能依靠微波或激光的远场辐射技术来进行。因为无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小。

　　日本科学家们最近所取得的突破，即基于微波的这一特性。正如中科院电工研究所研究员刘国强所解释的，“利用微波源，把直流电转变为微波，然后将微波能量聚焦起来，由天线发射出去，再被接收天线收集，经微波整流器整理后重新转变为直流电输出。”

　　跑赢无线输电竞赛

　　近年来，有线输电的成本和污染呈增长趋势，而各类能源引发的战争及公共危机也越来越多。无线输电技术研究和商业运用的风起云涌，事实上已经在推动着各国加大对这一领域的投入力度。

　　按照输电距离来分，无线输电技术的发展趋势大体可分为三个方向：其一是商业化前景更好的近距离无线输电，主要包括新能源汽车、家电等；其二是中长距离的无线输电，例如在高山、森林、海岛、沙漠等地进行无线输电。其三是在太空太阳能输电方面，新世纪以后，日本、美国、俄罗斯、欧洲、印度等国家和组织，都相继提出了在未来建设空间太阳能电站的计划。