尼古拉?特斯拉和無線電力傳輸?shù)奈磥?/h1>
在便攜式電子設(shè)備和電動汽車領(lǐng)域中，無線電力傳輸，特別是用于電池充電的無線電力傳輸，正呈現(xiàn)出日益增長的市場發(fā)展趨勢。尼古拉?特斯拉(Nikola Tesla)于19世紀(jì)晚期首次提出無線電力傳輸這一概念并充分展示了他的理論。最終目標(biāo)是無需大體積的電池就能使智能手機或平板電腦或物聯(lián)網(wǎng)(IoT)長期工作。尼古拉特斯拉在1905年發(fā)表的文章中寫道：
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201612/326330.htm人類的感覺只能使我們感知到外部世界的很小一部分。我們的聽覺只能聽到很短距離內(nèi)的聲音。我們的視覺受身體和陰影的阻礙。為了認(rèn)識對方，我們必須進(jìn)入我們的感覺能感知的范圍內(nèi)。我們在生活中必須發(fā)送信息，旅行，運輸材料，傳送能量。根據(jù)這個思路我們認(rèn)識到，在人類的所有征服活動以及建立世界和平秩序過程中最想要的、最有用的是距離的完全消失。
特斯拉認(rèn)為電力是實現(xiàn)距離消失結(jié)果的有效方法。只需用你的智能手機或平板電腦登上互聯(lián)網(wǎng)就能發(fā)現(xiàn)“電力”通信是如何使世界變得更小并縮短距離的。我們可以立即看到全球正在發(fā)生的事件，并通過社交媒體認(rèn)識全球范圍內(nèi)的鄰居。
特斯拉對這一稱為電力的神秘現(xiàn)象本質(zhì)進(jìn)一步解釋說：
如果對即將到來的更大奇跡的預(yù)期不加以控制的話，那么我們對實現(xiàn)成果的吃驚程度將一發(fā)不可收拾。最偉大的奇跡可以表現(xiàn)為三個方面：信息的傳播，交通運輸，以及電力的傳輸。
電力沒有傳播信息嗎?電動汽車、宇宙飛船和飛機沒有改進(jìn)我們的交通能力嗎?通過射頻/微波通信和無線電力傳輸傳送電力已經(jīng)成為現(xiàn)實，并且還在飛速發(fā)展，世界因此正變得越來越小。
長距離無線電力傳輸
致力于實現(xiàn)特斯拉對無線電力預(yù)期目標(biāo)的兩項主要技術(shù)是：太空太陽能(SSP)和射頻標(biāo)簽(RFID)。
太空太陽能
讓我們看看美國能源部網(wǎng)站上的太空太陽能介紹。在太空中，太陽是持續(xù)發(fā)光的，而缺少空氣使得太陽光非常強。在太空中部署太陽能電池板如今已成為可能，但如何將電能傳回地球呢?
微波發(fā)射衛(wèi)星
位于地球上空35000km處的衛(wèi)星是在對地靜止軌道(GEO)上運行的。太陽能反射板可以大至3km，重量超過80000公噸，可以向一個美國城市提供數(shù)吉瓦(GW)的電力。微波電力信號使用長天線發(fā)射它們的長波長信號，因此很容易穿透地球大氣層。這種輻射功率的強度并不比中午時分照射到我們身上的光更強，也不會對在原有航線飛行的鳥類或飛機造成傷害。這個系統(tǒng)可以正常工作，但極具挑戰(zhàn)性，而且成本很高。地球上的整流天線(在偶極單元之間連接了射頻二極管的一種偶極天線)是這種太空太陽能的首個接收設(shè)備。
無線電力傳輸(WPT)系統(tǒng)的基本設(shè)計(摘自參考文獻(xiàn)8)
射頻至直流轉(zhuǎn)換模塊中的二極管對天線中從太空微波信號感應(yīng)到的交流電流進(jìn)行整流，并產(chǎn)生直流電源給二極管兩端連接的負(fù)載供電。收集微波波束的地面系統(tǒng)需要占用巨大的陸地面積。
激光器衛(wèi)星
太陽能激光波束系統(tǒng)簡圖(摘自參考文獻(xiàn)3)
安裝有激光器的衛(wèi)星可以在離地面400km的低軌道上運行。這些衛(wèi)星要比微波衛(wèi)星輕得多，而且制造成本也低得多。激光束的直徑只有2米，比微波衛(wèi)星的幾公里要小得多。這種技術(shù)只能產(chǎn)生1MW至10MW的電力，因此需要同時使用一群衛(wèi)星。雖然美國能源部目前沒有在開發(fā)這種技術(shù)，但我們相信不久就會有替代性的方法開發(fā)出來，通過收集自然界的能量來滿足未來地球上的電力需求。請密切關(guān)注這一前沿技術(shù)，我認(rèn)為不用太久就會有私營企業(yè)做這方面的嘗試。
地面接收機和發(fā)電站
地面發(fā)電站可以使用熔鹽發(fā)電機。由于激光的光線是單色光，因此轉(zhuǎn)換單元的電子結(jié)構(gòu)可以針對特定光子能量進(jìn)行優(yōu)化，轉(zhuǎn)換到電能的效率因而可以高達(dá)70%。
熔鹽發(fā)電機系統(tǒng)(摘自參考文獻(xiàn)3)
RFID如何?
眾所周知，當(dāng)我們走出商店時，如果收銀員沒有取消商品上的RFID標(biāo)簽功能，RFID標(biāo)簽將由射頻信號供電并發(fā)出信息。通過使用閉環(huán)電力傳輸系統(tǒng)，有許多措施可以用來改善RFID電力傳輸效率中的距離、穩(wěn)定性和對準(zhǔn)問題。
在UHF頻率，有效距離最遠(yuǎn)為3米。一些RFID系統(tǒng)可以長達(dá)100米以上，比如典型的高速公路收費系統(tǒng)。RFID Journal 宣稱，使用電池廣播信號、主要用于集裝箱和其它大型資產(chǎn)的有源RFID標(biāo)簽可以從衛(wèi)星上進(jìn)行讀取，前提是幾乎沒有射頻“噪聲”(可能導(dǎo)致干擾的環(huán)境射頻能量)，廣播的信號有足夠的功率。
通過磁場實現(xiàn)電力的近場傳輸
位于科羅拉多州科泉市的特斯拉無線發(fā)射設(shè)備使用的是電場和電容耦合以及傳輸線或波導(dǎo)類型效應(yīng)。位于紐約州長島的特斯拉沃登克里弗塔就是用來廣播的，具有無線通信功能和無線電力計劃。特斯拉更關(guān)注于這種系統(tǒng)的無線電力能力，而不是他創(chuàng)建的通信功能。
在第二次世界大戰(zhàn)期間，無線電力不請自來，借助工作在微波頻率的大功率真空管(速調(diào)管)可以傳輸很長的距離。
在低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的是遠(yuǎn)場傳輸，在這種場合效率不是優(yōu)先考慮的對象。在大功率系統(tǒng)和太空、工業(yè)或軍事使用中的遠(yuǎn)場傳輸中，接收無線電力是主要目標(biāo)，成本是次要的。在我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫脑O(shè)備將效率和安全標(biāo)準(zhǔn)作為高優(yōu)先等級，因此微波系統(tǒng)在這種場合無法良好工作。針對中等電力需求，最高數(shù)百瓦、距離為幾米且工作在100MHz以下的近場無線系統(tǒng)可以實現(xiàn)更高的效率，并具有較低要求的射頻暴露安全極限。使用低頻磁場還可以比微波系統(tǒng)提供更高的等效平面波功率密度。
特斯拉實驗使用電場進(jìn)行近場無線傳輸。然而，使用磁場具有在我們周圍相對缺乏磁性材料的優(yōu)勢。特斯拉線圈有可能電擊到人，只要與人有交互操作，磁場的傷害程度就顯得小很多。
與電場相比，近場磁場傳輸還有另外一個好處，因為它們可以穿透大多數(shù)障礙物，并且沒有方向性，不像微波信號具有高度方向性，只能工作在視線范圍內(nèi)。
電力傳輸
參考文獻(xiàn)6介紹了一個能以超過75%效率傳輸295W電力的系統(tǒng)，其中使用了一個工作在134kHz的E類放大器，線圈距離為1cm。另外還有一個中等距離的系統(tǒng)，可在1米的空氣間隙上發(fā)送100W電力。
請參考我在2014年電子技術(shù)設(shè)計上發(fā)表的宜普增強型氮化鎵無線電力傳輸演示系統(tǒng)一文。文章舉例說明了在宜普(EPC)技術(shù)、Rezence一致性和無線電力聯(lián)盟(WPC)支持的幫助下無線電力領(lǐng)域取得了怎樣的進(jìn)步。
參考文獻(xiàn)7展示了在兩個調(diào)諧好的諧振變壓器之間使用耦合式電場在5至20米距離內(nèi)傳輸超過500瓦電力的例子，并取得了相當(dāng)高的效率。
帶諧振變壓器和800W測試負(fù)載的測試裝置。接收線圈可以向40Wx20的測試負(fù)載提供775W電力(摘自參考文獻(xiàn)7)。
無線電力技術(shù)和應(yīng)用例子
無線電力傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)中無約束的傳感器、激勵器和消費類微型器件的供電。
針對工作在2GHz的無線低功耗系統(tǒng)的推薦系統(tǒng)框圖(摘自參考文獻(xiàn)9)
2009年業(yè)界開發(fā)出了一個運行在低射頻功率電平的2GHz無線電力系統(tǒng)9，它采用了一個用2.7V初始電壓充電的0.8F超級電容，能夠在環(huán)境功率為-25.7dBm條件下的10天后存儲額外500mV的電壓。
另外一個這樣的系統(tǒng)例子是由運行在2.4GHz的電磁波遠(yuǎn)程供電的一個WID(Wireless Impedance Device)傳感器。
圖中是一個監(jiān)視結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的無線能量發(fā)送系統(tǒng)，正在新墨西哥州阿爾莫薩峽谷大橋上進(jìn)行現(xiàn)場測試。射頻源被配置為發(fā)射2.4GHz的1瓦能量，可通過1.2米距離傳送能量(摘自參考文獻(xiàn)10)。
這里使用了帶18和36個單元的雙電壓配置的兩個網(wǎng)絡(luò)整流天線。發(fā)送功率是1W，用了一個0.1F的超級電容存儲電能，這個電容27秒后即可充電至3.6V。然后發(fā)送到基站進(jìn)行收集數(shù)據(jù)的后處理。
在參考文獻(xiàn)11中可以見到一個雙頻印刷偶極陣整流天線，它適用于2.4GHz和5.8GHz的無線傳輸(ISM頻段)。
圖中顯示了雙頻整流天線的電路配置。電路離反射板距離17mm。(摘自參考文獻(xiàn)11)
最后，參考文獻(xiàn)12顯示了使用相對大功率的其它應(yīng)用，比如：
替換從發(fā)電站到客戶的高壓電力傳輸線纜、鐵塔和變電站。由于短路和電纜問題引起的電力故障以及因地形困難而無法進(jìn)入的電廠將被刪除。電力盜竊也不容易做到。特斯拉的沃登克里弗塔就充分展示了這一點。
位于紐約州長島的特斯拉187英尺沃登克里弗塔采用的就是這種系統(tǒng)設(shè)計(摘自參考文獻(xiàn)12)
在2012年的Intel開發(fā)論壇(IDF)上展示的“諧振感應(yīng)式”無線電力傳輸，他們準(zhǔn)備用這種方法給筆記本電腦和其它便攜式設(shè)備供電(摘自參考文獻(xiàn)12)
Intel最近展示了從3英尺距離遠(yuǎn)以75%效率給一個60W白熾燈供電的案例。
WiTricity技術(shù)使用耦合式諧振物體。具有相同諧振頻率的兩個諧振物體能以非常高效的方式交換能量。
尼古拉特斯拉應(yīng)該感到高興，因為無線電力傳輸和發(fā)電在我們這個行業(yè)具有非常美好的前景。能量收集和物聯(lián)網(wǎng)肯定還會促進(jìn)這一技術(shù)的發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來這個行業(yè)定會迎來快速的發(fā)展和更新。
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
尼古拉特斯拉在1905年發(fā)表的文章中寫道：
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201612/326330.htm人類的感覺只能使我們感知到外部世界的很小一部分。我們的聽覺只能聽到很短距離內(nèi)的聲音。我們的視覺受身體和陰影的阻礙。為了認(rèn)識對方，我們必須進(jìn)入我們的感覺能感知的范圍內(nèi)。我們在生活中必須發(fā)送信息，旅行，運輸材料，傳送能量。根據(jù)這個思路我們認(rèn)識到，在人類的所有征服活動以及建立世界和平秩序過程中最想要的、最有用的是距離的完全消失。
特斯拉認(rèn)為電力是實現(xiàn)距離消失結(jié)果的有效方法。只需用你的智能手機或平板電腦登上互聯(lián)網(wǎng)就能發(fā)現(xiàn)“電力”通信是如何使世界變得更小并縮短距離的。我們可以立即看到全球正在發(fā)生的事件，并通過社交媒體認(rèn)識全球范圍內(nèi)的鄰居。
特斯拉對這一稱為電力的神秘現(xiàn)象本質(zhì)進(jìn)一步解釋說：
如果對即將到來的更大奇跡的預(yù)期不加以控制的話，那么我們對實現(xiàn)成果的吃驚程度將一發(fā)不可收拾。最偉大的奇跡可以表現(xiàn)為三個方面：信息的傳播，交通運輸，以及電力的傳輸。
電力沒有傳播信息嗎?電動汽車、宇宙飛船和飛機沒有改進(jìn)我們的交通能力嗎?通過射頻/微波通信和無線電力傳輸傳送電力已經(jīng)成為現(xiàn)實，并且還在飛速發(fā)展，世界因此正變得越來越小。
長距離無線電力傳輸
致力于實現(xiàn)特斯拉對無線電力預(yù)期目標(biāo)的兩項主要技術(shù)是：太空太陽能(SSP)和射頻標(biāo)簽(RFID)。
太空太陽能
讓我們看看美國能源部網(wǎng)站上的太空太陽能介紹。在太空中，太陽是持續(xù)發(fā)光的，而缺少空氣使得太陽光非常強。在太空中部署太陽能電池板如今已成為可能，但如何將電能傳回地球呢?
微波發(fā)射衛(wèi)星
位于地球上空35000km處的衛(wèi)星是在對地靜止軌道(GEO)上運行的。太陽能反射板可以大至3km，重量超過80000公噸，可以向一個美國城市提供數(shù)吉瓦(GW)的電力。微波電力信號使用長天線發(fā)射它們的長波長信號，因此很容易穿透地球大氣層。這種輻射功率的強度并不比中午時分照射到我們身上的光更強，也不會對在原有航線飛行的鳥類或飛機造成傷害。這個系統(tǒng)可以正常工作，但極具挑戰(zhàn)性，而且成本很高。地球上的整流天線(在偶極單元之間連接了射頻二極管的一種偶極天線)是這種太空太陽能的首個接收設(shè)備。
無線電力傳輸(WPT)系統(tǒng)的基本設(shè)計(摘自參考文獻(xiàn)8)
射頻至直流轉(zhuǎn)換模塊中的二極管對天線中從太空微波信號感應(yīng)到的交流電流進(jìn)行整流，并產(chǎn)生直流電源給二極管兩端連接的負(fù)載供電。收集微波波束的地面系統(tǒng)需要占用巨大的陸地面積。
激光器衛(wèi)星
太陽能激光波束系統(tǒng)簡圖(摘自參考文獻(xiàn)3)
安裝有激光器的衛(wèi)星可以在離地面400km的低軌道上運行。這些衛(wèi)星要比微波衛(wèi)星輕得多，而且制造成本也低得多。激光束的直徑只有2米，比微波衛(wèi)星的幾公里要小得多。這種技術(shù)只能產(chǎn)生1MW至10MW的電力，因此需要同時使用一群衛(wèi)星。雖然美國能源部目前沒有在開發(fā)這種技術(shù)，但我們相信不久就會有替代性的方法開發(fā)出來，通過收集自然界的能量來滿足未來地球上的電力需求。請密切關(guān)注這一前沿技術(shù)，我認(rèn)為不用太久就會有私營企業(yè)做這方面的嘗試。
地面接收機和發(fā)電站
地面發(fā)電站可以使用熔鹽發(fā)電機。由于激光的光線是單色光，因此轉(zhuǎn)換單元的電子結(jié)構(gòu)可以針對特定光子能量進(jìn)行優(yōu)化，轉(zhuǎn)換到電能的效率因而可以高達(dá)70%。
熔鹽發(fā)電機系統(tǒng)(摘自參考文獻(xiàn)3)
RFID如何?
眾所周知，當(dāng)我們走出商店時，如果收銀員沒有取消商品上的RFID標(biāo)簽功能，RFID標(biāo)簽將由射頻信號供電并發(fā)出信息。通過使用閉環(huán)電力傳輸系統(tǒng)，有許多措施可以用來改善RFID電力傳輸效率中的距離、穩(wěn)定性和對準(zhǔn)問題。
在UHF頻率，有效距離最遠(yuǎn)為3米。一些RFID系統(tǒng)可以長達(dá)100米以上，比如典型的高速公路收費系統(tǒng)。RFID Journal 宣稱，使用電池廣播信號、主要用于集裝箱和其它大型資產(chǎn)的有源RFID標(biāo)簽可以從衛(wèi)星上進(jìn)行讀取，前提是幾乎沒有射頻“噪聲”(可能導(dǎo)致干擾的環(huán)境射頻能量)，廣播的信號有足夠的功率。
通過磁場實現(xiàn)電力的近場傳輸
位于科羅拉多州科泉市的特斯拉無線發(fā)射設(shè)備使用的是電場和電容耦合以及傳輸線或波導(dǎo)類型效應(yīng)。位于紐約州長島的特斯拉沃登克里弗塔就是用來廣播的，具有無線通信功能和無線電力計劃。特斯拉更關(guān)注于這種系統(tǒng)的無線電力能力，而不是他創(chuàng)建的通信功能。
在第二次世界大戰(zhàn)期間，無線電力不請自來，借助工作在微波頻率的大功率真空管(速調(diào)管)可以傳輸很長的距離。
在低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的是遠(yuǎn)場傳輸，在這種場合效率不是優(yōu)先考慮的對象。在大功率系統(tǒng)和太空、工業(yè)或軍事使用中的遠(yuǎn)場傳輸中，接收無線電力是主要目標(biāo)，成本是次要的。在我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫脑O(shè)備將效率和安全標(biāo)準(zhǔn)作為高優(yōu)先等級，因此微波系統(tǒng)在這種場合無法良好工作。針對中等電力需求，最高數(shù)百瓦、距離為幾米且工作在100MHz以下的近場無線系統(tǒng)可以實現(xiàn)更高的效率，并具有較低要求的射頻暴露安全極限。使用低頻磁場還可以比微波系統(tǒng)提供更高的等效平面波功率密度。
特斯拉實驗使用電場進(jìn)行近場無線傳輸。然而，使用磁場具有在我們周圍相對缺乏磁性材料的優(yōu)勢。特斯拉線圈有可能電擊到人，只要與人有交互操作，磁場的傷害程度就顯得小很多。
與電場相比，近場磁場傳輸還有另外一個好處，因為它們可以穿透大多數(shù)障礙物，并且沒有方向性，不像微波信號具有高度方向性，只能工作在視線范圍內(nèi)。
電力傳輸
參考文獻(xiàn)6介紹了一個能以超過75%效率傳輸295W電力的系統(tǒng)，其中使用了一個工作在134kHz的E類放大器，線圈距離為1cm。另外還有一個中等距離的系統(tǒng)，可在1米的空氣間隙上發(fā)送100W電力。
請參考我在2014年電子技術(shù)設(shè)計上發(fā)表的宜普增強型氮化鎵無線電力傳輸演示系統(tǒng)一文。文章舉例說明了在宜普(EPC)技術(shù)、Rezence一致性和無線電力聯(lián)盟(WPC)支持的幫助下無線電力領(lǐng)域取得了怎樣的進(jìn)步。
參考文獻(xiàn)7展示了在兩個調(diào)諧好的諧振變壓器之間使用耦合式電場在5至20米距離內(nèi)傳輸超過500瓦電力的例子，并取得了相當(dāng)高的效率。
帶諧振變壓器和800W測試負(fù)載的測試裝置。接收線圈可以向40Wx20的測試負(fù)載提供775W電力(摘自參考文獻(xiàn)7)。
無線電力技術(shù)和應(yīng)用例子
無線電力傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)中無約束的傳感器、激勵器和消費類微型器件的供電。
針對工作在2GHz的無線低功耗系統(tǒng)的推薦系統(tǒng)框圖(摘自參考文獻(xiàn)9)
2009年業(yè)界開發(fā)出了一個運行在低射頻功率電平的2GHz無線電力系統(tǒng)9，它采用了一個用2.7V初始電壓充電的0.8F超級電容，能夠在環(huán)境功率為-25.7dBm條件下的10天后存儲額外500mV的電壓。
另外一個這樣的系統(tǒng)例子是由運行在2.4GHz的電磁波遠(yuǎn)程供電的一個WID(Wireless Impedance Device)傳感器。
圖中是一個監(jiān)視結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的無線能量發(fā)送系統(tǒng)，正在新墨西哥州阿爾莫薩峽谷大橋上進(jìn)行現(xiàn)場測試。射頻源被配置為發(fā)射2.4GHz的1瓦能量，可通過1.2米距離傳送能量(摘自參考文獻(xiàn)10)。
這里使用了帶18和36個單元的雙電壓配置的兩個網(wǎng)絡(luò)整流天線。發(fā)送功率是1W，用了一個0.1F的超級電容存儲電能，這個電容27秒后即可充電至3.6V。然后發(fā)送到基站進(jìn)行收集數(shù)據(jù)的后處理。
在參考文獻(xiàn)11中可以見到一個雙頻印刷偶極陣整流天線，它適用于2.4GHz和5.8GHz的無線傳輸(ISM頻段)。
圖中顯示了雙頻整流天線的電路配置。電路離反射板距離17mm。(摘自參考文獻(xiàn)11)
最后，參考文獻(xiàn)12顯示了使用相對大功率的其它應(yīng)用，比如：
替換從發(fā)電站到客戶的高壓電力傳輸線纜、鐵塔和變電站。由于短路和電纜問題引起的電力故障以及因地形困難而無法進(jìn)入的電廠將被刪除。電力盜竊也不容易做到。特斯拉的沃登克里弗塔就充分展示了這一點。
位于紐約州長島的特斯拉187英尺沃登克里弗塔采用的就是這種系統(tǒng)設(shè)計(摘自參考文獻(xiàn)12)
在2012年的Intel開發(fā)論壇(IDF)上展示的“諧振感應(yīng)式”無線電力傳輸，他們準(zhǔn)備用這種方法給筆記本電腦和其它便攜式設(shè)備供電(摘自參考文獻(xiàn)12)
Intel最近展示了從3英尺距離遠(yuǎn)以75%效率給一個60W白熾燈供電的案例。
WiTricity技術(shù)使用耦合式諧振物體。具有相同諧振頻率的兩個諧振物體能以非常高效的方式交換能量。
尼古拉特斯拉應(yīng)該感到高興，因為無線電力傳輸和發(fā)電在我們這個行業(yè)具有非常美好的前景。能量收集和物聯(lián)網(wǎng)肯定還會促進(jìn)這一技術(shù)的發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來這個行業(yè)定會迎來快速的發(fā)展和更新。
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