我们距离实现“无线输电”还有多远？

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编者按：远距离 " 无线输电 " 听起来像是一个黑科技，无需使用铜线就能把能源传输至世界各地。但早在 1890 年的时候，尼古拉 · 特斯拉就曾尝试用 140 英尺的线圈，为两英里外的灯泡进行无线供电，可惜以失败告终。这个想法在沉寂了 100 多年以后，在当今时代又迎来了新的曙光，新西兰初创企业 Emrod 正致力于推出全球首个远程、高功率的无线电力传输系统。本文译自 Medium，作者 Leon Okwatch，原标题为 "How Far Are We From Wireless Electricity?"，希望对您有所启发。


图片来源：Photo by israel palacio on Unsplash
无线输电，是指不经过电缆将电能从发电装置传送到接收端的技术。现代科学革命使特斯拉的这个曾经被认为是白日梦的非凡想法，迎来了新的曙光。
那一年是 1891 年，一位名叫尼古拉 · 特斯拉 ( Nikola Tesla ) 的鲜为人知的塞尔维亚裔美国科学家设计了一种可以无线发电和传输电能的设备。特斯拉线圈是这项技术的原型，被特斯拉视为能源传输的圣杯。
1. 特斯拉线圈
特斯拉线圈是一种分布参数高频串联谐振变压器，可以获得上百万伏的高频电压。
线圈通过电磁感应原理工作，特斯拉展示了如何使用线圈为几米外的灯泡无线供电。
即使以现代标准来看，特斯拉也远远领先于他所处的时代，而且他的目光远不止停留在特斯拉线圈的原型。他希望世界上所有人都能享受廉价甚至免费的电力。他突破了界限，创造出了在现实世界中更实用的东西，想为地球提供无限能源。
2. 沃登克莱夫塔
沃登克里弗塔是尼古拉 · 特斯拉设计的一座无线电能传输塔，又称作特斯拉塔。1901 年，物理学家尼古拉 · 特斯拉到处求援，希望在纽约长岛兴建一座高塔进行跨大西洋无线电广播和无线电能传输实验。尼古拉 · 特斯拉最终说服当时亿万富翁摩根，征得了 15 万美元资助，实际上，摩根只对尼古拉 · 特斯拉的商业价值感兴趣，他认为特斯拉能够借这个项目实现无线通讯。特斯拉最痴迷的是无线能源传输。
尼古拉 · 特斯拉打着电信的旗号，获得了建造这座塔的资金。他已经证明，使用特斯拉线圈变压器，无需有线连接就可以传输高频信号。
在他的实验室里进行的进一步秘密实验使他确信，他可以利用地球上层大气传输电能。沃登克莱夫塔是特斯拉设想的横跨全球的塔网的原型，它可以让世界各地从一个中央站远程获取无线能源。
特斯拉的计划是，从附近的煤田发电，然后利用这个塔将电能输送到世界各地，类似于无线电波的远距离传输方式。
在接受《美国杂志》采访时，特斯拉如此生动地描述了他的愿景：
" 电力在不久的将来将不需要电线，就能传输到世界各地用于商业用途，例如家庭照明和驾驶飞机。我已经发现了这些基本原理，剩下的就是把它们商业化了。当这项工作完成后，你就可以去山顶俯瞰自己的农场，可以去北极，或者去沙漠都可以，只需要安装一个小设备，就可以保障你日常的能源需求，比如做饭和灯光。"
——尼古拉 · 特斯拉
不幸的是，特斯拉的雄心壮志并没有实现。在此之前，该项目的出资人摩根大通 ( JP Morgan ) 撤出了资金，特斯拉也因此破产。这座未完工的塔楼在 1917 年被拆除，以履行特斯拉的部分财务义务。
到目前为止，无线电力传输的概念一直被各种限制所淹没。
3. 如今的无线电力技术
破灭的希望已经沉寂了 100 多年。而如今，又有几家公司正在进入市场，他们的技术可以安全地做到通过空气传输电能。
由政府支持的新西兰初创企业 Emrod 在这场竞争中处于领先地位，他们预计将向消费者推出全球首个远程、高功率的无线电力传输系统，以取代现有的铜线技术。
这项技术利用电磁波在远距离无线传输能量。Emrod 的系统由四个部件组成 : 一个电源、一个发射天线、多个中继站和一个接收天线组成，接收天线通常被称为 "rectenna"。
首先，发射天线将电能转换成微波能量，并将其聚焦成圆柱形波束。微波光束通过一系列继电器发送，直到它到达 rectenna，再将其转换为电能。
听起来原理很简单，但该技术最大的困难在于，如何解决无线电波在传输中的弥散和衰减问题。对于无线通讯来说，电波的弥散可能是好事，但无线输电则恰恰相反。
相比之下，通过无线传输发送的原始能量是最重要的考虑因素。接收到的传输能量的比例成为关键的设计参数。因此，必须设计有效的办法，尽量减少损失。
Emrod 找到了应对这一挑战的方法，创始人 Greg Kushnir 说：" 我们开发的所有组件的效率都非常好。" 近年来用于能量传输的新材料的发展有助于将能量损失降到最低。这家公司计划将来进一步提高其效率。
值得注意的是，该技术是非常可靠的，因为它不受天气或大气条件的影响，因此意外停电将成为过去。
目前，这家初创公司正在寻求将能源带给那些没有电网的社区，或者从离岸资源转移能源。
4. 无线输电的前景
有人会说，无线电力是那我们并不需要的、被过度炒作的发明之一。毕竟，我们已经实现了电力传输，而且运行良好。
这远非事实。传统输电方式的隐性成本极高。
建立电线传输系统并维护其正常运行的成本是很昂贵的，而且，偏远地区有各种地理上的限制，使得电网无法扩展。而无线电力传输将有可能让海上的船只、电动汽车或飞机在行驶中进行充电。但或许它所带来的最大革命，将是向全世界传输一种清洁、廉价的可再生能源。
我们可以通过两种方式实现这一点：
1. 太阳能的远距离传输
根据全球能源统计（Global Energy Statistics），2019 年世界能源消费总量为 130 亿吨石油当量 ( MTOE ) 。
这相当于 17.3 太瓦的功率。现在，如果我们用太阳能电池板覆盖 350 * 350 公里的土地，则可以提供超过 17.4 太瓦的电力。这个区域大约有 43000 平方英里。大撒哈拉沙漠大约有 360 万平方英里，太阳能每天可以提供超过 12 小时的电力。
这意味着 1.2% 的沙漠面积足以满足全世界的能源需求。而核聚变或任何其他正在开发的清洁能源都无法与之匹敌。
如果无线电力传输成为现实，我们就能利用撒哈拉沙漠的一小部分来获取太阳能，并将其传输到全球，而不需要昂贵的铜线。这难道不是解决能源危机、污染和气候变化的重大突破吗？
2. 太空太阳能
太空太阳能（Space-based Solar Power）的意思是，巨大的太阳能电池板在太空中收集太阳能，并将其传输回地球，这听起来像是未来科幻电影中的疯狂场景。
太空太阳能 ( SBSP ) 的概念是由俄罗斯科学家康斯坦丁 • 齐奥尔科夫斯基在 20 世纪 20 年代提出的，但在很大程度上一直是难以实现的。
情况正在逐渐改变。几个月前，欧洲航天局宣布了资助 SBSP 的计划，作为一种通过推进绿色能源生产来应对气候变化的手段。
太空太阳能发电系统将为每个人提供清洁能源，无处不在。SBSP 将采用无线电力概念。该计划是将太阳能电池的电能转换成能量波，然后利用电磁场将其传输到地球表面的天线上。然后天线就会把电波转换回电能。
SBSP 是一个有吸引力的解决方案，能够解决迫在眉睫的能源危机问题，因为它有几个优点，可以产生更多的能源：
在太空中总是处于正午，而地球上的太阳能电池板会受到日光和天气的限制。
由于没有大气气体、云、尘埃和其他天气事件的阻碍，太阳能电池板可以接收到更强烈的阳光。而地球的大气层通常会吸收并反射一部分太阳光线。
太阳能板卫星可以全天 24 小时接收太阳能。而目前，地球电池板收集太阳能的时间平均为一天时间的 29%。
电力可以迅速转移到最需要的地区。
当然，SBSP 仍面临着许多障碍，其中最大的障碍是巨大太阳能电池板的发射和部署成本。新的超轻太阳能电池制造方法正在处于研究中。
5. 无线输电：特斯拉曾经的梦想，如今即将实现的现实
我们这一代人在追求无线电力传输的过程中会得到很多，而不会失去什么。在今后几年中，我们将能看到如今的努力产生的积极结果。
可惜的是，伟大的发明家特斯拉将无法亲眼目睹自己的梦想成真。
我很想说出特斯拉的一句名言：
" 如果你想找到宇宙的秘密，请从能量、频率和振动的角度思考。"
——尼古拉 · 特斯拉
译者：Jane