以色列Powermat公司開發出一種無線電源,這種被稱為“電源墊”的無線電源可通過電磁波實現電力傳輸,從而省去了連接電源線和電源插座的麻煩。
該公司首席執行官波利亞金表示,這種電源的工作方式有點像RFID電子標簽。電子標簽通常由閱讀器和標簽構成,閱讀器利用天線在周圍形成磁場,與閱讀器發射頻率調諧的“標簽”從磁場中獲得能量后轉換為電信號發送給閱讀器。
這種無線電源也有一個相當于“閱讀器”的基座和一個將電磁波轉換為電流的“標簽”,只不過其基座是一塊幾毫米厚的墊子,大小可根據需要確定,可以放在桌子上,也可以鑲嵌在廚房工作臺表面或墻上,它通過電磁場向攜帶“標簽”的電器輸電,只要將帶有“標簽”的電器放到墊子上或墊子附近,即可獲得電力。
據稱,這種無線電源基座中的發射器能傳輸100瓦電力,可為4—5個中型電器和一些小電器供電。由于擺脫了電源線和插座的困擾,電器使用起來更加方便,可隨意將電視放到房間的任何位置而不必擔心附近有沒有電源插座,也不用擔心被電線絆倒。此外,該電源還具有自我調節功能,可根據電器的工作狀態調整供電,使電磁輻射降到最小。
目前,該產品已受到一些電器制造商和服務行業的關注,美國曼哈頓的幾家賓館已安裝了這種裝置。該公司表示,他們計劃明年初將其推向市場,最初使用時要專門為電器配備一個能量接收和轉換裝置,今后他們擬像藍牙設備一樣將其設計到電器產品中。
目前各式各樣備受吹捧的無線產品或許應該被明確稱為無線‘通訊’裝置才更恰當,因為從某方面來說,它們仍然需要藉由一條電線把電源從牆上的插座傳送到設備中,而不是全然的‘無線’。但另外一方面,人們早已能夠利用無線方式將數百千瓦的電源成功地進行遠距離傳輸。雖然對於無線電源傳輸的關注長久以來都集中在百萬瓦級(MW,如太陽能收集)或毫瓦級(mW,如RFID),而現在正是將這項技術導入到各種可攜式無線應用中的最佳時機。
無線電源傳輸發展史
透過波束發射電源的想法並不新奇。早在1899年,Nikola Tesla在Wardenclyffe進行的無線電源傳輸實驗就證明,可以在不使用電線的情況下點亮25英哩以外的氖氣照明燈。
而成立於1934年的美國聯邦通訊委員會(FCC),則將2.4-2.5GHz的頻段保留給工業、科學和醫療(ISM)領域,使人們可以在該範圍進行重要的科學研究。早於二次世界大戰期間,就已利用磁電管將電能成功轉換成微波的技術,但是將微波轉回電流的方法卻一直到1964年,William C. Brown才成功地研發出一款可將微波轉換成電流的矽整流二極體天線。
1968年,Peter Glaser提出了在電源能量遠低於國際安全標準的條件下,利用微波從太陽能動力衛星向地面傳輸電源的想法;而在1987年10月7日的一項固定高海拔中繼平臺(SHARP)實驗中,一架小型飛機透過RF(無線射頻)波束提供的動力在空中飛行。此次飛行首開國際航空聯盟實驗之先河。
最後,在1995年,美國航空暨太空總署(NASA)建立了一個集研究、技術與投資於一身的250MW太陽能動力系統(SPS),而日本的目標則是在2025年建立一個低成本的示範模型。
波束電源傳輸原理
透過定向天線發射RF電源其實是一個無損耗的過程,其產出效率大概在85%左右,足以與任一款高性能的開關調節器相媲美。兩個天線之間的能量傳輸效率由天線的尺寸、RF波的波長以及兩天線間的距離來決定(這裡為了簡化問題假定無傳輸損耗,因此方程式中不包含波束強度)。如果假設發射天線直徑為DT、接收天線直徑為DR、RF波長為λ(λ=1/f,f為RF頻率)、天線距離為H,而k為一比例常數(通常選擇1.2),我們可以得到:
DTDR=2kλH
當然也必須考慮到電源密度的問題。例如,美國食品暨藥物管理局(FDA)強制規定在距微波爐表面兩英吋處,每平方公分的微波輻射應為5毫瓦。除了滿足方程式之外,這樣的安全要求也可能會對天線尺寸的迷你化加以限制。
無線電源傳輸
無線電源傳輸的需求前景非常明朗。目前有關的建置技術已經解決,現在所必須努力的就是大規模將該技術從百萬瓦級和毫瓦級應用向可攜式運算、消費和通訊設備領域擴展。因為既然已經省去了訊號線,就使得無線通訊裝置中的電源線顯得異常突兀和刺眼。例如目前的平面電視可以掛在牆上,如果電源也能不必插到牆上的插座那就太棒了。
發展前景
繼收集周圍環境中的雜散電源之後,波束電源傳輸應該是接下來要做的事情。從產業角度來看,電源收集本身雖然是一個新概念,但是目前已經逐漸為技術人員所接受。
事實上,有人可能會認為在目前的狀況下,將‘收集’形容為‘淨化’也許更為恰當,因為這個概念主要是指對漂浮在空氣中的雜散能量進行搜索和收集。儘管目前的能量收集技術主要關注的是電源鏈接收端的波束電源,而實際上就整個產業來看,能量收集應該是從源頭開始的整個過程,並將能量收集的模式從‘能量在你所能發現之處’轉變為‘能量始於無線建置之處’。
目前至少有6、7家公司提供磁耦合技術,大都采用的是感應方法。
以色列的Powermat公司押寶其專有方法。“與需要很大充電空間的系統不同,我們的系統很緊湊,”Powermat 公司總裁Ron Ferber說,“這就是為什么我們的充電板可以做得很薄的原因,而且我們的電子產品可縮小嵌放在墻壁和天花板表面上。
該技術既可用于諸如手機等功耗相對較低的產品,又可用于筆記本電腦等功耗較高的設備,Ferber說。Powermat公司在CES上展出了預計在秋季面市的產品原型,售價在50到140美元。
據Randall介紹,WildCharge所采用的傳導方法使其成本更低,使用更方便。因該技術采用的是待充電設備的金屬觸點直接與充電板上專有形狀的針腳對接的方法,所以用戶不必直接把待充設備放到嵌入在充電板的線圈上。“無論你如何安放待充電設備,都對應一個正極和負極。”Randall說。該方法最高可輸送150W功率。
WildCharge把該技術授權給Griffin International公司,后者已為充電電池開發出一款零售產品。
英特爾的研究人員正在開發一種無需物理接觸的方法。它采用一種由麻省理工學院最先研發的磁共振技術,英特爾在其2008年8月召開的年會上,采用相對大的線圈在3英尺的距離內以10MHz頻率輸送出60W的交流電,接通了一只白熾燈。2008年12月,英特爾在其實驗室內,以3英尺的距離輸送出12W的直流電為一款小型筆記本電腦供電。
英特爾的目標是找到一種能為其筆記本電腦用戶提供無線電源功能的方法。目前,其線圈大小“正好可放在筆記本電腦的折蓋內”。英特爾研究小組的首席工程師Joshua Smith說。
標準正在制定
若用戶打算用一個充電板給不同廠商的產品充電,則行業需要標準。無線電源聯盟正在制定這樣一個標準,預計于年內完成。
該組織最初的目標是為以大概120kHz的頻率傳輸5W的感應系統制定一個規范。隨后是為用于筆記本電腦的100W系統制定規范。
該聯盟包括:兩家有各自無線電源技術的初創公司——ConvenientPower和Fulton Innovation;器件供應商國家半導體和TI;潛在用戶羅技、奧林巴斯和飛利浦;電池制造商三洋;以及飛利浦的ODM——深圳桑菲消費通信有限公司。
“我們的理想是使OEM以低至1美元的成本生產出電能接收器。”ConvenientPower公司總裁Camille Tang說。
“聯盟內有一種建設性的氛圍。”Schuessler表示。他稱2009年的目標“雄心勃勃,但并非遙不可及。”
手機、筆記本電腦的無線數據收發技術,在傳輸速度高速化等方面,正在穩步發展。但也有一項技術,技術人員和研究人員雖然長年企盼,卻總是難以實現。那就是能夠無線傳輸電力的“無線電源”。
今年,在這一領域發生了革命。美國麻省理工學院(MIT)研究小組利用其試制的無線電力傳輸裝置,向約2m以外的60W燈泡供電,成功點亮了燈泡。這一消息在《科學(Science)》網絡版——“《科學快訊(ScienceExpress)》”上一經刊登,歐美各大新聞媒體即表現出濃厚的興趣,“GoodbyeWires”、“WirelessPower Transfer”的標題在全球媒體隨處可見。
命名為“Witricity”
在此之前,MIT研究小組曾經通過數值計算進行過理論分析,但是試制裝置證實傳輸電力可行還是首次。關注的焦點是,該裝置使用了不同于以往思路的方法以及電力傳輸效率在傳輸距離為2m時高達40%。該裝置利用1對具備LC電路特性的天線,MIT稱其為“磁場耦合共振器(magneticallycoupledresonators)”。MIT研究小組把這一技術概念命名為“Witricity”。不過,對于何時可實用化,可傳輸到何種程度的電力以及對人體的安全性等,關于Witricity的詳細情況,目前依然存在諸多不明之處。
領導MIT研究小組的物理學助理教授馬林·索爾賈??耍∕arinSoljacic)已確定接受《日經電子》邀請訪問日本。在《日經電子》主辦的“無線電源革命研討會——電源線消失之日”上發表演講。這將是索爾賈??耸状尉蚖itricity在日本發表演講,我們也對演講的內容充滿期待。
策劃這次技術研討會,起因源于《日經電子》2007年3月26日的特輯“電源終將走入無線”。在這期特輯的采訪中,接受采訪的技術人員和研究人員曾多次向我們詢問“MIT及美國風險公司的開發動向”,令記者感受到這一話題的受關注程度。該領域的日本技術人員經調查已對MIT的行動和在歐美成立了多家無線電源風險公司的情況有所了解,對相關動向極為關心。
如果無線電力傳輸攻克效率、安全等方面的技術課題,達到實用水平,那么,企劃出顛覆以往常識的產品將成為現實。即使可傳輸的電力十分微弱,也會有非常有益的用途。美國風險公司——Powercast的無線電源技術就是一個例子。該公司的無線電源技術已經得到了美國匹茲堡一家動物園的采用(該公司前身——原美國FireFlyPowerTechnologies的技術),用于對企鵝籠舍中溫濕度傳感器的充電電池進行遠程充電。動物園為了延長使用多塊電池的電源系統的循環壽命,在溫度低于冰點的籠舍中,采用了無線輸送微弱電力的方法。Powercast表示,荷蘭飛利浦電子(RoyalPhilips Electronics)將在2007年內上市基于該技術的照明器具。
手機的非接觸充電技術同樣獲得發展
MIT、Powercast等在歐美的數米距離電力傳輸技術受到了關注,同時,在日本手機廠商間,另一項“使電源線消失”的技術也在穩步發展,那就是“非接觸充電技術”。利用該技術,只需把手機放到專用臺上,就可以進行充電。設想可以應用于突出防水性能的手機,以及同時對手機、無線耳機等多種便攜產品進行充電。不僅手機,為了把該技術應用于數碼相機等其他便攜產品,相關的開發也在進行當中。
非接觸充電技術利用基于線圈的電磁感應,目前已經由電動牙刷、家用無繩電話,PHS所采用。然而迄今為止,由于電力傳輸效率不夠,應用范圍還沒有涉及到需要大電力的手機。而且在安全方面也存在效率低導致發熱量大的問題。時至今日,在日本的部件廠商之間,對于電力傳輸效率較高的線圈、非接觸充電系統的開發日趨活躍。防止錯誤充電的ID認證方法及在充電的同時進行高速數據傳輸的方法成為了關注的焦點。NTTDoCoMo等移動通信運營商積極采用非接觸充電技術,也成為了激發線圈廠商和手機廠商開發熱情的重要原因之一。