实用的能量传输变得真实

电线有很多当涉及到移动电力时，他们也有自己的缺点。毕竟，谁还不厌倦手机和其他可充电设备的插拔呢?这太麻烦了。

电线也给电力公司带来了挑战:这些公司必须煞费苦心地将传输电缆上的电压提高到很高的值，以避免大部分电力在传输过程中损耗。当涉及到为包括电动火车和有轨电车在内的公共交通提供动力时，电线需要与滚动或滚动一起使用滑动接触，维护起来很麻烦，可能会产生火花，在某些设置下还会产生有问题的污染物。

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许多人渴望这些问题的解决方案——见证了过去十年无线充电的广泛采用，主要用于便携式消费电子产品亚博技术支持专业彩票平台也适用于车辆．虽然无线充电器可以让你不必重复地连接和断开电缆，但这种方式传递能量的距离非常短。的确，充电很难为设备供电当空气间隙只有几厘米时，更不用说几米了。难道真的没有可行的方法不用电线就能把电力输送到更远的地方吗?

对一些人来说，无线电力传输的整个概念让人想起了尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)用高压线圈喷出微型闪电的画面。这不是一个愚蠢的联系。特斯拉确实有过这样的想法:以某种方式利用地面和大气作为远距离输电的管道，但这一计划最终无果而终。但是他没有电线远距离输电的梦想一直在坚持。

为了强调该系统的安全性，BBC科学节目主持人爆炸理论他把脸完全贴在一束电光上。

古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)是特斯拉的同时代人，他想出了如何使用“赫兹波”，也就是我们今天所说的电磁波，来远距离发送信号。这一进步带来了使用同一种波将能量从一个地方传输到另一个地方的可能性。毕竟，这就是储存在木头、煤、石油和天然气中的能量最初是如何到达这里的:它们以电磁波——阳光——的形式在太空中传播了1.5亿公里，其中大部分是在数百万年前。

今天，同样的基本物理原理能被用来取代电线吗?我和我的同事在美国海军研究实验室，华盛顿特区的一些人认为是这样的，以下是一些原因。

在过去的一个世纪里，人们曾零星地尝试使用电磁波作为无线电力传输的手段，但这些尝试产生了好坏参半的结果。也许无线电力传输研究的黄金年份是1975年雷神公司，以及NASA的理查德·迪金森喷气推进实验室(现已退休)使用微波在实验室中传输能量，端到端效率超过50%。在一次单独的演示中，他们能够在大约一英里(1.6公里)的距离上提供超过30千瓦的电力。

这些演示是NASA和美国能源部探索活动太阳能卫星的可行性据提议，该系统有一天将在太空中收集阳光，并将能量以微波的形式发射到地球。但由于这一研究方向在很大程度上是由20世纪70年代的能源危机推动的，在接下来的几十年里，对太阳能卫星的兴趣逐渐减弱，至少在美国是这样。

尽管研究人员不时地重新审视太阳能卫星的想法，但那些实际进行电力传输演示的人一直在努力超越1975年达到的效率、距离和功率水平的最高水线。但由于最近各种传输和接收技术的进步，这种情况正在开始改变。

2019年，在马里兰州贝塞斯达海军水面作战中心的一次演示中，这种激光束在325米的距离上安全传输了400瓦的功率。美国海军研究实验室

大多数早期光束功率的努力都局限于微波频率，与今天的Wi-Fi、蓝牙和其他各种无线信号所使用的电磁频谱相同。在某种程度上，这种选择的原因很简单，即高效的微波发射和接收设备唾手可得。

但是，工作频率高得多的设备在效率和可用性方面都有所提高。由于大气对电磁波谱中某些部分的能量有效传输的限制，研究人员将重点放在微波、毫米波和光频率上。虽然微波频率在效率方面略有优势，但它们需要更大的天线。因此，对于许多应用，毫米波或光学链路工作得更好。

对于使用微波和毫米波的系统，发射器通常采用固态电子放大器和相控阵、抛物线或超材料天线。微波或毫米波接收器使用一组称为整流天线的元件。这个词是…的合成词整流器而且天线，反映了每个元素如何将电磁波转换成直流电。

任何设计用于光功率传输的系统都可能使用激光——具有紧密约束光束的激光，例如光纤激光器。用于光功率传输的接收器是专门的光伏电池，设计用于将单一波长的光高效地转换为电能。事实上，这种电池的效率可以超过70%，是普通太阳能电池的两倍多。

在美国海军研究实验室，我们在过去15年的大部分时间里都在寻找不同的电力传输选择，并研究潜在的应用。这些技术包括延长无人机的飞行时间和有效载荷能力，为处于黑暗状态的轨道卫星提供动力，为在月球永久阴影区域运行的探测车提供动力，从太空向地球表面发送能量，以及为战场上的部队分配能量。

你可能会认为，一种通过狭窄光束向空气中发送大量能量的设备听起来像死亡射线。这就涉及到一个关键问题的核心:功率密度。不同的功率密度在技术上是可能的，从低到无用到高到危险。但也有可能在这两个极端之间找到一个中庸之道。还有一些聪明的方法可以让高功率密度的光束安全使用。这正是我所在的一个团队在2019年所做的，从那时起，我们成功地扩展了这项工作。

我们的一个行业合作伙伴，PowerLight技术该公司的前身为LaserMotive，十多年来一直在开发基于激光的能量传输系统。以赢得NASA能量传输挑战2009年，这家公司不仅成功地为机器人缆绳攀爬者、四轴飞行器和固定翼无人机提供动力，而且还深入研究了激光安全传输电力的挑战。这是关键，因为多年来许多研究小组已经证明了激光功率传输，包括海军研究实验室的团队，Kindai大学,北京理工大学,科罗拉多大学博尔德分校，JAXA，空中客车公司但只有少数人能做到在任何可能的情况下都是真正安全的。

在过去的几年里，已经有很多能量传输的演示，使用微波(蓝色)或激光(红色)，峰值功率记录是在1975年创下的(顶部)。2021年，作者和他的同事在此类实验中实现的峰值功率水平排名第二和第三，使用更小的天线在超过一公里的距离上发射了超过一千瓦的光束。大卫·施耐德

也许在我们团队的努力之前，最引人注目的安全激光功率传输演示是由该公司进行的灯塔Dev在2012年。为了强调该系统的安全性，BBC科学节目主持人爆炸理论他的脸完全贴在了建筑物之间发出的一束能量束上马里兰大学．这个特殊的演示利用了这样一个事实，即某些红外波长比红外光谱的其他部分更安全一个数量级。

这种策略适用于相对低功耗的系统。但是，当你把电平提高时，不管使用的波长如何，你很快就会得到提高安全问题的功率密度。然后什么?这就是我们所演示的系统与众不同的地方。当发射超过400瓦的功率超过300米的距离时，光束被包含在一个虚拟的外壳中，这个外壳可以感知物体撞击它，并触发设备在造成任何损坏之前切断主光束的电源。其他测试表明，传输距离可以超过一公里。

仔细的测试(没有使用BBC科学节目主持人)验证了我们满意的功能，这一功能也通过了海军激光安全审查委员会的审查。在我们的演示过程中，该系统进一步证明了自己，有几次，鸟儿飞向光束，关闭了它，但只是暂时的。你看，系统会监测光束所占据的体积，以及它周围的环境，当路径再次畅通时，电源链路会自动重建。你可以把它想象成车库门安全传感器的一个更复杂的版本，其中一个保护光束的中断会触发驱动门的电机关闭。

诚然，我们能够传输的400瓦功率并不大，但足以为我们煮一些咖啡。

对于我们的演示，在场的观察员能够在发射器和接收器之间走动，而不需要佩戴激光安全眼镜或采取任何其他预防措施。这是因为，除了设计系统使其能够自动关闭之外，我们还仔细考虑了来自接收器的反射或悬浮在空气中的粒子沿光束路径散射光的可能影响。

去年，作者和他的同事们在华盛顿特区南部的美国陆军Blossom Point测试设施进行了一次演示。他们使用9.7千兆赫的微波从一个配备有5.4米直径抛物面碟(上)的发射机发送1649瓦(峰值功率)，传输距离为1046米，到一个安装在塔(下)上的2 × 2米“集电天线”(中)，将光束转化为可用的电力。美国海军研究实验室

不可否认，我们能够传输的400瓦功率并不大，但足以为我们煮一些咖啡，继续这一系列实验的必要步骤:制作热饮。(2015年开始这一传统的日本研究人员为自己准备了一些茶。)

我们的下一个目标是将电力传输应用于移动平台，并采取全面综合的安全措施。为此，我们希望增加覆盖的距离和传输的功率。

但我们并不孤单:世界各地的其他政府、知名公司和初创公司都在努力开发自己的电力输送系统。日本长期以来一直是微波和激光功率发射的领导者，中国已经缩小了差距，就像韩国一样。

在消费电子产品层面，有很多竞争者:Powercast，或者，Energous，大师,Wi-Charge在他们中间。以及跨国科技巨头华为预计智能手机充电将在“两到三代(手机)”内实现。

对于工业应用，公司喜欢到达实验室，TransferFi，MH GoPower,MetaPower正在利用电能传输技术解决棘手的问题，即为仓库和其他地方的机器人和传感器充电并随时准备使用。亚博排列五投注网站在网格层面，Emrod还有一些人正试图将电力传输提升到新的高度。

在研发方面，我们的团队在过去一年中演示了安全的微波无线功率传输在一公里的距离上是1.6千瓦。这样的公司航空航天与国防，Peraton实验室Lighthouse Dev等公司最近也取得了令人瞩目的进展。如今，雄心勃勃的创业公司喜欢太阳能空间技术，Solaren，博洛尼亚索利斯美国和其他以隐形模式运行的国家正在努力成为第一个实现从太空到地球的实际电力传输的国家。

随着这些公司建立了可靠的安全记录，并为其系统的实用性提出了令人信服的论点，我们很可能会看到全新的架构出现，用于从一个地方到另一个地方发送电力。想象一下，无人机可以无限期飞行，电力设备永远不需要插电——当飓风或其他自然灾害破坏当地电网时，能够为世界上任何地方的人们提供能源。减少运输燃料、电池或其他形式的储存能源的需求将产生深远的影响。当你不能串电线时，这不是唯一的选择，但我的同事和我期望，在为遥远的地方提供电力的一系列可能的技术中，电能传输将会，毫不夸张地，大放光彩。

本文发表在2022年6月的印刷版上，题为“远处的幽灵力量”。