遠(yuǎn)距離“無(wú)線輸電”聽(tīng)起來(lái)像是一個(gè)黑科技，無(wú)需使用銅線就能把能源傳輸至世界各地。但早在1890 年的時(shí)候，尼古拉·特斯拉就曾嘗試用 140 英尺的線圈，為兩英里外的燈泡進(jìn)行無(wú)線供電，可惜以失敗告終。這個(gè)想法在沉寂了100多年以后，在當(dāng)今時(shí)代又迎來(lái)了新的曙光，新西蘭初創(chuàng)企業(yè)Emrod正致力于推出全球首個(gè)遠(yuǎn)程、高功率的無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)。本文譯自Medium，作者Leon Okwatch，原標(biāo)題為“How Far Are We From Wireless Electricity？”，希望對(duì)您有所啟發(fā)。

無(wú)線輸電，是指不經(jīng)過(guò)電纜將電能從發(fā)電裝置傳送到接收端的技術(shù)?，F(xiàn)代科學(xué)革命使特斯拉的這個(gè)曾經(jīng)被認(rèn)為是白日夢(mèng)的非凡想法，迎來(lái)了新的曙光。

那一年是1891年，一位名叫尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的鮮為人知的塞爾維亞裔美國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種可以無(wú)線發(fā)電和傳輸電能的設(shè)備。特斯拉線圈是這項(xiàng)技術(shù)的原型，被特斯拉視為能源傳輸?shù)氖ケ?/p>

1. 特斯拉線圈

特斯拉線圈是一種分布參數(shù)高頻串聯(lián)諧振變壓器，可以獲得上百萬(wàn)伏的高頻電壓。

線圈通過(guò)電磁感應(yīng)原理工作，特斯拉展示了如何使用線圈為幾米外的燈泡無(wú)線供電。

即使以現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，特斯拉也遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于他所處的時(shí)代，而且他的目光遠(yuǎn)不止停留在特斯拉線圈的原型。他希望世界上所有人都能享受廉價(jià)甚至免費(fèi)的電力。他突破了界限，創(chuàng)造出了在現(xiàn)實(shí)世界中更實(shí)用的東西，想為地球提供無(wú)限能源。

2. 沃登克萊夫塔

沃登克里弗塔是尼古拉·特斯拉設(shè)計(jì)的一座無(wú)線電能傳輸塔，又稱作特斯拉塔。1901年，物理學(xué)家尼古拉·特斯拉到處求援，希望在紐約長(zhǎng)島興建一座高塔進(jìn)行跨大西洋無(wú)線電廣播和無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)。尼古拉·特斯拉最終說(shuō)服當(dāng)時(shí)億萬(wàn)富翁摩根，征得了15萬(wàn)美元資助，實(shí)際上，摩根只對(duì)尼古拉·特斯拉的商業(yè)價(jià)值感興趣，他認(rèn)為特斯拉能夠借這個(gè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊。特斯拉最癡迷的是無(wú)線能源傳輸。

尼古拉·特斯拉打著電信的旗號(hào)，獲得了建造這座塔的資金。他已經(jīng)證明，使用特斯拉線圈變壓器，無(wú)需有線連接就可以傳輸高頻信號(hào)。

在他的實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行的進(jìn)一步秘密實(shí)驗(yàn)使他確信，他可以利用地球上層大氣傳輸電能。沃登克萊夫塔是特斯拉設(shè)想的橫跨全球的塔網(wǎng)的原型，它可以讓世界各地從一個(gè)中央站遠(yuǎn)程獲取無(wú)線能源。

特斯拉的計(jì)劃是，從附近的煤田發(fā)電，然后利用這個(gè)塔將電能輸送到世界各地，類似于無(wú)線電波的遠(yuǎn)距離傳輸方式。

在接受《美國(guó)雜志》采訪時(shí)，特斯拉如此生動(dòng)地描述了他的愿景：

“電力在不久的將來(lái)將不需要電線，就能傳輸?shù)绞澜绺鞯赜糜谏虡I(yè)用途，例如家庭照明和駕駛飛機(jī)。我已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這些基本原理，剩下的就是把它們商業(yè)化了。當(dāng)這項(xiàng)工作完成后，你就可以去山頂俯瞰自己的農(nóng)場(chǎng)，可以去北極，或者去沙漠都可以，只需要安裝一個(gè)小設(shè)備，就可以保障你日常的能源需求，比如做飯和燈光?！?/p>

——尼古拉·特斯拉

不幸的是，特斯拉的雄心壯志并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。在此之前，該項(xiàng)目的出資人摩根大通（JP Morgan）撤出了資金，特斯拉也因此破產(chǎn)。這座未完工的塔樓在1917年被拆除，以履行特斯拉的部分財(cái)務(wù)義務(wù)。

到目前為止，無(wú)線電力傳輸?shù)母拍钜恢北桓鞣N限制所淹沒(méi)。

3. 如今的無(wú)線電力技術(shù)

破滅的希望已經(jīng)沉寂了100多年。而如今，又有幾家公司正在進(jìn)入市場(chǎng)，他們的技術(shù)可以安全地做到通過(guò)空氣傳輸電能。

由政府支持的新西蘭初創(chuàng)企業(yè)Emrod在這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位，他們預(yù)計(jì)將向消費(fèi)者推出全球首個(gè)遠(yuǎn)程、高功率的無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)，以取代現(xiàn)有的銅線技術(shù)。

這項(xiàng)技術(shù)利用電磁波在遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸能量。Emrod的系統(tǒng)由四個(gè)部件組成：一個(gè)電源、一個(gè)發(fā)射天線、多個(gè)中繼站和一個(gè)接收天線組成，接收天線通常被稱為“rectenna”。

首先，發(fā)射天線將電能轉(zhuǎn)換成微波能量，并將其聚焦成圓柱形波束。微波光束通過(guò)一系列繼電器發(fā)送，直到它到達(dá)rectenna，再將其轉(zhuǎn)換為電能。

聽(tīng)起來(lái)原理很簡(jiǎn)單，但該技術(shù)最大的困難在于，如何解決無(wú)線電波在傳輸中的彌散和衰減問(wèn)題。對(duì)于無(wú)線通訊來(lái)說(shuō)，電波的彌散可能是好事，但無(wú)線輸電則恰恰相反。

相比之下，通過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)送的原始能量是最重要的考慮因素。接收到的傳輸能量的比例成為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，必須設(shè)計(jì)有效的辦法，盡量減少損失。

Emrod找到了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的方法，創(chuàng)始人Greg Kushnir說(shuō)：“我們開(kāi)發(fā)的所有組件的效率都非常好?！苯陙?lái)用于能量傳輸?shù)男虏牧系陌l(fā)展有助于將能量損失降到最低。這家公司計(jì)劃將來(lái)進(jìn)一步提高其效率。

值得注意的是，該技術(shù)是非?？煽康?，因?yàn)樗皇芴鞖饣虼髿鈼l件的影響，因此意外停電將成為過(guò)去。

目前，這家初創(chuàng)公司正在尋求將能源帶給那些沒(méi)有電網(wǎng)的社區(qū)，或者從離岸資源轉(zhuǎn)移能源。

4. 無(wú)線輸電的前景

有人會(huì)說(shuō)，無(wú)線電力是那我們并不需要的、被過(guò)度炒作的發(fā)明之一。畢竟，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電力傳輸，而且運(yùn)行良好。

這遠(yuǎn)非事實(shí)。傳統(tǒng)輸電方式的隱性成本極高。

建立電線傳輸系統(tǒng)并維護(hù)其正常運(yùn)行的成本是很昂貴的，而且，偏遠(yuǎn)地區(qū)有各種地理上的限制，使得電網(wǎng)無(wú)法擴(kuò)展。而無(wú)線電力傳輸將有可能讓海上的船只、電動(dòng)汽車或飛機(jī)在行駛中進(jìn)行充電。但或許它所帶來(lái)的最大革命，將是向全世界傳輸一種清潔、廉價(jià)的可再生能源。

我們可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：

1. 太陽(yáng)能的遠(yuǎn)距離傳輸

根據(jù)全球能源統(tǒng)計(jì)（Global Energy Statistics），2019年世界能源消費(fèi)總量為130億噸石油當(dāng)量（MTOE）。

這相當(dāng)于17.3太瓦的功率?，F(xiàn)在，如果我們用太陽(yáng)能電池板覆蓋350 * 350公里的土地，則可以提供超過(guò)17.4太瓦的電力。這個(gè)區(qū)域大約有43000平方英里。大撒哈拉沙漠大約有360萬(wàn)平方英里，太陽(yáng)能每天可以提供超過(guò)12小時(shí)的電力。

這意味著1.2%的沙漠面積足以滿足全世界的能源需求。而核聚變或任何其他正在開(kāi)發(fā)的清潔能源都無(wú)法與之匹敵。

如果無(wú)線電力傳輸成為現(xiàn)實(shí)，我們就能利用撒哈拉沙漠的一小部分來(lái)獲取太陽(yáng)能，并將其傳輸?shù)饺颍恍枰嘿F的銅線。這難道不是解決能源危機(jī)、污染和氣候變化的重大突破嗎？

2. 太空太陽(yáng)能

太空太陽(yáng)能（Space-based Solar Power）的意思是，巨大的太陽(yáng)能電池板在太空中收集太陽(yáng)能，并將其傳輸回地球，這聽(tīng)起來(lái)像是未來(lái)科幻電影中的瘋狂場(chǎng)景。

太空太陽(yáng)能（SBSP）的概念是由俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁?齊奧爾科夫斯基在20世紀(jì)20年代提出的，但在很大程度上一直是難以實(shí)現(xiàn)的。

情況正在逐漸改變。幾個(gè)月前，歐洲航天局宣布了資助SBSP的計(jì)劃，作為一種通過(guò)推進(jìn)綠色能源生產(chǎn)來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變化的手段。

太空太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)將為每個(gè)人提供清潔能源，無(wú)處不在。SBSP將采用無(wú)線電力概念。該計(jì)劃是將太陽(yáng)能電池的電能轉(zhuǎn)換成能量波，然后利用電磁場(chǎng)將其傳輸?shù)降厍虮砻娴奶炀€上。然后天線就會(huì)把電波轉(zhuǎn)換回電能。

SBSP是一個(gè)有吸引力的解決方案，能夠解決迫在眉睫的能源危機(jī)問(wèn)題，因?yàn)樗袔讉€(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以產(chǎn)生更多的能源：

在太空中總是處于正午，而地球上的太陽(yáng)能電池板會(huì)受到日光和天氣的限制。

由于沒(méi)有大氣氣體、云、塵埃和其他天氣事件的阻礙，太陽(yáng)能電池板可以接收到更強(qiáng)烈的陽(yáng)光。而地球的大氣層通常會(huì)吸收并反射一部分太陽(yáng)光線。

太陽(yáng)能板衛(wèi)星可以全天24小時(shí)接收太陽(yáng)能。而目前，地球電池板收集太陽(yáng)能的時(shí)間平均為一天時(shí)間的29%。

電力可以迅速轉(zhuǎn)移到最需要的地區(qū)。

當(dāng)然，SBSP仍面臨著許多障礙，其中最大的障礙是巨大太陽(yáng)能電池板的發(fā)射和部署成本。新的超輕太陽(yáng)能電池制造方法正在處于研究中。

5. 無(wú)線輸電：特斯拉曾經(jīng)的夢(mèng)想，如今即將實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)

我們這一代人在追求無(wú)線電力傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)得到很多，而不會(huì)失去什么。在今后幾年中，我們將能看到如今的努力產(chǎn)生的積極結(jié)果。

可惜的是，偉大的發(fā)明家特斯拉將無(wú)法親眼目睹自己的夢(mèng)想成真。

我很想說(shuō)出特斯拉的一句名言：

“如果你想找到宇宙的秘密，請(qǐng)從能量、頻率和振動(dòng)的角度思考。”

——尼古拉·特斯拉
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