这才是无线充电的终极目标

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-05-23 09:20

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank) 编译自IEEE 谢谢。


在移动电力方面,电线有很多用途,但它们也有缺点。毕竟,谁都厌倦插入和拔出手机和其他可充电小玩意儿,因为这是一个麻烦。

电线也对电力公司提出了挑战:这些公司必须努力将施加在传输电缆上的电压提高到非常高的值,以避免在此过程中消耗大部分电力。在为电动火车和有轨电车等公共交通工具供电时,电线需要与滚动或 滑动触点串联使用,这些触点维护起来很麻烦,甚至还会产生火花,并且在某些情况下会产生有问题的污染物。

许多人都渴望解决这些问题——看看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, 也用于车辆。虽然无线充电器使您不必反复连接和断开电缆,但以这种方式输送能量的距离非常短。事实上,当间距只有几厘米,更不用说几米时,很难为设备充电或供电。真的没有实用的方法可以在没有电线的情况下将电力传输到更远的距离吗?

对一些人来说,无线电力传输的整个概念让人联想到尼古拉特斯拉的形象,高压线圈喷出微型闪电。这不会是一个愚蠢的联系。特斯拉确实追求过以某种方式利用地面和大气作为长距离电力传输管道的想法,但这个计划没有成功。但他的梦想是在没有电线的情况下远距离传输电力。

与特斯拉同时代的古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)想出了如何使用“赫兹波”或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相同类型的波将能量从一个地方传送到另一个地方的可能性。毕竟,储存在木材、煤炭、石油和天然气中的所有能量最初都是这样到达这里的:它在数百万年前以电磁波(太阳光)的形式在太空中传播了 1.5 亿公里。

今天可以利用相同的基本物理学来代替电线吗?本文作者和其位于华盛顿特区美国海军研究实验室的同事都这认为是可行的,以下是其中的一些原因。

在过去的一个世纪中,人们曾多次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。无线电力传输研究的黄金年也许是 1975 年,当时为 雷神公司工作的威廉·布朗和美国宇航局喷气推进实验室的理查德·迪金森(现已退休)在实验室内使用微波将电力传输的最终效率提升到超过 50% 。 在另一次演示中,他们能够在大约一英里(1.6 公里)的距离内提供超过 30 千瓦的电力。

这些演示是美国宇航局和美国能源部探索太阳能卫星可行性的 更大运动的一部分 ,有人提议,有朝一日,太阳能卫星将在太空中收集阳光,并将能量以微波的形式传送到地球。但由于这一研究方向在很大程度上是由 1970 年代的能源危机推动的,因此在接下来的几十年里,对太阳能卫星的兴趣减弱了,至少在美国是这样。

尽管研究人员定期重新审视太阳能卫星的想法,但那些进行功率发射实际演示的人一直在努力超过 1975 年达到的效率、距离和功率水平的高水位线。这种情况最近开始发生变化,因为传输和接收技术取得了各种最新进展。


在 2019 年马里兰州贝塞斯达海军水面战中心的一次演示中,这道激光束在 325 米的距离内安全地传输了 400 瓦的功率。

大多数早期发射功率的努力都局限于微波频率,这是当今充满 Wi-Fi、蓝牙和各种其他无线信号的电磁频谱的同一部分。这一选择的部分原因是高效的微波发射和接收设备很容易获得这一简单事实。

但是,在更高频率下运行的设备的效率和可用性都有所提高。由于大气对电磁频谱某些部分内能量的有效传输施加的限制,研究人员将重点放在微波、毫米波和光学频率上。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,毫米波或光链路效果更好。

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。微波或毫米波的接收器使用称为整流天线(rectennas)的元件阵列。这个词,是整流器(rectifier)和天线(antenna)的组合,反映了每个元件如何将电磁波转换为直流电。

任何为光功率传输而设计的系统都可能使用激光器——具有严格限制光束的激光器,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,旨在以非常高的效率将单波长的光转换为电能。事实上,效率可以超过 70%,是典型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研究不同的功率束选项并研究潜在应用。其中包括延长无人机的飞行时间和有效载荷能力,在黑暗中为轨道上的卫星提供动力,为在月球永久阴影区域运行的漫游车提供动力,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,一个以窄光束通过空气发送大量能量的设备听起来像是死亡射线。这触及了一个关键考虑的核心:功率密度。不同的功率密度在技术上是可行的,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平衡点。还有一些巧妙的方法可以让高功率密度的光束安全使用。这正是作者所在的一个团队在 2019 年所做的,从那时起他们成功地扩展了这项工作。

作者的行业合作伙伴之一, PowerLight Technologies,前身为 LaserMotive,十多年来一直在开发基于激光的功率光束系统。这家公司以赢得2009 年NASA 动力发射挑战而闻名,不仅在为机器人系绳攀爬器、四轴飞行器和固定翼无人机提供动力方面取得了成功,而且还深入研究了用激光安全发射动力的挑战。这很关键,因为多年来,许多研究小组已经展示了激光能量束——包括海军研究实验室、近代大学、北京理工大学、科罗拉多大学博尔德分校、JAXA的团队,空中客车公司和其他公司——但只有少数人以在每一种可能的情况下都真正安全的方式实现了这一目标。


多年来,使用微波 [蓝色] 或激光 [红色] 进行了许多功率发射演示,峰值功率记录已在 1975 年创下 [历史]。2021 年,作者和他的同事在此类实验中获得的峰值功率水平分别获得了第二和第三名,他们使用小得多的天线在超过一公里的距离上发射了超过一千瓦的信号。

在作者团队的努力之前,最引人注目的安全激光功率束演示可能是 2012 年Lighthouse Dev公司。为了强调该系统的安全性,BBC 科学节目“ Bang Goes the Theory ”的主持人全神贯注于在马里兰大学的建筑物之间发送的能量束。这个特殊的演示利用了这样一个事实,即某些红外波长对您的眼睛来说比红外光谱的其他部分安全一个数量级。

该策略适用于相对低功耗的系统。但是,当您将级别推高时,您很快就会达到无论使用何种波长都会引起安全问题的功率密度。然后怎样呢?这就是作者展示的系统与众不同的地方。

在超过 300 米的距离内发送超过 400 瓦的功率时,光束被包含在一个虚拟外壳内,该外壳可以感应到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如何超过一公里。

仔细测试(没有使用 BBC 科学节目主持人)验证了此功能的功能令其满意,该功能也通过了海军激光安全审查委员会的审核。在作者的演示过程中,该系统进一步证明了自己,有几次,鸟儿飞向光束,将其关闭——但只是暂时的。您会看到,系统会监控光束所占据的体积及其周围环境,当路径再次畅通时,电源链路会自动重新建立自身。将其视为车库门安全传感器的更复杂版本,其中防护梁的中断会触发驱动门关闭的电机。

在作者的演示中,出席的观察者能够在发射器和接收器之间走动,而无需佩戴激光安全眼镜或采取任何其他预防措施。这是因为,除了将系统设计成可以自动关闭之外,作者和他的同事还仔细考虑了接收器反射的可能影响,或者沿着光束路径悬浮在空气中的粒子的光散射可能产生的影响。


去年,作者和他的同事在华盛顿特区以南的美国陆军 Blossom Point 测试设施进行了一次演示,他们使用 9.7 GHz 的微波从配备有 5.4 米直径抛物线的发射器发送 1,649 瓦(峰值功率)天线 [顶部] 在 1,046 米的距离上连接到安装在塔 [底部] 上的 2×2 米的“整流天线” [中间],它将光束转换成可用的电力。

如作者所说,诚然,其能够传输的 400 瓦功率不是很大,但足以为其冲泡咖啡,继续进行这一实验中的必需品:制作热饮。(2015 年开创这一传统的日本研究人员为自己准备了一些茶。)

作者及其团队的下一个目标是将具有完全集成安全措施的功率束应用于移动平台。为此,希望增加覆盖的距离和输送的电量。

正因为该项技术如此吸引人,以至于世界各地的其他政府、成熟公司和初创公司正在努力开发自己的电力系统。日本长期以来一直是微波和激光功率束的领导者,而中国即使不领先也已经缩小了差距,韩国也是如此。

在消费电子层面,有很多玩家:Powercast、Ossia、Energous、GuRu、Wi-Charge。跨国科技巨头华为预计将在“两三代手机”内为智能手机充电。

对于工业应用, Reach Labs、TransferFi、MH GoPower和MetaPower等公司正在利用功率束解决棘手的问题,即让机器人和传感器、仓库和其他地方的电池充满电并准备就绪。在电网层面,Emrod和其他人正试图将电力传输提升到新的高度。

在研发方面,作者所在的团队在过去一年中展示了 1.6 千瓦的安全微波无线电力传输,传输距离为一公里。II-VI Aerospace & Defense、Peraton Labs 、Lighthouse Dev 等公司最近也取得了令人瞩目的进展。

今天,雄心勃勃的初创公司,如Solar Space Technologies、Solaren、Virtus Solis以及其他以隐形模式运营的公司,正在努力成为第一个实现从太空到地球的实用电力传输的公司。

随着这些公司建立了经过验证的安全记录并为其系统的实用性提出了令人信服的论据,我们很可能会看到用于将电力从一个地方传送到另一个地方的全新架构出现。想象一下可以无限期飞行的无人机和永远不需要插入电源的电子设备,并且能够在飓风或其他自然灾害肆虐当地电网时为世界任何地方的人们提供能源。减少运输燃料、电池或其他形式的存储能源的需求将产生深远的影响。当您无法串线时,这不是唯一的选择,但我和我的同事预计,在为偏远地区提供电力的一系列可能技术中,电力传输将毫无疑问地大放异彩。

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