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          美國研究人員成功實現紅外線無線傳輸電能30米
          發布時間:2022-09-16    來源:網絡搜集   閱讀次數:148 分享到:
          據美國《科學日報》網站8月30日報道,研究人員利用紅外線將電能無線傳輸了30米。

          想象你走進機場或雜貨店時,你的智能手機開始自動充電。由于一種新型無線激光充電系統,這有朝一日可能會成為現實。該系統克服了此前阻礙開發安全便捷充電系統的一些挑戰。

          相關研究團隊負責人、來自韓國世宗大學的何津永(音)說:“以無線方式為設備供電的能力可以消除為我們的手機或平板電腦供電時把電線移來移去的必要。它還可以為各種傳感器供電,例如物聯網設備中的傳感器和用于監測制造廠生產過程的傳感器?!?br />
          在光學出版集團的《光學快訊》雜志中,研究人員描述了他們的新系統,該系統利用紅外線安全傳輸高水平功率。實驗室測試顯示,它可以將400毫瓦的光功率傳輸遠達30米的距離。這一功率足以給傳感器充電。隨著研發工作推進,其可能被提高至為移動設備充電所必需的水平。

          為以無線方式遠程傳輸電能,人們已經對多種技術進行了研究。不過,此前很難安全地在“米”級距離上傳輸足夠電能。為克服這一挑戰,上述研究人員對一種名為分布式激光充電的方法進行了優化,該方法最近因其應用贏得更多關注,因為它提供了安全的高功率照明,減少了光損失。

          何津永說:“盡管大多數其他方法均要求接收裝置放在一個特殊的充電座內或處于靜止狀態,但分布式激光充電系統能夠在無需進行相關追蹤的情況下自動耦合,只要發射器和接收器處于彼此‘視線’內即可。如果一個物體或人阻擋‘視線’,系統還會自動轉向安全的低功率傳輸模式?!?br />

          報道指出,分布式激光充電系統的工作方式有點像傳統激光器,但其激光諧振腔的光學部件沒有被整合到一個設備中,而是被分成發射器和接收器。

          當發射器和接收器在彼此“視線”內時,就會在發射器和接收器之間的空中形成一個激光諧振腔,使得該系統能夠輸出基于光的電能。如果一個障礙物切斷發射器與接收器之間的“視線”,系統就會自動切換至安全供電模式,實現空中無危險供電。

          在新系統中,研究人員使用配有摻鉺光纖放大器的光功率源,中心波長為1550納米。這種波長區間處于光譜中最安全的范圍,在所使用的功率下對人眼或皮膚不會造成任何危險。

          何津永說:“在接收器單元中,我們加入了一個球面透鏡后向反射器,以幫助發射器與接收器進行360度耦合,這使得電能傳輸效率最大化。我們在實驗中觀察到,該系統的整體性能依賴于球面透鏡的折射率,其中2.003的折射率最有效?!?br />
          為驗證這一系統,研究人員把一個發射器和一個接收器相隔30米放置。發射器由配有摻鉺光纖放大器的光源組成,接收器單元包括一個后向反射器、一個將光學信號轉化為電能的光伏電池以及一個會在電能傳輸過程中亮起的發光二極管。這種約10乘10毫米的接收器可以被輕松整合至設備和傳感器中。

          實驗結果顯示,在譜線寬度為1納米的情況下,單通道無線光功率傳輸系統能夠在30米距離內提供400毫瓦的光功率。光電裝置將其轉化為85毫瓦的電源功率。

          研究人員的實驗還表明,當發射器和接收器之間的“視線”被人手切斷時,該系統會自動轉向一種安全的功率傳輸模式。在這種模式下,發射器會產生強度極低的光,不會對人構成任何風險。

          何津永說:“使用這種激光充電系統取代工廠中的電線可以節省維護和更換成本。在電線連接可能造成干擾或火災的惡劣環境下,這可能尤其有用?!?br />
          在報道中,還附上了科研團隊負責人何津永,對該技術的介紹:

          “以無線方式為設備供電的能力可以消除為我們的手機或平板電腦供電時把電線移來移去的必要。它還可以為各種傳感器供電,例如物聯網設備中的傳感器和用于監測制造廠生產過程的傳感器?!?br />
          之后,另一家美國媒體《光學快訊》,也對此次研究表現出相當的興趣,并派遣媒體記者對科研團隊進行了新一輪采訪。

          原來,該科研團隊所研發的遠程輸電系統,是依靠紅外線媒介來進行輸電的,研究人員還特地強調這是一種安全穩定,且能支持高功率的傳輸手段。


          在最后的實驗中,科研人員完成了遠達30米的輸電實驗,讓目標手機成功充上了電,突破了原先各國的研究記錄,堪稱遠程輸電的新一輪突破,令人大受震撼。

          不過,本次實驗的電功率僅有0.4瓦,與目前普遍的手機充電功率仍有差距,但科研人員表示,本次實驗主要是針對可行性和距離的測試,隨著后期科研的推進,電功率將會提高至可用水平。

          除此之外,研究負責人何津永還進一步闡述了該系統的優勢:

          “盡管大多數其他方法均要求接收裝置放在一個特殊的充電座內或處于靜止狀態,但分布式激光充電系統能夠在無需進行相關追蹤的情況下自動耦合,只要發射器和接收器處于彼此‘視線’內即可。如果一個物體或人阻擋‘視線’,系統還會自動轉向安全的低功率傳輸模式?!?br />
          何津永的介紹,簡單來說,就是該系統需要在充電器和被充電器上安裝一個紅外線裝置,以保證兩者能夠使用紅外線進行聯通。

          但這種紅外線系統是散射的,只要充電器和被充電器處于同一空間,那充電就能繼續,若是紅外線被物體阻斷,那系統就會智能地轉為低功率模式,以確保人體不會因此受到影響。

          另外,在針對一些較為復雜的充電環境時,何津永表示:“在接收器單元中,我們加入了一個球面透鏡后向反射器,以幫助發射器與接收器進行360度耦合,這使得電能傳輸效率最大化。我們在實驗中觀察到,該系統的整體性能依賴于球面透鏡的折射率,其中2.003的折射率最有效?!?br />
          這種球面透鏡的改裝,意味著充電器和被充電器的聯通,并不是呆板的一條線式接連,而是靈活且多連線式的銜接。

          這也使得該系統,能夠適應各種復雜環境下的遠程輸電,進一步體現出該系統的高精尖性能。

          遠程輸電:站在巨人肩膀的實驗

          但值得一提的是,來自韓國世宗大學的何津永及其團隊,所研發的遠程輸電系統,并非是“前無古人后無來者”的項目。

          早在2021年時,我國小米科技就已經實現了隔空充電。根據當時所播放的視頻資料,我們可以看出小米的隔空充電設備稍顯龐大,類似于今日的空氣凈化器大小。

          但設備的龐大,也意味著功能的強大,只見該設備能夠完成5米遠的設備充電,而且還能同時連接數個設備,堪稱居家充電的“神器”。

          而與之相似的,還有俄羅斯一家名為“能源”的火箭航天公司做的一項遠程輸電實驗,他們利用激光為 1.5 公里以外的手機充電 1 小時。

          又如2015 年時,微軟亞洲研究院也曾做過相關的光線充電實驗,盡管該實驗也取得成功,但最終因光線形成過于苛刻,而只能停留于實驗室研究中。

          不過,無論是韓國團隊的紅外線輸電,還是小米的相控陣技術輸電,又或是微軟亞洲研究院的光線輸電,他們這些遠程輸電項目,其實都是站在一位巨人的肩膀上實現的,而這位巨人便就是特斯拉。

          這個特斯拉并不是馬斯克所創立的公司,而是該公司名稱的由來---------生活在百年前的科學家尼古拉·特斯拉。

          因為在1901年時,特斯拉就曾建造了一座大型高壓無線電站,他希望利用一種全球性的電磁共振,來完成遠距離輸電。

          但最終因制造成本過高,而致使該實驗無疾而終,直至特斯拉逝世,這也就成為了歷史書上的一筆遺憾。

          值得一提的是,在經典戰略游戲《紅色警戒2》中,制作者還特別設計了一個名為“磁暴線圈”的電塔,在虛擬游戲的背景下,致敬了特斯拉的這一嘗試和壯舉。

          可虛擬游戲終究不是現實,特斯拉所引領的這種遠程輸電,在現實生活中,除去為設備充電外,還能有何作為呢?

          遠程高壓電輸送:大有可為

          針對這一問題,答案是肯定的,而且遠程輸電在現代背景下,可謂是大有可為。


          因為,遠程輸電完全可以作用于高壓電的遠程輸送中。

          以我國南方的高壓電輸送為例,許多高壓傳輸線路為了不影響城市和公路建設,大多都是建立在人跡罕至的高山之上。

          這雖然保證了人民生活不受影響,但同時也加大了這些電塔的維護成本。

          首先是電塔巡檢時,電力維護人員都要跋山涉水,增大了時間成本,如果遇到電塔故障,那維修物資的運輸,還會成為一大問題,令無數檢修人員倍感頭疼。

          另外,這些電塔地處偏遠,這使得一旦發生故障,往往難以準確發現和定位,因為高山上的極端環境,經常會讓監控設備失靈失效,加大了檢修的難度。

          因此,若能實現遠程高壓電輸送,那不僅能讓電塔的選址“下沉”,還能使故障能更早、更準確地被發現。

          雖然,這聽起來與我們有些遙遠,但令人震驚的是,其實我國很早以前,就已經開始了相關項目的研究。

          在2016年時,武漢大學的一個科研團隊,就成功研制出高壓電的遠程傳輸裝置,還完成了一次長達3米的高壓輸送實驗。結果十分圓滿。

          而該實驗的原理,就正是先前特斯拉未完成的磁共振式無線供電技術。

          盡管,該裝置仍存在著耗損大、成本高的弱點,但相信在無數科學家的努力下,這一技術難關定然能被攻破,進而讓大眾享受到真正的無線供電技術。

          參考資料
          《美媒:紅外線輸電試驗獲得成功》--------參考消息
          《是否可以實現電能的無線傳播》-------電工之家
          《黑科技走出實驗室,小米首發隔空充電,五米范圍隔空充電》---------充電頭網
          《隔空充電?當科幻電影成真》---------千家智能家居網
          《高壓電無線輸送成功運行 武大首創傳輸距離大于3米》--------湖北日報
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