隨著(zhù)新年的到來(lái)，城市街道旁紛紛掛起新燈以示慶賀，人行道旁的樹(shù)上也會(huì )掛上閃爍的LED燈串。然而，糾纏不清的電線(xiàn)不僅影響美觀(guān)，還有可能存在安全隱患，無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)的出現或許能解決這個(gè)問(wèn)題。
近日，美國一家公司就研發(fā)出一種無(wú)線(xiàn)圣誕燈，它的燈泡借助放置在圣誕樹(shù)外圍的磁線(xiàn)圈所產(chǎn)生的電力發(fā)光，無(wú)須連接傳統電線(xiàn)，一旦把燈泡掛在樹(shù)上，燈泡就會(huì )發(fā)亮，這個(gè)產(chǎn)品應用的就是無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)。
顧名思義，無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)是指無(wú)需任何物理上的連接，電能可以近距離無(wú)接觸地傳輸給負載以驅動(dòng)電器。與傳統的供電方式相比，這種無(wú)接觸式的供電技術(shù)具有易維護、體積小且適用于惡劣工作環(huán)境等特點(diǎn)。
實(shí)際上，無(wú)線(xiàn)供電的概念早在1894年就由物理學(xué)家特斯拉提出，這100多年來(lái)，該技術(shù)已經(jīng)得到長(cháng)足的發(fā)展，涉及的領(lǐng)域有手機、醫療器械、可穿戴設備、筆記本等，沿用“特斯拉”這個(gè)名字的電動(dòng)汽車(chē)正是應用了該技術(shù)來(lái)給汽車(chē)充電。
目前，國內已有專(zhuān)家開(kāi)始將無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)應用到半導體照明領(lǐng)域，中科院半導體研究所半導體照明研發(fā)中心的工程師詹騰稱(chēng)，實(shí)驗室已經(jīng)利用這個(gè)理論成功制造出了無(wú)線(xiàn)驅動(dòng)的紅光芯片，這種芯片無(wú)電極、無(wú)金線(xiàn)，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)能量傳輸將其點(diǎn)亮，進(jìn)一步縮小了芯片的體積。詹騰表示，希望在進(jìn)一步的研發(fā)過(guò)程當中，在通用照明領(lǐng)域，以及一些動(dòng)植物等特殊的照明領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)供電的照明系統技術(shù)可以得到應用。
無(wú)線(xiàn)供電的原理
無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)的原理研究可以追溯到19世紀30年代，科學(xué)家邁克爾•法拉第(Michael Faraday）首先發(fā)現了電磁感應原理，即周?chē)艌?chǎng)的變化將使電線(xiàn)中產(chǎn)生電流。到了19世紀 90年代，科學(xué)家尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla) 證實(shí)了無(wú)線(xiàn)傳輸電波的可能性，并申請了首個(gè)專(zhuān)利。
近2個(gè)世紀以來(lái)，科學(xué)家一直知道如何在不使用電線(xiàn)的情況下輸電，但是，由于沒(méi)有實(shí)際的需求，無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)一直處于“英雄無(wú)用武之地”的尷尬境地，直到近年來(lái)，隨著(zhù)個(gè)人電子產(chǎn)品的風(fēng)行，無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)才得以應用。
據了解，目前實(shí)現無(wú)線(xiàn)供電主要通過(guò)四種方式，分別為電磁感應技術(shù)、電磁共振技術(shù)、無(wú)線(xiàn)電波技術(shù)和電場(chǎng)耦合技術(shù)，而其中應用到照明領(lǐng)域的只有兩種。
磁場(chǎng)共振技術(shù)：由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，照明設備需要在電源和光源上分別裝上銅絲線(xiàn)圈，當兩端線(xiàn)圈調整到相同頻率，或者說(shuō)在一個(gè)特定的頻率上共振，它們就可以實(shí)現彼此之間的能量交換，從而點(diǎn)亮燈泡。這種能量傳輸方式無(wú)需使線(xiàn)圈間的位置完全吻合，而且傳輸距離較長(cháng)。
電場(chǎng)耦合技術(shù)：供電模塊是由2個(gè)非對稱(chēng)偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無(wú)線(xiàn)供電模塊就是通過(guò)這2個(gè)非對稱(chēng)偶極子的電場(chǎng)耦合而產(chǎn)生的感應電場(chǎng)來(lái)供電的。由于電場(chǎng)耦合方式有位置自由、電極薄且電極部的溫度不會(huì )上升等優(yōu)勢，可以實(shí)現照明設備的自由擺放，在一定程度上還可以延長(cháng)LED燈具的使用壽命。
在照明領(lǐng)域摸索著(zhù)前行
目前，無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)涉及的領(lǐng)域有手機、筆記本電腦、醫療器械還有近期廣受關(guān)注的可穿戴設備，實(shí)際上，不僅在這些“高大上”的設備有應用，在照明這個(gè)“接地氣”的領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)也有很大的發(fā)展前景，為此國內外物理學(xué)家做了不少努力與嘗試。
2007年6月7日，來(lái)自美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)教授馬林•索爾賈�？�(Marin Soljacic )帶領(lǐng)的研究團隊，成功地利用電磁共振器，使得2米之外的60瓦燈泡在沒(méi)有任何有線(xiàn)裝置的幫助下成功點(diǎn)亮。在演示過(guò) 程中，索爾賈�？私淌谧屗恼麄�(gè)設計團隊成員站在發(fā)送和接收天線(xiàn)之間，燈泡持續發(fā)光，并沒(méi)有受到障礙物的影響�？茖W(xué)家將這一技術(shù)稱(chēng)為“Witricity”，運用的就是磁場(chǎng)共振技術(shù)。
然而，基于這種技術(shù)的照明設備有一個(gè)突出的問(wèn)題，就是無(wú)法實(shí)現高效率的遠距離傳輸，空氣中能量損耗較大，對于供電來(lái)說(shuō)還是非常不經(jīng)濟的做法。
在索爾賈�？祟I(lǐng)導的臺燈實(shí)驗中，電磁能發(fā)射器的能量只有40%～50%被燈泡吸收，如果要想對化學(xué)電池進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，接收率必須提高到70%以上。
此外，電磁能發(fā)射器工作的有效距離最遠僅為2.74米。要想提高這一有效距離，照明設備還必須配置一個(gè)同樣帶有銅絲線(xiàn)圈的接收器，在實(shí)驗中，使用的線(xiàn)圈直徑達到50cm，如果要縮小線(xiàn)圈尺寸，接收功率自然也會(huì )下降，誰(shuí)也不想看到以后每個(gè)燈泡都頂著(zhù)一個(gè)碩大的線(xiàn)圈，在當時(shí)這種技術(shù)下的無(wú)線(xiàn)照明商業(yè)化空間還不是很大。
有望在LED照明領(lǐng)域取得成果
而隨著(zhù)LED照明逐步取代傳統照明，無(wú)線(xiàn)照明的技術(shù)研究也正逐漸轉向LED領(lǐng)域，目前國內的中科院半導體研究所半導體照明研發(fā)中心正在進(jìn)行這方面的研究。工程師詹騰表示，在LED芯片的發(fā)展過(guò)程中，芯片的種類(lèi)越來(lái)越多，尺寸也越做越小，據了解，目前最小的LED芯片尺寸為06mil*08mil，當芯片尺寸做到更小時(shí)，打線(xiàn)和驅動(dòng)就成了難題。
詹騰稱(chēng)利用無(wú)線(xiàn)供電的電場(chǎng)耦合技術(shù)可以解決這一困境，“在我們實(shí)驗室中，我們想出一種根據無(wú)線(xiàn)能量傳輸電場(chǎng)耦合的方式，在芯片做到更小的情況下，可以不需要電極、不需要打線(xiàn)也能正常地驅動(dòng)LED。我們利用這個(gè)理論制造出了紅光的芯片，藍光我們還在進(jìn)一步嘗試當中。”
據了解，將無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)應用到LED照明領(lǐng)域將有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：第一，在無(wú)線(xiàn)供電的光源工作的過(guò)程當中，可以使光源系統使用起來(lái)更加的方便，特別是在便攜式的照明系統當中；第二，可以使我們的照明系統更加的安全、更加的可靠，因為使用非接觸式的驅動(dòng)替代傳統的物理接觸以及電接觸，可以大大減少觸電風(fēng)險；第三，利用這種技術(shù)可以做到防水防爆；第四，使LED照明系統更加可靠；第五點(diǎn)就是由于光源和驅動(dòng)分開(kāi)了，可以提高LED照明系統的使用壽命。
詹騰表示：“無(wú)線(xiàn)供電比較理想的發(fā)展狀態(tài)就是在我們的家居環(huán)境中或者辦公場(chǎng)景中，不需要任何電線(xiàn)，只需要一個(gè)電力發(fā)射器，我們所有的照明系統、電力設備都可以得到很好的供應。在進(jìn)一步的研發(fā)過(guò)程當中，我們希望在通用照明領(lǐng)域，以及一些動(dòng)植物等特殊的照明領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)供電的照明系統技術(shù)可以得到應用。”
近日，美國一家公司就研發(fā)出一種無(wú)線(xiàn)圣誕燈，它的燈泡借助放置在圣誕樹(shù)外圍的磁線(xiàn)圈所產(chǎn)生的電力發(fā)光，無(wú)須連接傳統電線(xiàn)，一旦把燈泡掛在樹(shù)上，燈泡就會(huì )發(fā)亮，這個(gè)產(chǎn)品應用的就是無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)。
顧名思義，無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)是指無(wú)需任何物理上的連接，電能可以近距離無(wú)接觸地傳輸給負載以驅動(dòng)電器。與傳統的供電方式相比，這種無(wú)接觸式的供電技術(shù)具有易維護、體積小且適用于惡劣工作環(huán)境等特點(diǎn)。
實(shí)際上，無(wú)線(xiàn)供電的概念早在1894年就由物理學(xué)家特斯拉提出，這100多年來(lái)，該技術(shù)已經(jīng)得到長(cháng)足的發(fā)展，涉及的領(lǐng)域有手機、醫療器械、可穿戴設備、筆記本等，沿用“特斯拉”這個(gè)名字的電動(dòng)汽車(chē)正是應用了該技術(shù)來(lái)給汽車(chē)充電。
目前，國內已有專(zhuān)家開(kāi)始將無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)應用到半導體照明領(lǐng)域，中科院半導體研究所半導體照明研發(fā)中心的工程師詹騰稱(chēng)，實(shí)驗室已經(jīng)利用這個(gè)理論成功制造出了無(wú)線(xiàn)驅動(dòng)的紅光芯片，這種芯片無(wú)電極、無(wú)金線(xiàn)，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)能量傳輸將其點(diǎn)亮，進(jìn)一步縮小了芯片的體積。詹騰表示，希望在進(jìn)一步的研發(fā)過(guò)程當中，在通用照明領(lǐng)域，以及一些動(dòng)植物等特殊的照明領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)供電的照明系統技術(shù)可以得到應用。
無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)的原理研究可以追溯到19世紀30年代，科學(xué)家邁克爾•法拉第(Michael Faraday）首先發(fā)現了電磁感應原理，即周?chē)艌?chǎng)的變化將使電線(xiàn)中產(chǎn)生電流。到了19世紀 90年代，科學(xué)家尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla) 證實(shí)了無(wú)線(xiàn)傳輸電波的可能性，并申請了首個(gè)專(zhuān)利。
近2個(gè)世紀以來(lái)，科學(xué)家一直知道如何在不使用電線(xiàn)的情況下輸電，但是，由于沒(méi)有實(shí)際的需求，無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)一直處于“英雄無(wú)用武之地”的尷尬境地，直到近年來(lái)，隨著(zhù)個(gè)人電子產(chǎn)品的風(fēng)行，無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)才得以應用。
據了解，目前實(shí)現無(wú)線(xiàn)供電主要通過(guò)四種方式，分別為電磁感應技術(shù)、電磁共振技術(shù)、無(wú)線(xiàn)電波技術(shù)和電場(chǎng)耦合技術(shù)，而其中應用到照明領(lǐng)域的只有兩種。
磁場(chǎng)共振技術(shù)：由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，照明設備需要在電源和光源上分別裝上銅絲線(xiàn)圈，當兩端線(xiàn)圈調整到相同頻率，或者說(shuō)在一個(gè)特定的頻率上共振，它們就可以實(shí)現彼此之間的能量交換，從而點(diǎn)亮燈泡。這種能量傳輸方式無(wú)需使線(xiàn)圈間的位置完全吻合，而且傳輸距離較長(cháng)。
電場(chǎng)耦合技術(shù)：供電模塊是由2個(gè)非對稱(chēng)偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無(wú)線(xiàn)供電模塊就是通過(guò)這2個(gè)非對稱(chēng)偶極子的電場(chǎng)耦合而產(chǎn)生的感應電場(chǎng)來(lái)供電的。由于電場(chǎng)耦合方式有位置自由、電極薄且電極部的溫度不會(huì )上升等優(yōu)勢，可以實(shí)現照明設備的自由擺放，在一定程度上還可以延長(cháng)LED燈具的使用壽命。
在照明領(lǐng)域摸索著(zhù)前行
目前，無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)涉及的領(lǐng)域有手機、筆記本電腦、醫療器械還有近期廣受關(guān)注的可穿戴設備，實(shí)際上，不僅在這些“高大上”的設備有應用，在照明這個(gè)“接地氣”的領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)也有很大的發(fā)展前景，為此國內外物理學(xué)家做了不少努力與嘗試。
2007年6月7日，來(lái)自美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)教授馬林•索爾賈�？�(Marin Soljacic )帶領(lǐng)的研究團隊，成功地利用電磁共振器，使得2米之外的60瓦燈泡在沒(méi)有任何有線(xiàn)裝置的幫助下成功點(diǎn)亮。在演示過(guò) 程中，索爾賈�？私淌谧屗恼麄�(gè)設計團隊成員站在發(fā)送和接收天線(xiàn)之間，燈泡持續發(fā)光，并沒(méi)有受到障礙物的影響�？茖W(xué)家將這一技術(shù)稱(chēng)為“Witricity”，運用的就是磁場(chǎng)共振技術(shù)。
然而，基于這種技術(shù)的照明設備有一個(gè)突出的問(wèn)題，就是無(wú)法實(shí)現高效率的遠距離傳輸，空氣中能量損耗較大，對于供電來(lái)說(shuō)還是非常不經(jīng)濟的做法。
在索爾賈�？祟I(lǐng)導的臺燈實(shí)驗中，電磁能發(fā)射器的能量只有40%～50%被燈泡吸收，如果要想對化學(xué)電池進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，接收率必須提高到70%以上。
此外，電磁能發(fā)射器工作的有效距離最遠僅為2.74米。要想提高這一有效距離，照明設備還必須配置一個(gè)同樣帶有銅絲線(xiàn)圈的接收器，在實(shí)驗中，使用的線(xiàn)圈直徑達到50cm，如果要縮小線(xiàn)圈尺寸，接收功率自然也會(huì )下降，誰(shuí)也不想看到以后每個(gè)燈泡都頂著(zhù)一個(gè)碩大的線(xiàn)圈，在當時(shí)這種技術(shù)下的無(wú)線(xiàn)照明商業(yè)化空間還不是很大。
有望在LED照明領(lǐng)域取得成果
而隨著(zhù)LED照明逐步取代傳統照明，無(wú)線(xiàn)照明的技術(shù)研究也正逐漸轉向LED領(lǐng)域，目前國內的中科院半導體研究所半導體照明研發(fā)中心正在進(jìn)行這方面的研究。工程師詹騰表示，在LED芯片的發(fā)展過(guò)程中，芯片的種類(lèi)越來(lái)越多，尺寸也越做越小，據了解，目前最小的LED芯片尺寸為06mil*08mil，當芯片尺寸做到更小時(shí)，打線(xiàn)和驅動(dòng)就成了難題。
詹騰稱(chēng)利用無(wú)線(xiàn)供電的電場(chǎng)耦合技術(shù)可以解決這一困境，“在我們實(shí)驗室中，我們想出一種根據無(wú)線(xiàn)能量傳輸電場(chǎng)耦合的方式，在芯片做到更小的情況下，可以不需要電極、不需要打線(xiàn)也能正常地驅動(dòng)LED。我們利用這個(gè)理論制造出了紅光的芯片，藍光我們還在進(jìn)一步嘗試當中。”
據了解，將無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)應用到LED照明領(lǐng)域將有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：第一，在無(wú)線(xiàn)供電的光源工作的過(guò)程當中，可以使光源系統使用起來(lái)更加的方便，特別是在便攜式的照明系統當中；第二，可以使我們的照明系統更加的安全、更加的可靠，因為使用非接觸式的驅動(dòng)替代傳統的物理接觸以及電接觸，可以大大減少觸電風(fēng)險；第三，利用這種技術(shù)可以做到防水防爆；第四，使LED照明系統更加可靠；第五點(diǎn)就是由于光源和驅動(dòng)分開(kāi)了，可以提高LED照明系統的使用壽命。
詹騰表示：“無(wú)線(xiàn)供電比較理想的發(fā)展狀態(tài)就是在我們的家居環(huán)境中或者辦公場(chǎng)景中，不需要任何電線(xiàn)，只需要一個(gè)電力發(fā)射器，我們所有的照明系統、電力設備都可以得到很好的供應。在進(jìn)一步的研發(fā)過(guò)程當中，我們希望在通用照明領(lǐng)域，以及一些動(dòng)植物等特殊的照明領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)供電的照明系統技術(shù)可以得到應用。”
