遠(yuǎn)程無線電力傳輸聽起來像是尼古拉·特斯拉不太成功的夢想中的科幻小說。想象一下，如果電力可以在沒有電纜的情況下到達(dá)任何地方，我們可能會(huì)擁有什么樣的可能性。雷達(dá)和先進(jìn)材料技術(shù)的發(fā)展使這項(xiàng)技術(shù)能夠遠(yuǎn)距離傳輸。新西蘭初創(chuàng)公司 Emrod 通過與新西蘭配電公司 Powerco 合作開發(fā)了一個(gè)更大的原型系統(tǒng)，并在今年年初測試了該技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)用例。使用 Emrod 專有的波束形成技術(shù)、超材料和整流天線，通過電磁波長距離傳輸能量。

在接受 EE Times 采訪時(shí)，Emrod 的首席執(zhí)行官 Greg Kushnir 解釋了 Emrod 的無線系統(tǒng)如何通過將電能轉(zhuǎn)換為微波能量來工作，然后微波能量被塑造成準(zhǔn)直光束，并通過空氣直接從發(fā)射天線發(fā)送到接收天線。當(dāng)?shù)竭_(dá)接收天線時(shí)，電磁能被轉(zhuǎn)換回電能供消費(fèi)者使用。據(jù)該公司稱，這項(xiàng)技術(shù)可以升級(jí)為以無線方式遠(yuǎn)距離傳輸 kW 的電力。

“在成功完成可行性研究以確認(rèn)該技術(shù)的可行性后，Emrod 于 2019 年注冊為一家公司。該公司隨后展示了一個(gè)概念驗(yàn)證系統(tǒng)，目前正在室內(nèi)設(shè)施中進(jìn)行測試，然后進(jìn)行計(jì)劃的現(xiàn)場試驗(yàn)。Emrod 是一個(gè)由 10 人組成的團(tuán)隊(duì)，但計(jì)劃在未來 12 個(gè)月內(nèi)大幅增長，以支持現(xiàn)場試點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施、持續(xù)的研發(fā)和商業(yè)化，”Kushnir 說

圖 1：Emrod 的團(tuán)隊(duì)

特斯拉科技

自 1890 年代以來，尼古拉·特斯拉( Nikola Tesla)在研究他的“特斯拉線圈”變壓器電路時(shí)一直在考慮無線能源，該變壓器電路可產(chǎn)生交流電。

1899 年，特斯拉在科羅拉多斯普林斯進(jìn)行了第一個(gè)真正的無線電力實(shí)驗(yàn)。他在谷倉式結(jié)構(gòu)內(nèi)建造了一個(gè)強(qiáng)大的振蕩器，木塔頂部是一根 40 米長的金屬桿，頂部有一個(gè)銅球。發(fā)明者證明了他可以從 3 公里（2 英里）以外的地方為燈泡供電。他的“特斯拉線圈”完美成功，但實(shí)驗(yàn)燒毀了科羅拉多斯普林斯電力公司的發(fā)電機(jī)，讓整個(gè)社區(qū)陷入黑暗（圖 1）。

圖 2：特斯拉 1899 年在科羅拉多斯普林斯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的“塔式谷倉”

“我認(rèn)為任何對(duì)無線技術(shù)感興趣的人都對(duì) Nikola Tesla 的工作深表贊賞。他的工作對(duì)我們今天享受的大部分無線通信技術(shù)都有幫助，”庫什尼爾說。

庫什尼爾指出，埃姆羅德無線系統(tǒng)背后的科學(xué)和技術(shù)與特斯拉提出的有很大不同。Emrod 可以通過兩種技術(shù)保持光束緊密和聚焦。第一個(gè)與由小型無線電元件和單波模式組成的傳輸有關(guān)，以創(chuàng)建平行排列的準(zhǔn)直光束。第二個(gè)與可與這些無線電波有效相互作用的專有超材料有關(guān)。

“它必須是為了實(shí)現(xiàn)功率水平和效率水平，使其適用于我們關(guān)注的用例。例如，特斯拉的系統(tǒng)以一種被描述為全向的方式傳輸能量，這意味著它向所有方向發(fā)射能量。Emrod 的系統(tǒng)使用聚焦的單向波束，將功率直接從一個(gè)天線發(fā)送到另一個(gè)天線。我們還開發(fā)了無源繼電器來擴(kuò)展我們系統(tǒng)的范圍和內(nèi)置的新安全系統(tǒng)（圖 3），”Kushnir 說。

他補(bǔ)充說：“我們使用的天線設(shè)計(jì)、超材料和中繼技術(shù)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兪刮覀兡軌驅(qū)崿F(xiàn)一定水平的性能，即效率水平、可靠性和距離。系統(tǒng)中內(nèi)置的安全考慮對(duì)于將系統(tǒng)用于商業(yè)目的也是必要的?！?/p>

圖 3：Emrod 的架構(gòu)

埃姆羅德的目標(biāo)

這項(xiàng)技術(shù)（通過微波進(jìn)行無線能量傳輸）已經(jīng)存在了幾十年。但要使其在商業(yè)上可行，就必須最大限度地減少能量損失。庫什尼爾強(qiáng)調(diào)了近年來發(fā)展的超材料的使用如何產(chǎn)生影響。

Emrod 的技術(shù)旨在提供一種新的方式，將電力輸送到農(nóng)村地區(qū)通常電氣化差距最大的地方，而且這些地方無法負(fù)擔(dān)支持電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施。他們的天線充當(dāng)為客戶提供電力的電纜。這些天線將位于所有可以使用可再生能源的多風(fēng)和陽光充足的地方。該系統(tǒng)可在所有天氣條件下工作，傳輸距離僅受每個(gè)天線之間的視線限制。

在困難地形上無線傳輸能量消除了對(duì)傳統(tǒng)電線桿和線路的需求，就像蜂窩基站一樣。Emrod 的系統(tǒng)使用一對(duì)天線在電源點(diǎn)和基站之間提供無線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。庫什尼爾指出，在太平洋島嶼，電力成本非常昂貴，使用可再生能源不得不挑戰(zhàn)基礎(chǔ)設(shè)施成本問題。使用 Emrod 的無線遠(yuǎn)程能源技術(shù)，可以減少對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的依賴，為偏遠(yuǎn)社區(qū)提供電力，從而降低成本。

“目前，Emrod 系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上可行的用例是鋪設(shè)和維護(hù)電力線基礎(chǔ)設(shè)施將是困難和昂貴的，例如跨越水道、森林或有爭議的地點(diǎn)。我們正在規(guī)劃我們的第一個(gè)內(nèi)場試點(diǎn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目將部署在新西蘭，目的是從一個(gè)新的太陽能發(fā)電場傳輸電力以滿足該地區(qū)商業(yè)客戶的需求，”Kushnir 說。

EMROD 的技術(shù)使用發(fā)射天線、一系列中繼器和接收整流天線（一種能夠?qū)⑽⒉芰哭D(zhuǎn)換為電能的整流天線）。這些組件中的每一個(gè)都顯示為安裝在適當(dāng)結(jié)構(gòu)上的方形面板。面板的表面積越大，傳輸功率就越大，可以覆蓋的距離也就越遠(yuǎn)。

“使用 Emrod 的系統(tǒng)，只要發(fā)射和接收天線之間有視線，典型用例中的無線傳輸距離可達(dá) 40 公里。這可以使用無源繼電器進(jìn)行擴(kuò)展。目前，放大器的可用半導(dǎo)體技術(shù)將天線功率密度的上限設(shè)置為每平方米 10kW 左右。”

圖 4：Emrod 的技術(shù)

這家初創(chuàng)公司還考慮了在緊急情況下（例如意外停電）使用無線電力的可能性。一輛卡車可以配備一個(gè)整流天線，然后駛?cè)胫欣^器的可視范圍內(nèi)，以建立臨時(shí)的無線電源連接。??

Emrod 在整個(gè)開發(fā)過程中與新西蘭的頻譜管理機(jī)構(gòu)合作，并將確保整個(gè)技術(shù)符合安全標(biāo)準(zhǔn)。Emrod 使用工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 頻段的功率并保持低功率密度。

Emrod 的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸意味著功率直接在兩點(diǎn)之間輻射。光束周圍沒有輻射，高壓電纜傳輸就是這種情況。低功率安全激光器確保傳輸光束在任何瞬態(tài)物體（例如鳥類或直升機(jī)）到達(dá)主光束之前立即關(guān)閉，確保它只接觸清潔空氣。

審核編輯 黃昊宇