长距离无线电力传输

致力于实现特斯拉对无线电力预期目标的两项主要技术是：太空太阳能(SSP)和射频标签(RFID)。

太空太阳能

让我们看看美国能源部网站上的太空太阳能介绍。在太空中，太阳是持续发光的，而缺少空气使得太阳光非常强。在太空中部署太阳能电池板如今已成为可能，但如何将电能传回地球呢？

微波发射卫星

位于地球上空35000km处的卫星是在对地静止轨道(GEO)上运行的。太阳能反射板可以大至3km，重量超过80000公吨，可以向一个美国城市提供数吉瓦(GW)的电力。微波电力信号使用长天线发射它们的长波长信号，因此很容易穿透地球大气层。这种辐射功率的强度并不比中午时分照射到我们身上的光更强，也不会对在原有航线飞行的鸟类或飞机造成伤害。这个系统可以正常工作，但极具挑战性，而且成本很高。地球上的整流天线(在偶极单元之间连接了射频二极管的一种偶极天线)是这种太空太阳能的首个接收设备。


射频至直流转换模块中的二极管对天线中从太空微波信号感应到的交流电流进行整流，并产生直流电源给二极管两端连接的负载供电。收集微波波束的地面系统需要占用巨大的陆地面积。

激光器卫星

安装有激光器的卫星可以在离地面400km的低轨道上运行。这些卫星要比微波卫星轻得多，而且制造成本也低得多。激光束的直径只有2米，比微波卫星的几公里要小得多。这种技术只能产生1MW至10MW的电力，因此需要同时使用一群卫星。虽然美国能源部目前没有在开发这种技术，但我们相信不久就会有替代性的方法开发出来，通过收集自然界的能量来满足未来地球上的电力需求。请密切关注这一前沿技术，我认为不用太久就会有私营企业做这方面的尝试。
[page]
地面接收机和发电站

地面发电站可以使用熔盐发电机。由于激光的光线是单色光，因此转换单元的电子结构可以针对特定光子能量进行优化，转换到电能的效率因而可以高达70%。


RFID如何？

众所周知，当我们走出商店时，如果收银员没有取消商品上的RFID标签功能，RFID标签将由射频信号供电并发出信息。通过使用闭环电力传输系统，有许多措施可以用来改善RFID电力传输效率中的距离、稳定性和对准问题。

在UHF频率，有效距离最远为3米。一些RFID系统可以长达100米以上，比如典型的高速公路收费系统。RFID Journal 宣称，使用电池广播信号、主要用于集装箱和其它大型资产的有源RFID标签可以从卫星上进行读取，前提是几乎没有射频“噪声”(可能导致干扰的环境射频能量)，广播的信号有足够的功率。

通过磁场实现电力的近场传输

位于科罗拉多州科泉市的特斯拉无线发射设备使用的是电场和电容耦合以及传输线或波导类型效应。位于纽约州长岛的特斯拉沃登克里弗塔就是用来广播的，具有无线通信功能和无线电力计划。特斯拉更关注于这种系统的无线电力能力，而不是他创建的通信功能。

在第二次世界大战期间，无线电力不请自来，借助工作在微波频率的大功率真空管(速调管)可以传输很长的距离。

在低功耗传感器网络中使用的是远场传输，在这种场合效率不是优先考虑的对象。在大功率系统和太空、工业或军事使用中的远场传输中，接收无线电力是主要目标，成本是次要的。在我们日常生活中使用的设备将效率和安全标准作为高优先等级，因此微波系统在这种场合无法良好工作。针对中等电力需求，最高数百瓦、距离为几米且工作在100MHz以下的近场无线系统可以实现更高的效率，并具有较低要求的射频暴露安全极限。使用低频磁场还可以比微波系统提供更高的等效平面波功率密度。

特斯拉实验使用电场进行近场无线传输。然而，使用磁场具有在我们周围相对缺乏磁性材料的优势。特斯拉线圈有可能电击到人，只要与人有交互操作，磁场的伤害程度就显得小很多。

与电场相比，近场磁场传输还有另外一个好处，因为它们可以穿透大多数障碍物，并且没有方向性，不像微波信号具有高度方向性，只能工作在视线范围内。

电力传输

[page]  
无线电力技术和应用例子

无线电力传输的一个关键应用是物联网(IoT)中无约束的传感器、激励器和消费类微型器件的供电。

2009年业界开发出了一个运行在低射频功率电平的2GHz无线电力系统9，它采用了一个用2.7V初始电压充电的0.8F超级电容，能够在环境功率为-25.7dBm条件下的10天后存储额外500mV的电压。

另外一个这样的系统例子是由运行在2.4GHz的电磁波远程供电的一个WID(Wireless Impedance Device)传感器。

图6 一个监视结构应力状态的无线能量发送系统，正在新墨西哥州阿尔莫萨峡谷大桥上进行现场测试。射频源被配置为发射2.4GHz的1瓦能量，可通过1.2米距离传送能量

这里使用了带18和36个单元的双电压配置的两个网络整流天线。发送功率是1W，用了一个0.1F的超级电容存储电能，这个电容27秒后即可充电至3.6V。然后发送到基站进行收集数据的后处理。

[page]  
替换从发电站到客户的高压电力传输线缆、铁塔和变电站。由于短路和电缆问题引起的电力故障以及因地形困难而无法进入的电厂将被删除。电力盗窃也不容易做到。特斯拉的沃登克里弗塔就充分展示了这一点。

在2012年的Intel开发论坛(IDF)上展示的“谐振感应式”无线电力传输，他们准备用这种方法给笔记本电脑和其它便携式设备供电

WiTricity技术使用耦合式谐振物体。具有相同谐振频率的两个谐振物体能以非常高效的方式交换能量。


能量收集和物联网肯定还会促进这一技术的发展。在不远的将来这个行业定会迎来快速的发展和更新。

相关阅读：

无线电力负荷控制系统的原理与应用
FPGA有门道？一款软件无线电平台的设计
工程师告知：克服系统设计中的无线电干扰问题