2015專題入選文章
2014年文章-1
2013年文章
桂冠獎精選
2017年文章
2016年文章
2015年文章
2014年文章-2
2018年文章
2019年文章
首頁 > 熱門文章 >
「無線可能」-淺談無線電力 熱門指數 : 1192
作者: Larry
中文名稱: 「無線可能」-淺談無線電力   | 第二版 | 第一版 |
關鍵字: lc諧振電路,法拉第電磁感應定律

  無線電力傳輸,是一種不需要使用電線等線材,利用空間中存在的電磁場變化來隔空進行電能傳輸的技術。根據運作原理不同,無線電力傳輸技術可以簡單的被分為三種不同的類型:感應耦合式、諧振感應耦合式與微波(電磁)輻射式,在傳輸距離上這三種技術也有著明顯的區別:微波(電磁)輻射式(數公里)>>諧振感應耦合式(數公尺)>>感應耦合式(數公分)。或許無線電力傳輸技術聽起來遙不可及,但其實這三種技術中傳輸距離最短的感應耦合式技術已大量走進我們的生活,智慧裝置的Qi無線充電板即是生活中很好的應用例子,而諧振感應耦合式技術也在電動車等電力載具發展下有了飛躍性的成長,逐步走向商用;也許聽起來仍陌生,但無線電力傳輸技術毫無疑問地將為你我生活帶來無限的可能。
  近年在消費性科技市場竄起的Qi為由無線充電聯盟(WPC)所制定的短距離低功率的無線電力傳輸標準,主要用於智慧型手機、智慧手環等攜帶型電子裝置。Qi無線充電技術的核心原理,感應耦合技術,簡單的說是以厄斯特的電流磁效應與法拉第的電磁感應兩大原理為基礎來運作。厄斯特的電流磁效應描述電流會在周遭產生一個強度相當的磁場,法拉第的電磁感應則述說空間中的磁場變化會感應產生電動勢(也就是電壓)。由電流磁效應,無線充電板中的線圈會產生一個隨輸入的交流電源流動方向不斷變動的磁場,而我們手中支援無線充電的手機中的接收線圈便會利用通過充電板的變化磁場以電磁感應的方式產生出一個能替電池充電的電動勢,如此一來不必利用充電線,只須將手機放在充電板上我們便可替手機充電。
  事實上感應耦合式的無線電力傳輸並不是個新技術,在智慧裝置出現前它已經大量普及於醫療的心律調節器等嵌入式醫療裝置與電動牙刷、電動刮鬍刀等消費性產品內的電池充電。當然,感應耦合式技術也存在著不少的缺點,無線充電板本身還是得依賴電線來取得電能,因此線材的限制依舊存在,這也讓我們無法隨心所欲的進行移動充電,客觀而言只能稱上「半無線」的傳輸技術。再者,磁場離開產生磁場的線圈後就會開始發散,因此只要距離拉遠,我們電子裝置內的線圈便無法捕獲足夠的磁場變化量來轉換成驅動電子裝置運作的電壓,因此要進行磁感應式充電必須接近完全貼於充電板上才能進行充電,同時也難以進行一對多的充電工作。
  諧振感應耦合式電能傳輸在原理上可以說是感應耦合式無線充電的延伸,也克服了大部分感應耦合式技術的先天限制與問題。2007年MIT物理系教授Marin Soljacic發表的Witricity(Wireless Electricity Transfer)便是此技術的濫觴,利用兩共振頻率9.9MHz的LC線圈,該團隊成功點亮2公尺外一盞60瓦的燈泡,達到45%的傳輸效率。不同於單純感應耦合,諧振感應耦合利用LC諧振電路來與磁場產生共振,這裡我們利用聲音的共振來舉例:當我們用槌子敲擊來震動一個音叉時,音叉利用空氣作為介質,將聲音振動的能量傳出,並引起周遭同頻率的音叉開始振動、發聲。在非共振的情況下,聲音的能量會以很高的速度發散,就如同感應耦合時磁場無法集中於遠方線圈一樣,但當共振發生時,能量便能利用空氣為介質在較少的能量耗損下傳遞到另一個音叉中。相同的道理,我們的線圈利用電路諧振的方式以變動的電磁場為傳輸介質來建立高效率能量傳輸通道,可以將能量傳遞得更遠也更無損失。
  接著,我們來談談諧振感應耦合式技術的電路共振原理:LC諧振電路,LC諧振電路是由L(電感)與C(電容)所組成,電感與電容為兩個擁有儲存能量、釋放能量特性的電子元件,電感將電能轉為磁場來儲存,而電容則將電能轉為電場儲存,電路中的電能在電感與電容間傳遞、流轉的同時,電流、電壓便會以弦波的形式振盪,並產生一個專屬共振頻率。LC諧振現象與物理學中彈簧振子的簡諧運動有著異曲同工之妙,簡諧運動中質點藉由彈簧來回運動,能量便在彈簧的彈力位能與動能間轉換:當彈力位能完全儲存系統能量時,動能便為零;動能最大值時彈力位能為零,電感與電容所儲存的磁能電能就如同簡諧運動中的彈力位能與動能般來回的轉換,並發生電路共振。
  諧振感應耦合式技術利用電路本身的LC共振頻率,藉由空間中同頻率變動的電磁場作為介質來進行共振,因為共振發生時接收線圈所感應出的電動勢振幅較非共振時大,如同音叉能夠使同樣頻率的音叉發聲而對其他不同頻率音叉無反應般,在能量守恆的前提下兩線圈間彷彿產生一個能量走廊,讓能量能藉由這走廊更低耗損的傳送。另一方面,也因為線圈間的共振特性,諧振感應耦合式技術還可利用充電空間中的裝置作為電能傳輸的中繼站,進一步擴展傳輸的距離並進行一對多的充電工作,打破了傳統一對一充電的限制。隨著科技進步,或許有朝一日,諧振感應耦合式技術也能完全的商業並且普及化,以如同Wi-fi的提供無線上網可能的方式出現在你我的生活中,真正實現「無線生活」的美好願景。
 

最左側發射電路在空間中架構一個變動磁場,而右側接收電路則利用這個變動磁場感應出電動勢,同時在架構一個向外擴展的變化磁場,利用諧振架設的能量通道,電能便能低耗損的在各線圈間傳播,達到擴展傳遞範圍的目的。
  微波(電磁)輻射式的傳輸技術不同於前二者,屬於輻射式的傳遞方式,利用微波、雷射等定向波束將能量瞄準接收一方發射來達到長距離的電能傳輸,是一個還在實驗階段的技術。微波(電磁)輻射式的傳輸技術發想始自1968年美國工程師Peter Glaser的太空太陽能發電(SPP)概念,他構想利用太空中的太陽能發電基地進行發電,並以微波的方式將電能傳回地球後再藉整流天線在將微波轉成電能來提供地面利用。這項利用微波進行遠距離傳遞電能的概念在2003年歐盟於非洲留尼汪島的一座10萬千瓦實驗型微波輸電裝置得到驗證,在未來也可能是人類在太空建造電廠時重要的可能供電方式。
  科技始於人性,人類步入電力時代已百餘年了,電線的使用讓人類能夠自由的傳送電力,但同時也為我們的移動架設了框架。隨著無線電力技術的逐漸成熟,你我生活將不再為電線所束縛,或許在未來電線並不會消失,但不可諱言的,無線電力技術將會為電力的使用開啟了一個新時代。
老師文章總評: 無建議  
建議項目: 接受  
 
線上留言版
Copyright ©2013 財團法人國立自然科學博物館文教基金會 版權所有 │ 地址:40453 台中市北區館前路一號 │ 電話:04-23226940#232 │ 傳真:04-23266824 │ 隱私權宣告
建議使用I.E.6.0或Firefox1.0 以上1024x768 Pixels 解析度瀏覽本網站 | E-mail:foundation@mail.nmns.edu.tw | 瀏覽人數 :187090