在3.6萬千米的太空中，一座表面布滿了光伏面板的太陽能發電衛星靜靜佇立，將收集到的太陽能源源不斷地傳回地球，向城市供電。實際上，它的轉化效率比在地球上高出10倍，而且永不停歇。這種似乎只存在于科幻片，或者《三體》等科幻小說中的場景，如今有了實現的可能。
最近，日本科學家接連發布微波無線輸電技術的最新成果。而在國內，我國科學家近年來也不斷在公交車、高鐵、“無尾電視”、手機等領域實現無線輸電的各項突破。
人類作別插座的時代來真的來臨了嗎？下面，讓我們追尋電能的蹤跡，探尋國內外科學家們如何擺脫電線，將電能安全送達目的地。
百米無線點燈創歷史
說起輸電，你也許馬上會想到粗粗的高壓線，或者家里那些“剪不斷，理還亂”的各式插座、電線。近年來，隨著科學技術的進步發展，科學家們對無線輸電研究的進一步深入，一些改變正在發生。
就在兩周前，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）宣布，研究人員利用微波，將1.8千瓦電力以無線方式，精準地傳輸到55米距離外的一個接收裝置。雖然這樣的電力只夠用來啟動一個電熱水壺，但消息一經發出，便引發人們的廣泛關注。
僅1天后，日本三菱重工也宣布，科研人員將10千瓦電力轉換成微波后輸送，其中部分電能成功點亮了500米外接收裝置上的LED燈，成為迄今為止日本成功實驗中距離最長、電力最大的一次。
專家表示，這樣的實驗意味著人類可能實現大規模、中長距離的無線輸電，并使之商業化。正如三菱重工在一份聲明中所說：“我們確信，這次實驗表明無線輸電商業化已經成為可能。”
但真正要實現這個夢想，還需要解決諸如傳輸效率等問題。“10千瓦的電力，經過500米的傳輸距離后，只是點亮了一只LED燈。我們都知道LED燈的功率很小，這就說明在傳輸過程中，相當大部分的能量發散掉了。”中科院電工研究所研究員廖承林在接受采訪時說。
更有意味的是，三菱重工和JAXA均選擇利用微波傳送電能，這恰好印證了日本因為能源短缺而一直深耕太空太陽能發電的戰略。三菱重工同時表示，這一技術將會被用于太空太陽能發電系統（SSPS）。該公司計劃在2030年至2040年運用該技術，將太空的發電裝置獲得的電能通過微波向地面傳輸。據估算，如果使用直徑兩三千米的巨大太陽能電池板進行太空發電，將能達到一臺常用的百萬千瓦裝機容量的核電機組發電水平。
當然，其面臨的難題將會更多。不僅傳輸效率要進一步提高，微波傳輸路徑需要縮小，發電站的輸出功率還必須要非常大。“可能達到兆瓦級。”中科院上海微系統與信息技術研究所研究員俞凱表示。
盡管困難重重，但就是這樣“一小步”，有歷史意義，因為這可能是人類未來高效利用電能、太陽能的“一大步”。
三技術實現輸電無線化
無線輸電，指不經過電纜將電能從發電裝置傳送到接收端的技術。今天，我們的電話、網絡等通信技術早已實現了從有線到無線的飛躍，為什么無線輸電還相對滯后？
事實上，早在19世紀上半葉，人類就有了用無線方式輸送電力的想法。最早可以追溯到美國科學狂人尼古拉·特斯拉。
那時，電磁鐵問世不久，電磁感應現象也剛被發現，特斯拉設計了一個簡單的無線輸電裝置：把一個線圈連接在電源上，作為發射器傳輸能量；另一個線圈連著燈泡，作為能量接收器。通電后，發射器能夠以10兆赫茲的頻率振動，另一個線圈連著的燈泡將被點亮。這便是著名的“特斯拉線圈”的由來。
特斯拉的設想在理論上是可行的，但實際操作里面臨著這樣一個難題：如何提高傳輸效率？因為電磁波在自由空間傳輸能量的過程中會向四面八方散發，特別是微波，散射在空間，能量衰竭更快。這成為無數科學家在接下來的百余年時間里研究的瓶頸。
直到2009年，美國麻省理工學院物理學家馬林·紹利亞契奇還沒有準備好做這一難題的“終結者”，因為他在發明一項功效卓著的無線輸電系統前，曾經一連3個晚上被手機“電池電量不足”的“滴滴”聲吵醒，他繼而想到：“為什么墻里的電不能直接傳輸給我的手機呢？”
這便是電磁共振無線輸電技術的由來。按照此理論，只要讓電磁能發射器同接收設備在相同頻率上產生共振，它們之間就可以進行能量互換。
利用這一原理，紹利亞契奇和他的團隊成功地把一盞距發射器2.13米開外的60瓦電燈點亮，且傳輸效率大幅提高。自此，全世界很多科學家開始基于這一實驗展開了后續研究。有專家表示，這種技術可以實現10米左右距離的室內無線輸電。
而對于一些低功率近程的電能傳送來說，電磁感應無線輸電技術無疑更為適合。因為通過電磁感應，發射線圈和接收線圈之間可以利用磁耦合來傳遞電能。當然，這種距離要求非常近，約在1厘米以下，可以用相互“貼著”來形容。
此外，如果要實現高功率遠程電力傳送，則只能依靠微波或激光的遠場輻射技術來進行。因為無線電波波長越短，其定向性越好，彌散越小。
日本科學家們最近所取得的突破，即基于微波的這一特性。正如中科院電工研究所研究員劉國強所解釋的，“利用微波源，把直流電轉變為微波，然后將微波能量聚焦起來，由天線發射出去，再被接收天線收集，經微波整流器整理后重新轉變為直流電輸出。”
跑贏無線輸電競賽
近年來，有線輸電的成本和污染呈增長趨勢，而各類能源引發的戰爭及公共危機也越來越多。無線輸電技術研究和商業運用的風起云涌，事實上已經在推動著各國加大對這一領域的投入力度。
按照輸電距離來分，無線輸電技術的發展趨勢大體可分為三個方向：其一是商業化前景更好的近距離無線輸電，主要包括新能源汽車、家電等；其二是中長距離的無線輸電，例如在高山、森林、海島、沙漠等地進行無線輸電。其三是在太空太陽能輸電方面，新世紀以后，日本、美國、俄羅斯、歐洲、印度等國家和組織，都相繼提出了在未來建設空間太陽能電站的計劃。
