2001年5月16日,西印度洋留尼汪岛上正进行着一场特殊的实验,格朗巴桑峡谷中一只200瓦的灯泡亮了起来,灯泡四周没有电线和插座,这是航天工程师皮尼奥莱利用微波无线输电的实验。
电能通过微波束送到40米外的接收器,并点亮了灯泡,皮尼奥莱的无线输电试验成功了第一步。
这距离1906年爱迪生发明钨丝灯泡过去了不到一百年。
2003年开始,格朗巴桑村开始由峡谷对面700米外的高压塔无线输电,无线输电彻底改变了村民世代刀耕火种的生活,电灯泡、互联网、智能手机让他们和世界不再有距离。
近一百年有太多超越时代的创造让人类文明一日千里。我们在享受科技红利的同时,很容易忽略这些发明创造是如何诞生的,一个看似荒谬的契机也可能成为撬动地球的支点。
作为现代无线输电技术研究第一批吃螃蟹的人、行业顶尖专家,新西兰华人科学家协会主席、奥克兰大学呼爱国教授表示:除目前无线充电的几个应用实例之外,无线输电技术更为重要的意义在于它有着无限的开发空间,甚至有可能在广阔的太空为人类开辟全新的清洁能源获取通道。
已经举办了两届的美的创见大赛,继第一届在“人工电子感官”方向做出了卓有成效的探索后,今年开启了以“无线隔空输电”为赛题的激烈赛事,为国内无线输电领域的研究开创了新的路径。本次大赛特别邀请了国内无线输电领域的权威专家清华大学赵争鸣教授、哈工大朱春波教授、重庆大学孙跃教授等担任赛事评委。
从沃登克里弗塔到外太空,
探寻无线输电的想象空间
无线输电是一种利用无线电传输电能的技术,最早由传奇科学家尼古拉·特斯拉发明,1891年开始,特斯拉在成功把电力以无线传输的形式输送到目标电器之后,开始致力于商业化的洲际无线输电,并且以此为设想建造了沃登克里弗塔。
特斯拉有个头号粉丝,用偶像的名字命名了其最重磅的产品,他还特别推崇第一性原理,我们可以试着使用第一性原理来揭示为什么要研究无线输电。
如今,无线输电已经让手机摆脱了充电线,让人造耳蜗、人工心脏可以更好地服务特殊人群,还保护了如格朗巴桑村这样地球上仅存的原始地貌。
关于未来技术发展的趋势,远距离、大功率是无线输电产业化赋能的先决条件,也是当下业界的研发重点。或许不久之后我们就可以像连接Wi-Fi信号一样来搜索电源、隔空取电,届时,无人驾驶车辆的随时补电、黑灯工厂内机器人的无线供电都可以迎刃而解。借助基站接力,道路基础设施、甚至行驶的车辆都可以无线充电,那开车将不再有里程焦虑,而车或许也不再需要装备笨重的电池组。
放眼人类的未来,化石能源必有耗尽的一天,污染、碳排放造成的环境问题也日益严峻。可控核聚变无疑是一种终极能源形势,但还只是存在于理论层面;现在,另一种选择也被提上了日程,在无线输电领域,研究人员下一步的计划是在距地面3.6万公里高的同步轨道上建太阳能发电站,再将电能无线传输回地球。
太空上的光电板平均每平方厘米可以接收140毫瓦的光能,为地球表面光能接收转化效率的8倍,而且,在太空,光能的接收不受昼夜、阴晴和季节变化的影响。当这个长期愿景得以实现,世界或将不再有能源危机。
从身边每天都离不开的充电、用电,到涉及全人类远景的能源规划,无线输电已经不只是冷冰冰的技术理论,一方面它在实实在在地改变着我们的生活,提升了方便程度和幸福感;另一方面我们有望把宇宙中取之不尽用之不竭的太阳能转化为电能,并源源不断地输送到地球表面,无线输电将为我们的生活带来翻天覆地的变化。
但承载了如此多美好现实意义的技术,想要实现也并非易事。
本次美的创见大赛“无线隔空输电”的赛题也正契合当前的行业热点,旨在探索社会热点中的难点,哈工大朱春波教授谈到:在国家层面的双碳战略下,新能源汽车正在快速实现对高能耗、高污染的燃油车大比例替代,从长期来看,由于城市空间有限,充电设施的普及成为明显瓶颈,而无线充电将彻底解决这一问题。
激发无线输电的无限潜能
1901-1905年,特斯拉在沃登克里弗塔实验高功率、远距离无线输电,还在几百英里半径范围内制造出点亮纽约天空的人造闪电,但最终他的研究数据被科学界否定,之后很长时间无线输电被长期搁置。
特斯拉的失败并不是无线输电本身不成立,更多是因为技术、材料、元器件等完整的科学、工业体系不足以支撑无线输电的大规模商用。随着二极管、晶体管、半导体、乃至下一代半导体技术一步步成为现实,无线输电已经不再是空中楼阁,格朗巴桑村无疑为无线输电树立起了重要的里程碑。
呼爱国教授也表达了对国内无线输电领域未来发展的期待:“希望大家能够抓住历史机遇,迎接挑战,把无线输电的研究和实践推到一个更新的高度。”
然而,目前国内无线输电技术研发中一个重大的难点,就是人才的稀缺,研究无线输电需要不同学科背景的人才共同努力。
为了解决无线输电从研发到应用的各种重大问题,不同国家、不同类型企业都在积极布局。11月4日,在刚刚落幕的第二届美的创见大赛全国8强战队决赛上,围绕“无线隔空输电”这一主题,层层选拔出来的8支队伍纷纷交出了令人满意的答卷。
本届大赛吸引了60多支来自国内知名高校、科研机构、创业公司的参赛队伍,经近半年的激烈角逐,昆明理工大学代表队最终获得了第一名,和所有参赛队一起为无线输电这个全球范围内的前沿领域贡献出大量极具创造性的技术方案。
重庆大学孙跃教授表示,“这次参赛队伍的组成,基本上代表了我国无线输电领域的第三代水平;从赛题、赛程和结果来看,既实现了前沿领域的创新,又兼顾了趣味性和知识性,起到了非常好的传播作用,为我国的科技竞赛提供了一个良好的范例和标准。”
把握前沿技术的发展趋势,让科技为人们的生活带来无限可能,这也是美的为消费者创造美好生活的初衷。通过比赛,不但可以推动科研的不断深入,还能开拓更大的想象空间,相信在不久的将来,科幻电影中才会出现的产品和技术终会在现实中与我们相遇。
如果把太空取电作为无线输电的终极应用场景,在攀登这座高峰的途中,还将创造出无数可能的新产品、新技术,也需要不同专业的高科技人才加入进来。
从一个传奇人物的理想,到赋能上百万人,甚至可能是全人类的梦想,有关无线输电的美好设想正在一步步被实现,毫无疑问,美的创见大赛也加快了这个进程。
比赛没有终局
对于本次大赛,呼爱国教授谈到:希望类似的创见大赛能对无线输电技术的产业化增强信心,吸引更多的年轻人才加入该行业。产学研结合是科技转化为生产力的最佳实践,也将长期促进该领域的发展。产业化后技术的继续升级是保持企业竞争力的制胜法宝。
但我们也必须意识到,技术的终局是应用,从理论到技术实现仅仅是走出了技术落地的第一步,对于形成产业化优势,并最终实现更广泛的社会价值还远远不够。
为了让其落地,我们需要付出更多的努力。而一个技术得以顺利落地,绝不是闭门造车就能实现的,特别是无线输电这样的前沿领域,更需要建立完整的产学研生态链,共同推动无线输电技术的市场化与商业化。
这次美的创见大赛的目的也不是为了PK,而是希望更多有趣的应用场景能够被发现,集思广益,推动技术能够更快落地。
如复赛和决赛的试题是在有复杂坡度的环形赛道上,车辆不使用任何储能设备,分无载重无坡度、无载重有坡度、有载重有坡度三轮,记录从起点到终点的行驶时间。此外,比赛还严格限制了参赛方案的输入功率和线圈尺寸。
无线输电在大规模产业化的同时会面临安全性、市场成熟度以及成本这三大难题。在技术实现中也会遇到变耦合、功率以及动态等三个难题。
参赛选手们表示,这次考题涵盖了无线输电从技术实现到产品形态的所有难题,非常具有挑战性。
同济大学的参赛战队注意到已经有研究机构在尝试利用量子物理进行无线输电的研究,特别引入了来自物理系、从事量子结合应用方向研究的参赛队员,希望通过参加这次大赛,将对物理机制的理解落实到实际应用中,尝试搭建不一样的无线输电系统。
来自东南大学的参赛选手们表示,“这次比赛还有一个隐形挑战,就是车辆的操控问题,既考验车手技术,又为比赛增添了非常多的不确定性。所以如果时间充裕我们希望给赛车加装自动驾驶功能,这一定会让小车行驶得更加平稳和顺畅,同时也是当下无线充电和无人驾驶这对相辅相成的技术在电动汽车领域蓬勃发展的一个很好的体现。”
在决赛中摘得桂冠的昆明理工大学代表队,凭借将氮化镓器件的高频性能发挥到了极致,得以在比赛中胜出。
“无线电能传输市场化转折点将会随着本次大赛落幕而到来。”清华大学赵争鸣教授充分肯定了选手们所取得的成绩。他表示,美的发起的本次赛事对于无线电能传输这种前沿技术走向市场,会起积极的推动和牵引作用,同时我们也欣喜地看到,这次大赛让一批无线输电领域的新生一代展现出朝气蓬勃的创新活力。
可以看到,年轻的参赛选手们为无线输电领域的前沿探索打开了天马行空的想象空间。
我们也能够期待,在未来的某一天,无线输电技术可以蜕变出改变生活方式的力量,而类似美的创见大赛一样的赛事也正在加速这些黑科技批量落地,让我们离想象中的未来生活方式越来越近。
科技让我们更接近梦想,在这样一个科技大爆炸的年代,美的集团秉承“科技领先、用户直达、数智驱动、全球突破”的战略,通过比赛,挖掘出更多有着创新思维的科技人才,一起突破梦想的边界,探索人类更好的未来。

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