清華大學(xué)本科生研發(fā)“自由角度無(wú)線(xiàn)充電”裝置，有望建成無(wú)線(xiàn)充電公路

行駛不到300公里就得充電，一次充電至少得6個(gè)小時(shí)，小區還需安裝專(zhuān)門(mén)的固定充電樁……這些限制因素都讓消費者對電動(dòng)車(chē)難以動(dòng)心。

如果在不久的將來(lái)，當您駕駛著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)在公路上飛馳，無(wú)論是直道還是彎道，無(wú)論是隧道還是橋梁，電動(dòng)車(chē)一邊行駛就能一邊快速給電池補充電能。之前的顧慮還會(huì )存在嗎？這不是天方夜譚，來(lái)自清華大學(xué)汽車(chē)工程系的本科生戴亞奇和同學(xué)們研發(fā)出的“自由”技術(shù)就能實(shí)現上述情景。這項技術(shù)獲得了清華大學(xué)第32屆“挑戰杯”科技競賽特等獎。

研究未來(lái)汽車(chē)發(fā)現瓶頸

2011年，戴亞奇進(jìn)入清華大學(xué)汽車(chē)工程系就讀。2013年10月，他找到了一群志同道合的人，加入了“未來(lái)汽車(chē)”興趣團隊。

這是一個(gè)神奇的團隊，團隊里的成員來(lái)自清華各院系。他們大膽想象，對汽車(chē)的各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行深入探究。有人在研究可以轉動(dòng)的汽車(chē)底盤(pán)，有人在鉆研更具流線(xiàn)型的車(chē)身外觀(guān)，戴亞奇則找到了自己的興趣所在——無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)。

他告訴記者，無(wú)線(xiàn)充電源于無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)，最基礎的原理就是19世紀被發(fā)現的電磁感應定律，即閉合電路的一部分導體在磁場(chǎng)中做切割磁感應線(xiàn)運動(dòng)，導體中就會(huì )產(chǎn)生電流，“也就是說(shuō)電磁場(chǎng)其實(shí)可以傳遞電量?！?006年，美國麻省理工學(xué)院的學(xué)生發(fā)明了磁諧振式遠距無(wú)線(xiàn)充電。目前，諾基亞、三星、英特爾等知名企業(yè)已經(jīng)紛紛推出了自己的無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品及研發(fā)計劃。

在研究中戴亞奇發(fā)現，由于磁場(chǎng)方向難以確定，目前無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的應用都有一個(gè)通病，就是充電線(xiàn)圈在接收能量時(shí)必須始終放在發(fā)射線(xiàn)圈正上方并固定角度使二者相對。一旦線(xiàn)圈位置或角度偏離，則充電的效率和功率都急劇下降。這個(gè)被動(dòng)接受能量的“瓶頸”使得無(wú)線(xiàn)充電在未來(lái)的發(fā)展與應用都將遭到很大的影響，“我找遍了專(zhuān)利、學(xué)術(shù)資料，都沒(méi)有發(fā)現可以攻克這一難題的技術(shù)?！?/P>

戴亞奇決心攻克這一難題。

“三線(xiàn)圈垂直測量接收法”

當年年底，他和其他幾名同學(xué)開(kāi)始了“自由角度無(wú)線(xiàn)充電”的技術(shù)研究。他們首先想到的辦法是找到能夠測交流電磁場(chǎng)方向的裝置，找出其中的參數，再找到破解之法。結果卻發(fā)現，根本就找不到這樣的裝置。研究一度陷入困境。

“后來(lái)我們決定干脆自己動(dòng)手‘白手起家’，設計一個(gè)能對準磁場(chǎng)方向并接收能量的裝置?！贝鱽喥嬲f(shuō)。于是整個(gè)四人團隊開(kāi)始進(jìn)入攻堅階段。只要沒(méi)有課，他們就泡在綜合服務(wù)樓內的一間約10平方米的實(shí)驗室里，“有時(shí)做實(shí)驗晚了，就在那里過(guò)夜?！碑斈旰?，團隊成員“晚走早回”，只休息了半個(gè)月。

在一次集體頭腦風(fēng)暴中，戴亞奇靈感迸發(fā)，他想到了能否利用三個(gè)電磁線(xiàn)圈相互垂直進(jìn)行測量和接收的辦法。和同學(xué)進(jìn)行交流后，他們很快在實(shí)驗室搭起了臺架，進(jìn)行測試。結果真的成功了。 “當時(shí)的那種興奮絕對要超過(guò)考試拿100分?！贝鱽喥嬲f(shuō)，為了保護辛苦得來(lái)的科研成果，他們立即著(zhù)手為這一磁場(chǎng)方向測量方法和裝置申請了發(fā)明專(zhuān)利。

半米距離“點(diǎn)亮”二極管

不久前，記者在清華大學(xué)見(jiàn)到這個(gè)“自由角度無(wú)線(xiàn)充電”的裝置。裝置的核心部件如同兩個(gè)圓環(huán)垂直交叉的陀螺儀，大小如同成年人的手掌。這兩個(gè)圓環(huán)又同時(shí)和一個(gè)方形框架垂直，“兩個(gè)圓環(huán)三個(gè)電磁線(xiàn)圈，這就是三線(xiàn)圈垂直測量接收裝置?！苯榻B，9米的傳輸距離，意味著(zhù)能覆蓋18米寬的路面。沿著(zhù)公路建起無(wú)線(xiàn)充電系統，道，這三個(gè)線(xiàn)圈中兩個(gè)用于測量電磁場(chǎng)，一個(gè)用于接收電磁場(chǎng)傳遞的能量。

把裝置置于實(shí)驗臺架上的任意位置，周?chē)词谴艌?chǎng)。啟動(dòng)裝置后，記者發(fā)現前方約半米處的一根原本熄滅的二極管很快發(fā)亮，“這說(shuō)明裝置已經(jīng)準確地將對準了磁場(chǎng)方向，電磁線(xiàn)已經(jīng)將能量傳遞到了二極管?！贝鱽喥嬲f(shuō)，系統中接收線(xiàn)圈可自由角度轉動(dòng)，能夠測量出發(fā)射線(xiàn)圈產(chǎn)生的交流電磁場(chǎng)方向并自動(dòng)校準接收線(xiàn)圈。利用該裝置可使充電始終對準所在位置的交流電磁場(chǎng)方向，主動(dòng)地捕捉磁場(chǎng)能量，從而實(shí)現在發(fā)射線(xiàn)圈附近任意位置的有效充電。輔以一套現在已經(jīng)成熟的電量注入技術(shù)，就可以對電池進(jìn)行充電了。

當記者提出，用這種無(wú)線(xiàn)方式充電是否會(huì )影響人體健康時(shí)。他表示，這種充電技術(shù)中的磁場(chǎng)頻率跟手機差不多，且大部分能量都會(huì )被專(zhuān)門(mén)設計的接收裝置吸收，對人體健康并無(wú)大礙。至于如何為這種充電方法進(jìn)行計費，戴亞齊笑道：“這很簡(jiǎn)單，跟無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)wifi一樣，把電量像流量一樣計費就可以了?！?/P>

前景展望：從手機到宇宙飛船皆可應用

目前國外公開(kāi)的有角度無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，充電距離能達到9米。而戴亞奇他們所做的研究目前半米的無(wú)線(xiàn)充電距離主要是受到了高頻電流的限制，“我們用的是1M赫茲的頻率，國外的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，電流頻率能達到2000赫茲以上?！彼f(shuō)，自己還會(huì )和同學(xué)一起堅持研究下去，盡快把這項技術(shù)轉化為實(shí)際的生產(chǎn)力。

戴亞奇介紹，9米的傳輸距離，意味著(zhù)能覆蓋18米寬的路面。沿著(zhù)公路建起無(wú)線(xiàn)充電系統，將充電線(xiàn)圈置于高速公路隔離帶，就可以形成一條“充電公路”，在這里，電動(dòng)汽車(chē)可以邊行駛邊充電，達到持續行駛的功能。

戴亞奇相信，這種自由角度無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)在未來(lái)有著(zhù)非常廣泛的應用。當人們還在關(guān)注著(zhù)這項新技術(shù)能給電動(dòng)汽車(chē)的推廣帶來(lái)多大動(dòng)力時(shí)，他們的眼光已經(jīng)放得更加長(cháng)遠?！斑€有一項巨大的潛在功能就是可以應用在我們的手機上，充電器和移動(dòng)電源將徹底成為歷史?！彼f(shuō)，只要安裝了充電線(xiàn)圈的環(huán)境都可以實(shí)現對手機進(jìn)行充電，因為是“自由角度”，所以不管手機是“躺”在桌面上，還是被人握在手里，只要主人愿意，它們可以隨時(shí)補充電量。

而在更遠的未來(lái)，戴亞奇說(shuō)這項技術(shù)甚至可以應用在航天飛行器上。他說(shuō)，現在的飛船在外太空作業(yè)時(shí)需要消耗大量電能，這些電能有兩個(gè)來(lái)源，一是自帶太陽(yáng)能電池板發(fā)電，二是通過(guò)與空間站對接，從那里獲得能量，“電池板體積巨大，對接技術(shù)難度很高且需要時(shí)間較長(cháng)，而通過(guò)自由角度從空間站無(wú)線(xiàn)充電，上述問(wèn)題就能迎刃而解?！?BR>