無(wú)線供電
尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)的夢(mèng)想——使用電磁波來(lái)遠(yuǎn)距離供電——也許很快就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。早在1890年,這位現(xiàn)代交流電系統(tǒng)的奠基者就開(kāi)始構(gòu)想無(wú)線供電方法,最后提出了一個(gè)非常宏大的方案——把地球作為內(nèi)導(dǎo)體、距離地面約60千米的電離層作為外導(dǎo)體,在地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振,再利用環(huán)繞地球的表面電磁波來(lái)遠(yuǎn)距離傳輸電力。他想像廣播一樣,將電能傳遍全球。為此,在J. P. 摩根的資助下,他在紐約長(zhǎng)島建立了57米高的瓦登克里夫塔(Wardenclyffe Tower)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想,但最終被迫放棄。雖然我們現(xiàn)在可以從理論上證明特斯拉的方案的確可行,但是出于世界上各個(gè)國(guó)家的區(qū)隔,這種“天下大同”在短時(shí)間內(nèi)恐怕不會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。不過(guò)另一種遠(yuǎn)程無(wú)線供電方案可能會(huì)更容易實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)。加拿大科學(xué)家正計(jì)劃制造一架無(wú)人飛機(jī),飛行高度33千米,可以在空中連續(xù)飛行幾個(gè)月。這可能是世界上第一架可以真正投入使用的遠(yuǎn)程供電飛機(jī),本身不攜帶燃料,而是從地面的微波站中獲取能量。
微波是指那些頻率在300MHz到300KMHz之間的電磁波,它的波長(zhǎng)在1米到1毫米之間。因?yàn)殡姶挪ǖ念l率越高,能量就越集中,方向性也越強(qiáng),所以人們認(rèn)為,使用微波來(lái)無(wú)線傳遞能量可能是最好的選擇。更何況,微波可以通過(guò)硅整流二極管天線轉(zhuǎn)換成電能,轉(zhuǎn)化效率可以高達(dá)95%以上——這樣高的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)可以讓人滿(mǎn)意了。 在這架無(wú)人機(jī)起飛之后,地面的高功率發(fā)射機(jī)通過(guò)天線將發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的微波能量匯聚成能量集中的窄波束,然后將其射向高空飛行的微波飛機(jī)。微波飛機(jī)通過(guò)微波接收天線接收能量,轉(zhuǎn)換成直流電,再由直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛機(jī)的螺旋槳旋轉(zhuǎn)。因?yàn)闊o(wú)需攜帶燃料和發(fā)動(dòng)機(jī),這種飛機(jī)的有效載荷將會(huì)大大提升。 其實(shí)早在1968年,美國(guó)航天工程師彼得·格拉澤(Peter Glaser)就已經(jīng)更進(jìn)一步,提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電(SSP,Space Solar Power)的概念。他設(shè)想在大氣層外通過(guò)衛(wèi)星收集太陽(yáng)能發(fā)電,然后通過(guò)微波將能量無(wú)線傳輸回地面,并且重新轉(zhuǎn)化成電能供人使用。這一設(shè)想,不是在僅數(shù)十千米的距離上用微波傳遞能量,而是要把能量在三萬(wàn)多千米之外,從太空精確地射向地面接收站。
想象一個(gè)地球同步衛(wèi)星。它停留在赤道上空36,000千米的高度,太陽(yáng)能電池陣列始終對(duì)太陽(yáng)定向,微波發(fā)射天線則瞄準(zhǔn)地面的接收天線。這兒,不存在在地面接收太陽(yáng)能所必然面臨的照射時(shí)間、氣候、重力等問(wèn)題,每年有277天可以全天接受日照,而被地球遮擋時(shí),最長(zhǎng)停電時(shí)間也不過(guò)75分鐘。它每年有99%以上的時(shí)間把源源不斷的太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能,效率將比地面上同樣規(guī)模的太陽(yáng)能電站高出十倍左右。
1977~1980年,美國(guó)宇航局和能源部共同出資,對(duì)空間太陽(yáng)能發(fā)電的問(wèn)題進(jìn)行了概念研究,得出結(jié)論:這種方式不存在不可克服的技術(shù)困難。但是后來(lái)這個(gè)計(jì)劃一度被鎖進(jìn)保險(xiǎn)柜,原因在于耗資驚人。目前把物品送上太空還是很花錢(qián)的,要在太空中組裝一顆收集太陽(yáng)能來(lái)發(fā)電的衛(wèi)星,成本令人難以接受。
不過(guò),隨著地球上不可再生資源的逐漸消耗,這個(gè)計(jì)劃又被擺上了桌面?,F(xiàn)在有幾個(gè)能源消耗大國(guó)和能源匱乏的國(guó)家正在論證這種方案的可行性,并且開(kāi)始了小規(guī)模實(shí)驗(yàn),來(lái)驗(yàn)證在大氣內(nèi)進(jìn)行微波能量傳遞以及從太空向地面發(fā)射微波束的實(shí)際效果,而目前比較樂(lè)觀的估計(jì)是,2010~2020年太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星就可以進(jìn)入實(shí)用階段了。