美國麻省理工學院(MIT)研究團隊於2006年11月發起一項代號為WiTricity(Wireless Electricity)的研究計畫，試圖研發出可以在彼此距離數公尺的系統間以無線方式傳送電力的技術。日前，MIT團隊對外公開其研究成果，目前已能達成透過無線送電的方式點亮兩公尺外60瓦燈泡的初步目標。
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| 圖1 MIT WiTricity研究團隊與他們所設計的實驗裝置。照片左方為電力的發射端，位於右方接收端上所安裝的燈泡正在發亮。 |
實現以無線傳輸電力的關鍵在於磁場耦合共振器(Magnetically Coupled Resonator)，也就是圖1中左右兩端的線圈裝置。這兩個共振器是一對用6毫米銅線纏繞5.25圈，具備電感電容(LC)特性的線圈型天線，其LC共振頻率為9.90MHz。
WiTricity的應用領域十分廣泛。比如各種家庭用途或軍事用途機器裝置，電動車、可攜式裝置、醫療儀器、感應器、電氣毛毯或具備暖房功能之裝置等等均有可能。
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| 圖2 特斯拉電塔的照片 |
其實，無線電力傳輸(Wireless Power Transmission)或無線能量傳送(Wireless Energy Transfer)已經是個很古老的研究課題。早在19世紀，湯瑪士愛迪生(Thomas Edison)與尼可拉．特斯拉(Nikola Tesla)就曾經耗費龐大的時間與精力研究包含無線傳輸在內的各種長距離電力傳送技術。特斯拉早在1891年就試圖展示其可行性，在1904年興建了特斯拉電塔(Telsa Tower)(圖2)，企圖實現長距離的電力傳送。雖然這個計畫最後失敗，但後世仍然以特斯拉效應(Telsa Effect)(圖3)一詞來紀念這位曾經嘗試以無線方式傳送電力傳送的前衛工程師。
以電磁波傳送電力並不可行
在數公尺到數十公尺的距離內傳送資料，無線網路是目前最普及的技術。也曾經有人想過為何不善加利用這些便宜又普及的無線網路來傳送電力。但事實上以無線網路來傳送電力是不可行的，因為電磁波並不適合來載送能量或電力。以廣播接收為例，射頻廣播台的基地台以數十或數百千瓦(kW)大功率朝360度方向發射廣播訊號，但與發射機的功率相比，接收機所能接收到只能用微乎其微來形容，其能量傳輸效率實在太低。
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| 圖3 當時為了實驗特斯拉效應而設計的系統架構圖 |
利用指向性的天線或雷射使電磁波集中朝同一方向發射是一個理論上可行做法，實際上也有人在1968年就提出軌道太陽能發電站(Solar Power Station)的構想，企圖將搭載有巨大太陽能發電系統的人造衛星，以微波的方法傳送到地球的構想。但由於衛星上的傳送器必須不停的追隨接收器，因此實際應用上受到太多局限。
而MIT選用的方法是共振現象。共振是自然界極為平常的現象，種類繁多。樂器有音響共振，小孩盪鞦韆的機械共振，電磁場的共振，核磁氣的共振等。這一些共振共通的特徵，即是能量交換只會發生在振動頻率一樣的兩個物體之間，而頻率不一致的兩個物體間則不傳遞能量。例如以音響共振來說，假設在房間中置放一百個酒杯，個別注入些許不同數量的液體，使每個不同酒杯有其固定的振動頻率。當有個歌劇的歌手大聲練習發聲的時候，與其聲調相同，也就是振動頻率相同的酒杯，將出現強烈的共鳴，但其他振動頻率不同的酒杯則什麼事也不會發生。
而MIT所運用的方式乃是電磁場共振。具體來說是利用所謂「Evanescent Tail」近接場作為兩個物體間能量傳送的媒介。Evanescent Tail可以視為一種隨著距離急速衰減的電磁場。
圖4為簡單的範例，即二維高介電體碟盤(Dielectric Disk)共鳴的利用。在內側的就是近接場區域，不會傳播到遠方的領域。而外側是電磁波支配的領域。電磁波的能量損失過大，不適合作為能量的傳送媒介。
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| 圖4 高介電體2維磁盤電磁場的振動 |
吾人可用Q
R來評估能量損失。Q
R越大時，表示能量損失越小。假設Q
R=1,992時，意味著振動一個週期的時間，全電磁能量的1/1992以電磁波放射。若是完全僅由電磁波構成的物體，該物體在一個週期的時間後，所有的能量都會消失。 在考量到材料易得性之後，使用約在100M～1GHz的共振頻率下來進行無線電力傳輸應該是最可行的。以1GHz來說，該頻率介電率(Dielectric Permittivity)的實數部分大，虛數部分十分小的材料有很多，可以作為傳送器與接收器，如二氧化鈦(TiO
2)(表1)。
| 表1 高介電率材料 |
| 材質/材料 |
比介電率 |
介電損失Im(ε)/ε |
| TiO2 |
96 |
10-3 |
| BaTi4O9 |
37 |
10-4 |
| LiTaO3 |
40 |
10-4 |
介電率虛數部分對實數部分之比，就稱呼為「介電損失」。比率越小，當然能量的損失越小。
能量傳送效率為系統設計關鍵
要利用電磁共振理論來進行能量傳送，傳送效率、有效傳送距離、障礙物對於能量傳輸的影響，尤其重要的是對於人類身體是否有不良的影響等等，都須要詳細的實驗與評估。
MIT的傳送系統，有傳送器與接收器，各自安裝上共振體，並對傳送器注入能量。當傳送器與接收器開始共鳴時，傳送器的能量遞減，接收器逐漸累積。等到傳送器端的能量用盡時，共振也隨之停止。這些能量可以用來驅動機械或對電池充電。
為了提高能量的傳送效率，MIT研究小組採用「強耦合區域」這種在自然界也會出現的共振現象。強耦合區域是一種能讓κ/Γ值遠大於一的場合。簡單言之，κ與Γ是決定能量傳送效率的關鍵參數。具體來說，κ定量表示結合強度，Γ是電磁波放射或吸收引起系統能量損失大小的比例量。總之，κ/Γ遠大於一成立的強結合區域，能量傳送速度遠高於損失速度，換句話說，能量的傳送效率就比較高。
κ的計算式子可以運用耦合模式理論(Coupled-Mode Theory, CMT)來求得近似值。結合模式理論Q值接近於ω/2Γ。
κ值越大結合強度越高，能量交換越高。能量損失小就表示Γ值小，也就是說Q值大。Q值與Γ值成反比。
接著來看傳送距離。κ/Γ遠大於1是MIT團隊的實驗重點，而引發強耦合區域則是實現高能量傳送效率的物理根據。κ/Γ除了是傳送效率的函數，其本身也是距離的函數。當共鳴的兩個物體逐漸拉開距離時，結合度越弱。依據實驗顯示，當κ/Γ小於1時，能量損失將變得非常大(圖5)。
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| 圖5 κ值與距離的關係 |
若是考慮實際應用情境，在進行系統設計時必須花費一番功夫，特別是在傳送器的大小與形狀上，要善加思考。
其次，來看實際應用時障礙物的影響。此點可以利用Maxwell方程式來解得數值。利用耦合模式理論也可以獲得近似值。
根據數據計算的結果，即使將傳送器或是接收器等振動體移近牆壁，Q值僅有減少一點，也就是說對於能量損失的影響並不大。即使將傳送器埋入牆壁中間，Q值也僅減少約一半。
在實際的生活環境當中，障礙物的比介電率的實數值多半很小。比如說，混凝土約為4.5、木材為1.2～5、石英玻璃為4，因此所造成的介電損失非常小。不過也有例外，水就是明顯一例。當傳送器相當接近水時，共鳴的Q值就滑落到正常數值的三分之一左右。但即使如此，就實用的角度來看還是勉強可以接受。
無線電力系統對人體影響極微
對於人類身體的影響，可以說是無線電力技術是否可以進入實際應用的關卡。因為直接以活人來實驗會引發道德問題，因此MIT團隊領導者利用在他辦公室內負責整理書籍的機器人來模擬人體。在這個實驗中，MIT團隊依然是以高介電體的磁盤來當作傳送接收器。傳送器安置在天花板的中央位置，接收器安裝在機器人上，機器人會來回走動。房間是立方體，床、牆壁與天花板都是相同的材質。傳送器的形狀與輸出，制約少彈性大，傳送器內部的能量損失暫不考慮，重點在接收端的能量損失。
首先，利用電磁波主體對機器人傳送電力，結果發現機器人相對於辦公室來說小很多，僅能接收微小部分。利用高介電體的磁盤間的共振，機器人走到房間中央時，距離最短，接收電力最大，而機器人走到房間角落時，接收電力較小。若將機器人當成人類來計算模擬時，人類所吸收的能量非常微小，只會造成些許微溫，這是電場在人類皮膚表面引起的焦耳熱。
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| 圖6 使用LC共振器的無線電力傳送系統 |
然而，即使溫度再如何微小，都有潛在性的危險，也因此才必須採用磁場共振系統，例如LC共振器，而非高介電體磁盤來實現無線電力傳輸(圖6)。使用LC線圈的最大好處就在於在LC線圈的外部的能量幾乎全是磁場能量，而磁場在人類的生活空間中隨處可見，對人體造成影響程度很小。例如醫學上所使用的核磁共振攝影(Magnetic Resonance Imaging, MRI)檢查裝置，對人類身體的所發射的磁場強度就非常強，其他還有線性馬達、甚至是磁力漂浮式的床等等，也都會在人類的生活環境中造成強烈的磁場，但事實證明這些磁場對人體並不會造成健康上的疑慮。
利用數值計算磁場共振的結果，該LC共振器的Q值在迴路半徑30公分的場合約4,000。共振的頻率為9MHz，換算成波長為33公尺。當兩者距離1.5公尺時，能量傳送效率達90%。若是3公尺遠，傳送效率達45%，κ/Γ大於1。
若是將LC共振器使用於前述模擬的辦公室房間時，假設傳送器使用的LC共振器半徑為1公尺，並安置在離床3公尺高的天花板上，接上10MHz的交流電源。而接收端側的共振器半徑則為30公分，Q值為1,000左右。在此狀況下，電力的傳送效率與使用高介電率的碟盤相同的程度，但人體的吸收能量幾乎是零，因此對人類而言安全許多。
磁場共振較電磁誘導效率更高
由於MIT的無線電力系統設計利用了兩個線圈，因此有一個很容易讓人誤解的地方，也就是該系統使用了一般的電磁誘導原理。雖然兩個系統乍看之下有點類似，但磁場共振所產生的連結在效率方面比電磁誘導高出一百萬倍。這是因為前者在迴路上有電容器可以引發共振效果，線圈之間的距離也較長。
MIT的實驗配置如下：一對半徑30公分的LC共振器，彼此距離兩公尺，以及在接收端上配置的60瓦燈泡(圖7)。首先，從Colpitts共振器利用電磁誘導將電力送到傳送器的線圈，然後因磁場共振，將電力傳送到接收器的線圈，之後再利用電磁誘導提供電力給電燈而發亮。乍看之下整個系統似乎找不到電容器，但其實是分布於導線中的靜電容量就是電容器。實驗系統的共振頻率約為10MHz，與利用Maxwell方程式所解出來的理論值相當一致。唯一還須進一步說明的是純銅的Q值為2,300，而系統的實際測定值為1,000。目前研究團隊認為這是導線表面氧化所造成的。因為10MHz的高頻將對導線造成集膚效應(Skin Effect)，使電流僅在導線表面10微米薄層流過。
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| 圖7 在障礙物阻擋並縮小接收線圈的實驗條件下，兩公尺的電燈依然可以發光。 |
另外一個有趣的問題就是雙方線圈的相對位置是否將對連結的強度造成影響，也就是要調查κ值的變化。實驗是採用同軸並列的方式，若是一端傾斜45度，κ值保持在八成的程度。若是兩個導線軸呈現平行，κ值則是在七成的程度。因此，相對位置角度還是有點影響，若是要進入實用的狀態，系統的設計上還是要費點功夫。