遠紅外線供電

生活科學趣談

記得威力彩剛推出時拍了一則廣告,有位年輕人一覺醒來發現身處無人島,於是急忙衝到岸邊察看究竟。當看到有一艘汽艇時,問上面的船長:「為什麼都沒有人?」只見對方畢恭畢敬的回答:「Master,您買了這座島嶼」,接著廣告就秀出【私人島嶼 非請莫入】與「威力彩贏甲毋知人」。

若真的買了一座無人島,首先得要解決電力問題。如果不想破壞美景(搭建風力發電、太陽能發電、潮汐發電),也不想聽那柴油發電機的吵雜聲,那麼倒是可以考慮在離小島最近的對岸架設一台無線供電裝置。在《無線供電》這篇文章中,提及以微波傳輸能量是可行的,不過微波傳輸的效率會受限於天氣條件。譬如我們師大分部當初的TANet學術網路是以碟型天線對準校本部圖書館指向型天線,接收其所發射的18.825GHz~19.205GHz微波,但是遇到下大雨時,分部這邊所接收的頻寬就會低到如同斷網的狀況,這是因為微波無法穿透降水的雲層所導致。至於無降水的雲層,則波長越短的微波其穿雲能力也越差。就如同下豪雨時無線電視的收訊也會如同下雨一般,影像會變得模糊不清,這是因為雨滴直徑若接近波長的四分之一時,電波經過雨滴時信號強度就容易快速衰減,而且雨下越大越嚴重 ,這稱為「雨衰減現象」。採用紅外線頻段則較無此困擾,另外,紅外線穿透雲霧的能力也比可見光還強。

IR1

若實際考量紅外線接收元件之特性,由於能將紅外線轉變成電能的裝置只有矽光電二極體(電磁波譜190 µm~1100 µm)符合要求。市面上紅外線大功率LED發射管目前最大也僅有9W,所以若要使用這種紅外線LED的無線供電方式可能不太實際,因為發射端與接收端的截面都要非常巨大,才能傳輸足夠日常生活所需的耗電功率。那麼改用紅外線雷射來發射呢?雖然雷射光束非常小,可大大縮減發射端與接收端的截面積,但是因為接收端還是得使用光電二極體才能轉換為電能。由於二氧化碳雷射的波長10.6 μm位於中波長紅外線範圍,雖然其輸出功率最大可達1600瓦以上,但是它在工業上是當作切割用途,不要說接收端的光電二極體會熔毀,甚至鋼板都有可能被打穿。

因此得將具有熱效應的二氧化碳雷射改成遠紅外線FIR雷射才行

IR2

 

IR3

因為遠紅外線的波長較長,熱效應較低,若不慎觸及時較無燙傷之顧慮。 否則若以二氧化碳雷射來進行長距離的能量傳輸時,一旦有飛禽掠過光束,就可能會被射下來了。

結論:以遠紅外線方式無線供電是以FIR laser來傳輸,來到接收端再以一組透鏡將雷射光擴束與聚焦,然後再經過擴散板(Diffuser),即可投射在光電二極體陣列以轉換成電能。