微波輸電技術應用展望(共5頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上微波輸電技術應用展望關鍵詞：微波輸電、衛(wèi)星太陽能電站、功率、整流器1、前言 自從1882年法國人德普勒首次實現第一條直流輸電線把電力送到57km遠的慕尼黑國際博覽會驅動水泵電動機，1891年第1條三相交流高壓輸電線在德國勞奮法蘭克?？⒐ひ詠恚_始了電力系統的傳統直流和交流輸電一個世紀的應用和發(fā)展，至今已形成較完善的高壓輸直流輸電(high-voltage direct current 高壓直流電 簡稱：HVAC)技術。但人類在這一個多世紀以來，輸電的媒介都是使用金屬導線。一是傳統的銅、鋁都是較昂貴的金屬。架設輸電線路勢必需要大量的金屬導線及配套的鐵塔、電桿；二是在金屬

2、導線傳輸過程中會造成大量的能量損失，電能在輸送過程中一部分轉換成熱量浪費掉；三是架設輸電線路需要大量的人力物力，并且會浪費許多寶貴的土地資源；四是隨著各種新能源的開發(fā)、不同負荷對電力需求的多樣化和技術、經濟、環(huán)境等多方面的要求及傳統HVDC和HVAV本身所固有的特征，使它們不能適應所有輸電場合，于是多種新型輸電方式的概念和技術被提出并得到積極地研究。微波輸電就是其中一種。發(fā)展微波輸電技術可以減肥少大量的電能傳輸設備的建設。在解決傳輸效率后輸電的損耗也將大大改善，由此將會在節(jié)約能源、節(jié)約資源方面為國家做出不可估量的貢獻。隨著地球上石油、煤炭資源的日益枯竭和環(huán)境污染的不斷加劇，科學家提出在地球靜止

3、軌道上建造定點衛(wèi)星電站，充分利用太陽能發(fā)電。研究表明，太陽每小時輻射到地球的能量約為18萬兆瓦，相當于燃燒90兆噸優(yōu)質煤的熱量。顯然，太陽能是取之不盡、用之不竭且無污染的能源。電站距離地面36萬公里，不可能用導線把電能送到地面。微波輸電的過程是把太陽能電池產生的直流電能，用微波管轉換成微波波束，由天線發(fā)射到地面接收站，再還原成電能輸送出去。由天線發(fā)射到地面接收站，再還原成電能輸送出去。微波輸電技術的最大困難在于無線電波的彌散與不期望的吸收與衰減。對于無線電通訊，無線電波的彌散問題甚至不一定是件壞事，但是卻可能給無線輸電帶來嚴重的傳輸效率問題。一個辦法是使用微波甚至激光傳輸，理論上，無線電波波長

4、越短，其定向性越好，彌散越小。有人擔心此技術可能給人帶來健康風險，雖然尚無太多證據證實這種風險。2、微波輸電原理最早產生微波輸能設想的事尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)，因而有人稱之為微波電能傳輸之父。1890年，特斯拉就做出了微波電能傳輸實驗。特斯拉構想的微波電能傳輸方法是把地球作為內導體，把地球電離層作為外導體，通過放大發(fā)射機以徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起大約8 Hz的低頻共振，利用環(huán)繞地球表面電池來傳輸能量。最終因財力不足，特斯拉的大膽構想沒能實現。其后，古博(Goubau)、施瓦固(Sohweing)等人從理論上推算了自由空間波束導波可達近100%的

5、傳輸效率，并隨后在反射波束導波系統上得到了驗證。20世紀20年代中期，日本的H.Yagi和S.Uda發(fā)明了可用于微波電能傳輸的定向天線。20世紀60年代初期雷聲公司(Raytheon)的布朗(W.C.Brown)做了大量的微波電能傳輸研究工作，從而奠定了微波電能傳輸的實驗基礎，使這一概念變成了現實。在試驗中設計了一種效率高、結構簡單的半波電偶極子半導體二極管整流天線，將頻率2.45GHz的微波能量轉換為直流電。近幾年，微波電能輸送發(fā)展更是迅速。MIT在2007年6月宣布，利用電磁共振成功地點亮了一個離電源約2m遠的60W電燈泡，這項技術被稱為Witricity(無線電力)。該項研究小組在試驗中

6、使用了兩個直徑為50cm的銅線圈，通過調整發(fā)射頻率使兩個線圈在10MHz產生共振，從而成功點亮了距離電力發(fā)射端2m以外ide一盞60W燈泡。所謂微波輸電(Wireless Power Transmission,簡稱WPT)，就是用微波源把直流電轉變?yōu)槲⒉?，然后由天線發(fā)射出去；大功率的電磁射束通過自由空間后被接受天線收集，經微波整流器后重新轉變?yōu)橹绷麟?。它的實質就是用微波束來代替輸電導線，通過自由空間把電能從一處輸送到另一處。如：圖直流電變換成微波波束成型自由空間接 受整 流上世紀60年代，William C.Brown向世人展示的微波傳輸電能系統。 該微波傳輸系統包括微波源、發(fā)射天線、接受天線

7、3部分。微波源內有磁控制管，能控制源在2.45GHz頻段輸出5200W的功率；微波源輸出的能量通過同軸電纜連接至和波導管之間的適配器上；亞鐵酸鹽的循環(huán)器連接在波導管上，使波導管和發(fā)射天線相匹配。發(fā)射天線包含8個部分，每個部分上都有8個縫隙。這64個縫隙均勻的向外發(fā)射電磁波。這種開孔的波導天線很適合用于微波電能傳輸，因為它有高達95%的孔徑效率和很高的能量捕捉能力。硅控整流二極管天線用來收集微波并把它轉換成直流電，在布朗展示的系統中該接受天線用25%的收集和轉換率，這種天線在2.45GHz測試時曾經達到甚至超過90%的效率。傳輸距離比較遠后，增強天線的方向性和效率會十分困難。 自從Brown實驗

8、獲得成功以后，人們開始對微波輸電技術產生了興趣。斯坦福大學的Dunn和他的同事也驚醒了理論研究，并證明了在半徑1m的圓波導中以低損耗的TE001模式傳輸GW量級的高功率微波潛在的可行性。他們設想用圓波導傳輸的微波能量來驅動城市交通工具(如封閉的有軌電車或地鐵)。據估計，如果傳輸頻率在10GHz的TE001波模，沒傳輸1000km的損耗約5%。但是由于大截面圓波導加工的困難和事件傳輸過程中波導模式的轉換使得損耗增加，所以沒有得到工程上的實施。在美國宇航局的支持下，1975年開始了微波輸電地面試驗的五年計劃，由噴氣發(fā)動機實驗室和Lewis科研中心承擔，將30kW的微波無線輸送1.6km，微波2直流

9、的轉換效率為83.從80年代末起，某些微波輸電試驗放在空間2地面、空間2空間之間進行，現在空間站上的微波輸電試驗正在進行著。1991年華盛頓ARCO電力技術公司使用頻率35GHz毫米波，整流天線的轉換效率為72%。毫米波段的優(yōu)點是天線的孔徑較小。缺點是毫米波源的效率比厘米波低，器件的價格也比較貴，還有波束傳播過程中的雨衰問題。上世紀60年代，William C.Brown向世人展示的微波傳輸電能系統。由于全球氣候不斷變熱，以及有限的地球初級能源儲量和熱核聚變能的應用還很遙遠（可能至少在40年以后），微波輸電技術和衛(wèi)星太陽能電站的前景在21世紀越來越受到國際社會科技界的關注。日本和法國初級能源短

10、缺，對微波輸電技術和衛(wèi)星太陽能電站表現得特別積極。1996年京都大學與莫斯科大學開展了微波輸電的技術合作，并購買了回旋波整流器。日本人研制了衛(wèi)星太陽能站的教學模型，進行了給氣球和飛機模型的輸電實驗。2001年在日本召開了關于衛(wèi)星太陽能電站的研討會，日本京都大學擔負領頭的角色。跟莫斯科大學合作，日本政府在2000年進行微波輸電技術中間工程的試驗，將在赤道上空運行衛(wèi)星的微波能量送到地球表面的整流天線陣，并宣布在2040年建成功率為100kw的衛(wèi)星太陽能電站。這項工程的主要準備工作和預先研究都由京都大學的Matsumoto、Shinohara等人承擔，此外還有Mitsubishi電氣公司、Matsu

11、shita公司等。1994年在法國留尼旺島召開了微波輸電技術研討會?，F在法國人也正在進行微波輸電試驗，在印度洋西部留尼旺島生態(tài)敏感的峽谷，將適當的微波功率傳輸700m距離，用來研究微波輸電的生態(tài)效應。3、微波輸電的研究與應用展望 (1)在宇宙空間，微波是理想的傳輸媒介，它通過地球大氣層時，損耗很低，僅為2%左右。微波輸電使電力發(fā)、送、供、用的結構變得簡單，不再像傳統方式那般繁瑣。(2)能夠改變因能源分布不均衡造成的輸電部經濟、不合理的狀況，彌補地面電站、電網網的分布不足，例如沙漠、海島、偏僻的山區(qū)、待開發(fā)的南極大陸和北冰洋等，微波傳送可為這些地方供電。(3)可在地球上空的靜止軌道上建設定點衛(wèi)星

12、電站，充分利用太陽能發(fā)電，減少二氧化碳排放，有利于環(huán)境保護。建設衛(wèi)星太陽能電站是擺脫未來能源危機的重要途徑。盡管地球上大部分能源來自太陽能，但是它們主要靠植物進行轉換，直接用于開發(fā)點的微乎其微。因為在地球表面建造太陽能電站受到下列因素的限制：(a)地球表面的日照受到晝夜、季節(jié)、天氣和氣候的影響特別大；(b)要占用大面積的土地；(c)難以使大面積的定向鏡跟蹤太陽；(d)易受到的污染和風、霜、雨、雪的侵蝕；(e)太陽光穿過大氣層時一部分能量被吸收掉，沒有被地面的太陽能電站充分利用。因此，將太陽能電站建在宇宙空間自然是理想的選擇。淡然這也會帶來其他的困難，譬如，電站建筑材料如何運往空間，空間平臺的軌

13、道和姿態(tài)如何保持，空間電能怎樣往地賣弄輸送等一些列問題。在這種特殊的場合下，架設輸電線路是不可能的，微波輸電無疑使唯一的選擇。(4)微波傳輸系統包括微波源、發(fā)射天線和地面接收天線、微波整流器、連接元件等。作為輸電應用，首先要考慮微波源的能量轉換效率。在厘米波段，磁控管和放大管的效率可分別達到90%和80%，而理論上效率最高的磁旋束管放大器可達到100%,放大系數無限大。旋束管放大器在俄羅斯研究了很多年，美國海軍實驗室現在也正在研究中。它不僅效率高，而且能夠實現大功率倍頻，頻率穩(wěn)定度好，在加速器技術、多普勒雷達方面獲得應用。若用于衛(wèi)星太陽能電站，質量、體積、壽命等參數也是至關重要的。這是因為運載

14、火箭、航天飛機的有效運荷載約2.5%，質量、體積的增大會大大增加發(fā)射費用和難度。宇宙空間中背光一面的溫度只有2.7K，而受陽光照射的器件表面溫度較高，此外還有宇宙射線、隕石、航天垃圾等因素，所以在制造工藝方面有特殊的要求。(5)微波整流器是微波輸電的關鍵器件，它把微波能量轉變?yōu)橹绷麟?。已經研制成功的有回旋波微波整流器和肖特基勢壘整流器二極管，在實際使用中各有千秋。前者單個器件較重，但是可輸出10kW以上的大功率和20kV以上的高電壓，工作性能穩(wěn)定，無高次再輻射構成干擾，具有微波過載自我保護特性；后者質量輕，但是單管輸出的功率小(2W6W)、電壓低(10V20V)、穩(wěn)定性差，存在高次諧波再府城構

15、成的干擾。兩者單管的整流效率相近，約85%。如果用于大功率整流，優(yōu)先選擇前者；若用小功率輸電，后者占有優(yōu)勢。譬如功率為10GW的衛(wèi)星太陽能電站，要用數目月20億個肖特基勢壘整流器二極管，這將消耗大量的稀有材料，安裝、連接、測試、維護也很費力；若用回旋微波整流器，可以很好地回避這些問題。俄羅斯莫斯科大學宇宙能源動力學和物理電子學實驗室長期從事微波輸電的研究工作，與微波公司合作，研制出了一系列回旋波微波整流器產品，已用于空間電能向地面?zhèn)鬏攲嶒炘囼灪偷蛙壍儡娪眯l(wèi)星供電，并已出售給日本空間和宇宙科學研究所，在“自由號”國際空間站的日本模塊上進行試驗。(6)大功率定向電磁波從空間朝地面輸送時對壞境的考慮

16、有:(a)傳輸多大的能流密度對電離層的擾動沒有影響；(b)采用哪一個微波電頻段對日常的通信部發(fā)生干擾；(c)地面整流接受站在何處對飛機等交通工具及周圍的生物(如鳥類、居民等)沒有不良作用；(d)地球靜止同步軌道上建造大面積的電站對地面有無效應以及大量衛(wèi)星發(fā)射產生的航天垃圾污染。實際上這些與使用高功率微波時所考慮的效應是類似的，但是兩者在工作方式和影響程度上有顯著的差別。電站要保證連續(xù)運行，而高功率微波僅在必要時使用。高功率微波的功率在100MW以上，甚至達到1013MW而發(fā)射天線的口徑又不大，因而能流密度很高。對于容量5GW的衛(wèi)星太陽能電站，微波發(fā)射天線的口徑約1km，能流沿波束被限制在25m

17、w/cm²以防止對電離層的擾動，在整流天線邊緣的能流密度已降低至1m/cm²以下，與廣播臺、電視塔附近的電磁輻射能流密度相近甚至更小，低于一般認可的人類微波照射安全標準1Mw/cm²。至于對通信的可能干擾，可以適當地選擇頻段和地面接收地點來避免。另外，真空電子管快回旋電子束波微波整流器整流時沒有二次諧波的再輻射現象。4、結束語 微波輸能是一個綜合性的課題。它不僅包括與此直接有關的高功率微波產生、發(fā)射和接收等問題，而且還包括生態(tài)、環(huán)境、電磁兼容等許多相關學科。 1968年皮得·格拉澤提出的SSPS計劃對微波輸電技術的發(fā)展產生了深遠的影響，并立即啟動了有關課

18、題的研究，經過40多年的努力，微波輸能在技術上已趨成熟。當前人們還在對高功率微波的產生、高效率傳輸、聚焦發(fā)射等核心課程進行研究。 從目前的發(fā)展水平與趨勢來看，微波輸能必將成為本世紀的主要輸能方式。國外成立了國際空間大學，其主要科學活動是研究如何利用空間太陽能。我國是一個人口大國，人均資源占有量很少，人均電量居世界第80位，如果不發(fā)展自己的產業(yè)，會在能源危機中步入困境。這是一項涉及到國家政府決策機關、科學技術領域和工業(yè)生產等部門的浩大的系統工程，需要各方鼎力相助、共同努力奮斗才能實現這一宏偉藍圖。它的大規(guī)模實施不僅解決了未來世界范圍的能源供給問題，而且也是建立未來宇宙工業(yè)和人類超越地球的先決條件，同時也將極大地帶動和促進相關高科技產業(yè)的發(fā)展，可能帶來的社會經濟效率是不可估量的。至于建造衛(wèi)星太陽能電站技術上的難點，現在正在逐步努力地攻克。 總之，微波輸電技術與衛(wèi)星太陽能電站是客觀現實，而不是科學幻想。盡管具體實施起來要耗費巨大的資金，但從它所帶來的社會經濟效益和所具有的戰(zhàn)略