微波輸電技術(shù)應(yīng)用展望

1、6微波輸電技術(shù)應(yīng)用展望關(guān)鍵詞：微波輸電、衛(wèi)星太陽(yáng)能電站、功率、整流器1、前言自從1882年法國(guó)人德普勒首次實(shí)現(xiàn)第一條直流輸電線把電力送到57km遠(yuǎn)的慕尼黑國(guó)際博覽會(huì)驅(qū)動(dòng)水泵電動(dòng)機(jī)，1891年第1條三相交流高壓輸電線在德國(guó)勞奮一法蘭克?？⒐ひ?來(lái)，開(kāi)始了電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)直流和交流輸電一個(gè)世紀(jì)的應(yīng)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(jiǎn)稱(chēng)：HVAC)技術(shù)。但人類(lèi)在這一個(gè)多 世紀(jì)以來(lái)，輸電的媒介都是使用金屬導(dǎo)線。一是傳統(tǒng)的銅、鋁都是較昂貴的金屬。架設(shè)輸電線路勢(shì)必需要大量的金屬導(dǎo)線及配套的鐵塔、電桿；二是在金屬導(dǎo)線傳輸過(guò)程中會(huì)造成大

2、量的能量損失，電能在輸送過(guò)程中一部分轉(zhuǎn)換成熱量浪費(fèi)掉；三是架設(shè)輸電線路需要大量的人力物力，并且會(huì)浪費(fèi)許多寶貴的土地資源；四是隨著各種新能源的開(kāi)發(fā)、不同負(fù)荷對(duì)電力需求的多樣化和技術(shù)、 經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面的要求及傳統(tǒng)HVDC和HVAV本身所固有的特征，使它們不能適應(yīng)所有輸電場(chǎng)合，于是多種新型輸電方式的概念和技術(shù)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(shù)可以減肥少大量的電能傳輸設(shè)備的建設(shè)。在解決傳輸效率后輸電的損耗也將大大改善，由此將會(huì)在節(jié)約能源、節(jié)約資源方面為國(guó)家做出不可估量的貢獻(xiàn)。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(xué)家提出在地球靜止 軌道上建造定點(diǎn)衛(wèi)

3、星電站，充分利用太陽(yáng)能發(fā)電。 研究表明，太陽(yáng)每小時(shí)輻射到地球的能量微波輸電技術(shù) 無(wú)線電波的彌散一個(gè)辦法是使約為18萬(wàn)兆瓦，相當(dāng)于燃燒90兆噸優(yōu)質(zhì)煤的熱量。 顯然，太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭且 無(wú)污染的能源。電站距離地面 3. 6萬(wàn)公里，不可能用導(dǎo)線把電能送到地面。微波輸電的過(guò) 程是把太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的直流電能，用微波管轉(zhuǎn)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。 的最大困難在于無(wú)線電波的彌散與不期望的吸收與衰減。對(duì)于無(wú)線電通訊，問(wèn)題甚至不一定是件壞事， 但是卻可能給無(wú)線輸電帶來(lái)嚴(yán)重的傳輸效率問(wèn)題。用微波甚至激光傳輸，理論上，無(wú)線電

4、波波長(zhǎng)越短，其定向性越好，彌散越小。有人擔(dān)心此 技術(shù)可能給人帶來(lái)健康風(fēng)險(xiǎn)，雖然尚無(wú)太多證據(jù)證實(shí)這種風(fēng)險(xiǎn)。2、微波輸電原理最早產(chǎn)生微波輸能設(shè)想的事尼古拉特斯拉(Nikola Tesla)，因而有人稱(chēng)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(shí)驗(yàn)。特斯拉構(gòu) 想的微波電能傳輸方法是把地球作為內(nèi)導(dǎo)體，把地球電離層作為外導(dǎo)體，通過(guò)放8 Hz的低頻大發(fā)射機(jī)以徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起大約 共振，利用環(huán)繞地球表面電池來(lái)傳輸能量。最終因財(cái)力不足，特斯拉的大膽構(gòu)想 沒(méi)能實(shí)現(xiàn)。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(dǎo)波可達(dá)近10

5、0%勺傳輸效率，并隨后在反射波束導(dǎo)波系統(tǒng)上得到了驗(yàn)證。20世紀(jì)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?shù)?定向天線。20世紀(jì)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?shù)膶?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)， 使這一概念 變成了現(xiàn)實(shí)。在試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一種效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的半波電偶極子半導(dǎo)體二極 管整流天線，將頻率2.45GHz的微波能量轉(zhuǎn)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(diǎn)亮了一個(gè)離電 源約2m遠(yuǎn)的60W電燈泡，這項(xiàng)技術(shù)被稱(chēng)為 Witricity（ 無(wú)線電力

6、）。該項(xiàng)研究小 組在試驗(yàn)中使用了兩個(gè)直徑為50c m的銅線圈，通過(guò)調(diào)整發(fā)射頻率使兩個(gè)線圈在 10MHz產(chǎn)生共振，從而成功點(diǎn)亮了距離電力發(fā)射端2m以夕卜ide 一盞60W丁泡。所謂微波輸電（Wireless Power Transmission, 簡(jiǎn)稱(chēng)WPT）就是用微波源把 直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉?，然后由天線發(fā)射出去；大功率的電磁射束通過(guò)自由空間后被 接受天線收集，經(jīng)微波整流器后重新轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟?它的實(shí)質(zhì)就是用微波束來(lái)代 替輸電導(dǎo)線，通過(guò)自由空間把電能從一處輸送到另一處。如：上世紀(jì)60年代,William C.Brow n向世人展示的微波傳輸電能系統(tǒng)。該微波傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接受天線 3

7、部分。微波源內(nèi)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(guò)同 軸電纜連接至和波導(dǎo)管之間的適配器上； 亞鐵酸鹽的循環(huán)器連接在波導(dǎo)管上，使 波導(dǎo)管和發(fā)射天線相匹配。發(fā)射天線包含 8個(gè)部分，每個(gè)部分上都有8個(gè)縫隙。 這64個(gè)縫隙均勻的向外發(fā)射電磁波。這種開(kāi)孔的波導(dǎo)天線很適合用于微波電能 傳輸，因?yàn)樗懈哌_(dá)95%勺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(lái)收集微波并把它轉(zhuǎn)換成直流電，在布朗展示的系統(tǒng)中該接受天線用 25%勺 收集和轉(zhuǎn)換率，這種天線在2.45GHz測(cè)試時(shí)曾經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)90%勺效率。傳輸 距離比較遠(yuǎn)后，增強(qiáng)天線的方向性和效率會(huì)十分困難。

8、自從Brown實(shí)驗(yàn)獲得成功以后，人們開(kāi)始對(duì)微波輸電技術(shù)產(chǎn)生了興趣。斯坦 福大學(xué)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(dǎo)中以 低損耗的TE001模式傳輸GW量級(jí)的高功率微波潛在的可行性。他們?cè)O(shè)想用圓波 導(dǎo)傳輸?shù)奈⒉芰縼?lái)驅(qū)動(dòng)城市交通工具（如封閉的有軌電車(chē)或地鐵）。據(jù)估計(jì)，如 果傳輸頻率在10GHz的 TE001波模，沒(méi)傳輸1000km的損耗約5%但是由于大截 面圓波導(dǎo)加工的困難和事件傳輸過(guò)程中波導(dǎo)模式的轉(zhuǎn)換使得損耗增加，所以沒(méi)有得到工程上的實(shí)施。在美國(guó)宇航局的支持下，1975年開(kāi)始了微波輸電地面試驗(yàn)的五年計(jì)劃，由噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室和Lewis科研中心承擔(dān)，將30kW的微波無(wú)

9、線輸送1.6km,微波2直流的轉(zhuǎn)換效率為83.從80年代末起，某些微波輸電試驗(yàn)放在空間 2地面、空 間2空間之間進(jìn)行，現(xiàn)在空間站上的微波輸電試驗(yàn)正在進(jìn)行著。1991年華盛頓ARCOI力技術(shù)公司使用頻率35GHz毫米波，整流天線的轉(zhuǎn)換效率為72%毫米波 段的優(yōu)點(diǎn)是天線的孔徑較小。缺點(diǎn)是毫米波源的效率比厘米波低，器件的價(jià)格也 比較貴，還有波束傳播過(guò)程中的雨衰問(wèn)題。上世紀(jì)60年代，William C.Brown向世人展示的微波傳輸電能系統(tǒng)。由于全球氣候不斷變熱，以及有限的地球初級(jí)能源儲(chǔ)量和熱核聚變能的應(yīng)用 還很遙遠(yuǎn)（可能至少在40年以后），微波輸電技術(shù)和衛(wèi)星太陽(yáng)能電站的前景在 21世紀(jì)越來(lái)越受到國(guó)際

10、社會(huì)科技界的關(guān)注。日本和法國(guó)初級(jí)能源短缺，對(duì)微波 輸電技術(shù)和衛(wèi)星太陽(yáng)能電站表現(xiàn)得特別積極。1996年京都大學(xué)與莫斯科大學(xué)開(kāi) 展了微波輸電的技術(shù)合作，并購(gòu)買(mǎi)了回旋波整流器。日本人研制了衛(wèi)星太陽(yáng)能站 的教學(xué)模型，進(jìn)行了給氣球和飛機(jī)模型的輸電實(shí)驗(yàn)。2001年在日本召開(kāi)了關(guān)于衛(wèi)星太陽(yáng)能電站的研討會(huì)，日本京都大學(xué)擔(dān)負(fù)領(lǐng)頭的角色。跟莫斯科大學(xué)合作， 日本政府在2000年進(jìn)行微波輸電技術(shù)中間工程的試驗(yàn)，將在赤道上空運(yùn)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(yáng)能電站。這項(xiàng)工程的主要準(zhǔn)備工作和預(yù)先研究都由京都大學(xué)的Matsumoto、Shinohara 等人承擔(dān)

11、，此外還有 Mitsubishi 電氣公司、Matsushita 公司等。1994年在法國(guó)留尼旺島召開(kāi)了微波輸電技術(shù)研討會(huì)?，F(xiàn)在法國(guó)人也正 在進(jìn)行微波輸電試驗(yàn)，在印度洋西部留尼旺島生態(tài)敏感的峽谷，將適當(dāng)?shù)奈⒉üβ蕚鬏?00m距離，用來(lái)研究微波輸電的生態(tài)效應(yīng)。3、微波輸電的研究與應(yīng)用展望（1）在宇宙空間，微波是理想的傳輸媒介，它通過(guò)地球大氣層時(shí)，損耗很低, 僅為2%左右。微波輸電使電力發(fā)、送、供、用的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，不再像傳統(tǒng)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(jīng)濟(jì)、不合理的狀況，彌補(bǔ)地面 電站、電網(wǎng)網(wǎng)的分布不足，例如沙漠、海島、偏僻的山區(qū)、待開(kāi)發(fā)的南極大陸和 北冰洋等，微波

12、傳送可為這些地方供電。tt!味圖I 3陽(yáng)懺捋-熱圖瞪TI花富旬天去E（3）可在地球上空的靜止軌道上建 設(shè)定點(diǎn)衛(wèi)星電站，充分利用太陽(yáng)能發(fā) 電，減少二氧化碳排放，有利于環(huán)境 保護(hù)。建設(shè)衛(wèi)星太陽(yáng)能電站是擺脫未 來(lái)能源危機(jī)的重要途徑。盡管地球上 大部分能源來(lái)自太陽(yáng)能，但是它們主 要靠植物進(jìn)行轉(zhuǎn)換，直接用于開(kāi)發(fā)點(diǎn) 的微乎其微。因?yàn)樵诘厍虮砻娼ㄔ焯?陽(yáng)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(yáng)；（d）易受到的污染和風(fēng)、霜、雨、雪的侵蝕；（e）太陽(yáng)光穿過(guò)大氣層時(shí) 一部分能量被吸收掉，沒(méi)有被地面的太陽(yáng)

13、能電站充分利用。 因此，將太陽(yáng)能電站 建在宇宙空間自然是理想的選擇。 淡然這也會(huì)帶來(lái)其他的困難，譬如，電站建筑 材料如何運(yùn)往空間，空間平臺(tái)的軌道和姿態(tài)如何保持，空間電能怎樣往地賣(mài)弄輸 送等一些列問(wèn)題。在這種特殊的場(chǎng)合下，架設(shè)輸電線路是不可能的，微波輸電無(wú) 疑使唯一的選擇。（4）微波傳輸系統(tǒng)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(yīng)用，首先要考慮微波源的能量轉(zhuǎn)換效率。在厘米波段，磁控 管和放大管的效率可分別達(dá)到 90唏口 80%而理論上效率最高的磁旋束管放大器 可達(dá)到100%放大系數(shù)無(wú)限大。旋束管放大器在俄羅斯研究了很多年，美國(guó)海軍 實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在也正在研究中。它不僅效

14、率高，而且能夠?qū)崿F(xiàn)大功率倍頻，頻率穩(wěn)定 度好，在加速器技術(shù)、多普勒雷達(dá)方面獲得應(yīng)用。若用于衛(wèi)星太陽(yáng)能電站，質(zhì)量、 體積、壽命等參數(shù)也是至關(guān)重要的。這是因?yàn)檫\(yùn)載火箭、航天飛機(jī)的有效運(yùn)荷載 約2.5%,質(zhì)量、體積的增大會(huì)大大增加發(fā)射費(fèi)用和難度。宇宙空間中背光一面 的溫度只有2.7K，而受陽(yáng)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(guān)鍵器件，它把微波能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。已?jīng)研 制成功的有回旋波微波整流器和肖特基勢(shì)壘整流器二極管，在實(shí)際使用中各有千秋。前者單個(gè)器件較重，但是可輸出 10kW以上的大功率和20kV以上的高

15、電壓， 工作性能穩(wěn)定，無(wú)高次再輻射構(gòu)成干擾，具有微波過(guò)載自我保護(hù)特性；后者質(zhì)量 輕，但是單管輸出的功率小（2W-6W電壓低（10V20V）、穩(wěn)定性差，存在高次 諧波再府城構(gòu)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(shì)。譬如功率為10GW勺衛(wèi)星研制出了一系列回旋波微波整流器產(chǎn)品,2太陽(yáng)能電站，要用數(shù)目月20億個(gè)肖特基勢(shì)壘整流器二極管，這將消耗大量的稀 有材料，安裝、連接、測(cè)試、維護(hù)也很費(fèi)力；若用回旋微波整流器，可以很好地 回避這些問(wèn)題。俄羅斯莫斯科大學(xué)宇宙能源動(dòng)力學(xué)和物理電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期從事 微波輸電的研究工作，與微波公司合作， 已用于

16、空間電能向地面?zhèn)鬏攲?shí)驗(yàn) 試驗(yàn)和低軌道軍用衛(wèi)星供電，并已 出售給日本空間和宇宙科學(xué)研究 所，在“自由號(hào)”國(guó)際空間站的日 本模塊上進(jìn)行試驗(yàn)。（6）大功率定向電磁波從空間 朝地面輸送時(shí)對(duì)壞境的考慮有:（a） 傳輸多大的能流密度對(duì)電離層的 擾動(dòng)沒(méi)有影響；（b）采用哪一個(gè)微 波電頻段對(duì)日常的通信部發(fā)生干 擾；（C）地面整流接受站在何處對(duì) 飛機(jī)等交通工具及周?chē)纳铮ㄈ?鳥(niǎo)類(lèi)、居民等）沒(méi)有不良作用；（d）地球靜止同步軌道上建造大面積的電站對(duì)地面有無(wú)效應(yīng)以及大量衛(wèi)星發(fā)射產(chǎn)生 的航天垃圾污染。實(shí)際上這些與使用高功率微波時(shí)所考慮的效應(yīng)是類(lèi)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(yùn)行，而高

17、功率微波僅在必要時(shí)使用。高功率微波的功率在 100MW以上，甚至達(dá)到1013MV而發(fā)射 天線的口徑又不大，因而能流密度很高。對(duì)于容量5GW勺衛(wèi)星太陽(yáng)能電站，微波 發(fā)射天線的口徑約1km能流沿波束被限制在25mw/cm以防止對(duì)電離層的擾動(dòng)， 在整流天線邊緣的能流密度已降低至 1卩m/cn2以下，與廣播臺(tái)、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(rèn)可的人類(lèi)微波照射安全標(biāo)準(zhǔn) 1Mw/cm。至于對(duì)通信的可能干擾，可以適當(dāng)?shù)剡x擇頻段和地面接收地點(diǎn)來(lái)避免。 另外，真空電子管快回旋電子束波微波整流器整流時(shí)沒(méi)有二次諧波的再輻射現(xiàn) 象。4、結(jié)束語(yǔ)微波輸能是一個(gè)綜合性的課題。它不僅包括與此直接有關(guān)的高

18、功率微波產(chǎn)生、 發(fā)射和接收等問(wèn)題，而且還包括生態(tài)、環(huán)境、電磁兼容等許多相關(guān)學(xué)科。1968年皮得格拉澤提出的SSPS計(jì)劃對(duì)微波輸電技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的 影響，并立即啟動(dòng)了有關(guān)課題的研究，經(jīng)過(guò)40多年的努力，微波輸能在技術(shù)上已趨成熟。當(dāng)前人們還在對(duì)高功率微波的產(chǎn)生、高效率傳輸、聚焦發(fā)射等核心課 程進(jìn)行研究。從目前的發(fā)展水平與趨勢(shì)來(lái)看，微波輸能必將成為本世紀(jì)的主要輸能方式。 國(guó)外成立了國(guó)際空間大學(xué)，其主要科學(xué)活動(dòng)是研究如何利用空間太陽(yáng)能。 我國(guó)是 一個(gè)人口大國(guó)，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(chǎn)業(yè)，會(huì)在能源危機(jī)中步入困境。這是一項(xiàng)涉及到國(guó)家政府決策機(jī)關(guān)、 科學(xué) 技術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)等部門(mén)的浩大的系統(tǒng)工程，需要各方鼎力相助、共同努力奮 斗才能實(shí)現(xiàn)這一宏偉藍(lán)圖。它的大規(guī)模實(shí)施不僅解決了未來(lái)世界范圍的能源供給 問(wèn)題，而且也是建立未來(lái)宇宙工業(yè)和人類(lèi)超越地球的先決條件，同時(shí)也將極大地帶動(dòng)和促進(jìn)相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 可能帶來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效率是不可估量的。 至 于建造衛(wèi)星太陽(yáng)能電站技術(shù)上的難點(diǎn)，現(xiàn)在正在逐步努力地攻克?？傊⒉ㄝ旊娂夹g(shù)與衛(wèi)星太陽(yáng)能電站是客觀現(xiàn)實(shí)，而不是科學(xué)幻想。盡管 具體實(shí)施起來(lái)要耗費(fèi)巨大的資金，但從它所帶來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)