微波輸電技術(shù)應(yīng)用展望(共5頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上微波輸電技術(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)勞奮法蘭克?？⒐ひ詠?，開始了電力系統(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：HVAC)技術(shù)。但人類在這一個(gè)多世紀(jì)以來，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

2、導(dǎo)線傳輸過程中會(huì)造成大量的能量損失，電能在輸送過程中一部分轉(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

3、軌道上建造定點(diǎn)衛(wèi)星電站，充分利用太陽能發(fā)電。研究表明，太陽每小時(shí)輻射到地球的能量約為18萬兆瓦，相當(dāng)于燃燒90兆噸優(yōu)質(zhì)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(dǎo)線把電能送到地面。微波輸電的過程是把太陽能電池產(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。微波輸電技術(shù)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(duì)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(yán)重的傳輸效率問題。一個(gè)辦法是使用微波甚至激光傳輸，理論上，無線電波波長(zhǎng)

4、越短，其定向性越好，彌散越小。有人擔(dān)心此技術(shù)可能給人帶來健康風(fēng)險(xiǎn)，雖然尚無太多證據(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，通過放大發(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(cái)力不足，特斯拉的大膽構(gòu)想沒能實(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100%的

5、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)亩ㄏ蛱炀€。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)被稱為Witricity(無線電力)。該項(xiàng)研究小組在試驗(yàn)中

6、使用了兩個(gè)直徑為50cm的銅線圈，通過調(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以外ide一盞60W燈泡。所謂微波輸電(Wireless Power Transmission,簡(jiǎn)稱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Ｋ膶?shí)質(zhì)就是用微波束來代替輸電導(dǎo)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(jì)60年代，William C.Brown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

7、3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%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(zhuǎn)換成直流電，在布朗展示的系統(tǒng)中該接受天線用25%的收集和轉(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90%的效率。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。 自從Brown實(shí)驗(yàn)

8、獲得成功以后，人們開始對(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芰縼眚?qū)動(dòng)城市交通工具(如封閉的有軌電車或地鐵)。據(jù)估計(jì)，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(dǎo)加工的困難和事件傳輸過程中波導(dǎo)模式的轉(zhuǎn)換使得損耗增加，所以沒有得到工程上的實(shí)施。在美國(guó)宇航局的支持下，1975年開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的微波無線輸送1.6km，微波2直流

9、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ARCO電力技術(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，還有波束傳播過程中的雨衰問題。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)星太陽能電站的前景在21世紀(jì)越來越受到國(guó)際社會(huì)科技界的關(guān)注。日本和法國(guó)初級(jí)能源短

10、缺，對(duì)微波輸電技術(shù)和衛(wèi)星太陽能電站表現(xiàn)得特別積極。1996年京都大學(xué)與莫斯科大學(xué)開展了微波輸電的技術(shù)合作，并購(gòu)買了回旋波整流器。日本人研制了衛(wèi)星太陽能站的教學(xué)模型，進(jìn)行了給氣球和飛機(jī)模型的輸電實(shí)驗(yàn)。2001年在日本召開了關(guān)于衛(wèi)星太陽能電站的研討會(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)，此外還有Mitsubishi電氣公司、Matsu

11、shita公司等。1994年在法國(guó)留尼旺島召開了微波輸電技術(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(shè)定點(diǎn)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(hù)。建設(shè)衛(wèi)星太陽能電站是擺脫未來能源危機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，直接用于開發(fā)點(diǎn)的微乎其微。因?yàn)樵诘厍虮砻娼ㄔ焯柲茈娬臼艿较铝幸蛩氐南拗疲?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(fēng)、霜、雨、雪的侵蝕；(e)太陽光穿過大氣層時(shí)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(huì)帶來其他的困難，譬如，電站建筑材料如何運(yùn)往空間，空間平臺(tái)的軌

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(chǎng)合下，架設(shè)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(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%和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

14、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)橹绷麟姟Ｒ呀?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以上的高電壓，工作性能穩(wěn)定，無高次再輻射構(gòu)成干擾，具有微波過載自我保護(hù)特性；后者質(zhì)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(gòu)

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(shì)。譬如功率為10GW的衛(wèi)星太陽能電站，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，研制出了一系列回旋波微波整流器產(chǎn)品，已用于空間電能向地面?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

16、有:(a)傳輸多大的能流密度對(duì)電離層的擾動(dòng)沒有影響；(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(duì)地面有無效應(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1013MW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(duì)電離層的擾動(dòng)，在整流天線邊緣的能流密度已降低至1m/cm²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)可的人類微波照射安全標(biāo)準(zhǔn)1Mw/cm²。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)沒有二次諧波的再輻射現(xiàn)象。4、結(jié)束語 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)的高功率微波產(chǎn)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(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

18、題的研究，經(jīng)過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(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)星太陽能電站技術(shù)上的難點(diǎn)，現(xiàn)在正在逐步努力地攻克。 總之，微波輸電技術(shù)與衛(wèi)星太陽能電站是客觀現(xiàn)實(shí)，而不是科學(xué)幻想。盡管具體實(shí)施起來要耗費(fèi)巨大的資金，但從它所帶來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和所具有的戰(zhàn)略