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1、微波输电技术应用展望关键词：微波输电、卫星太阳能电站、功率、整流器1、前言 自从1882年法国人德普勒首次实现第一条直流输电线把电力送到57km远的慕尼黑国际博览会驱动水泵电动机，1891年第1条三相交流高压输电线在德国劳奋法兰克福竣工以来，开始了电力系统的传统直流和交流输电一个世纪的应用和发展，至今已形成较完善的高压输直流输电(high-voltage direct current 高压直流电 简称：HVAC)技术。但人类在这一个多世纪以来，输电的媒介都是使用金属导线。一是传统的铜、铝都是较昂贵的金属。架设输电线路势必需要大量的金属导线及配套的铁塔、电杆；二是在金属导线传输过程中会造成大量的
2、能量损失，电能在输送过程中一部分转换成热量浪费掉；三是架设输电线路需要大量的人力物力，并且会浪费许多宝贵的土地资源；四是随着各种新能源的开发、不同负荷对电力需求的多样化和技术、经济、环境等多方面的要求及传统HVDC和HVAV本身所固有的特征，使它们不能适应所有输电场合，于是多种新型输电方式的概念和技术被提出并得到积极地研究。微波输电就是其中一种。发展微波输电技术可以减肥少大量的电能传输设备的建设。在解决传输效率后输电的损耗也将大大改善，由此将会在节约能源、节约资源方面为国家做出不可估量的贡献。随着地球上石油、煤炭资源的日益枯竭和环境污染的不断加剧，科学家提出在地球静止轨道上建造定点卫星电站，充
3、分利用太阳能发电。研究表明，太阳每小时辐射到地球的能量约为18万兆瓦，相当于燃烧90兆吨优质煤的热量。显然，太阳能是取之不尽、用之不竭且无污染的能源。电站距离地面36万公里，不可能用导线把电能送到地面。微波输电的过程是把太阳能电池产生的直流电能，用微波管转换成微波波束，由天线发射到地面接收站，再还原成电能输送出去。由天线发射到地面接收站，再还原成电能输送出去。微波输电技术的最大困难在于无线电波的弥散与不期望的吸收与衰减。对于无线电通讯，无线电波的弥散问题甚至不一定是件坏事，但是却可能给无线输电带来严重的传输效率问题。一个办法是使用微波甚至激光传输，理论上，无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越
4、小。有人担心此技术可能给人带来健康风险，虽然尚无太多证据证实这种风险。2、微波输电原理最早产生微波输能设想的事尼古拉特斯拉(Nikola Tesla)，因而有人称之为微波电能传输之父。1890年，特斯拉就做出了微波电能传输实验。特斯拉构想的微波电能传输方法是把地球作为内导体，把地球电离层作为外导体，通过放大发射机以径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8 Hz的低频共振，利用环绕地球表面电池来传输能量。最终因财力不足，特斯拉的大胆构想没能实现。其后，古博(Goubau)、施瓦固(Sohweing)等人从理论上推算了自由空间波束导波可达近100%的传输效率，并随后在反射波束导波系统上得
5、到了验证。20世纪20年代中期，日本的H.Yagi和S.Uda发明了可用于微波电能传输的定向天线。20世纪60年代初期雷声公司(Raytheon)的布朗(W.C.Brown)做了大量的微波电能传输研究工作，从而奠定了微波电能传输的实验基础，使这一概念变成了现实。在试验中设计了一种效率高、结构简单的半波电偶极子半导体二极管整流天线，将频率2.45GHz的微波能量转换为直流电。近几年，微波电能输送发展更是迅速。MIT在2007年6月宣布，利用电磁共振成功地点亮了一个离电源约2m远的60W电灯泡，这项技术被称为Witricity(无线电力)。该项研究小组在试验中使用了两个直径为50cm的铜线圈，通过
6、调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振，从而成功点亮了距离电力发射端2m以外ide一盏60W灯泡。所谓微波输电(Wireless Power Transmission,简称WPT)，就是用微波源把直流电转变为微波，然后由天线发射出去；大功率的电磁射束通过自由空间后被接受天线收集，经微波整流器后重新转变为直流电。它的实质就是用微波束来代替输电导线，通过自由空间把电能从一处输送到另一处。如：图直流电变换成微波波束成型自由空间接 受整 流上世纪60年代，William C.Brown向世人展示的微波传输电能系统。 该微波传输系统包括微波源、发射天线、接受天线3部分。微波源内有磁控制管，能控制源在
7、2.45GHz频段输出5200W的功率；微波源输出的能量通过同轴电缆连接至和波导管之间的适配器上；亚铁酸盐的循环器连接在波导管上，使波导管和发射天线相匹配。发射天线包含8个部分，每个部分上都有8个缝隙。这64个缝隙均匀的向外发射电磁波。这种开孔的波导天线很适合用于微波电能传输，因为它有高达95%的孔径效率和很高的能量捕捉能力。硅控整流二极管天线用来收集微波并把它转换成直流电，在布朗展示的系统中该接受天线用25%的收集和转换率，这种天线在2.45GHz测试时曾经达到甚至超过90%的效率。传输距离比较远后，增强天线的方向性和效率会十分困难。 自从Brown实验获得成功以后，人们开始对微波输电技术产
8、生了兴趣。斯坦福大学的Dunn和他的同事也惊醒了理论研究，并证明了在半径1m的圆波导中以低损耗的TE001模式传输GW量级的高功率微波潜在的可行性。他们设想用圆波导传输的微波能量来驱动城市交通工具(如封闭的有轨电车或地铁)。据估计，如果传输频率在10GHz的TE001波模，没传输1000km的损耗约5%。但是由于大截面圆波导加工的困难和事件传输过程中波导模式的转换使得损耗增加，所以没有得到工程上的实施。在美国宇航局的支持下，1975年开始了微波输电地面试验的五年计划，由喷气发动机实验室和Lewis科研中心承担，将30kW的微波无线输送1.6km，微波2直流的转换效率为83.从80年代末起，某些
9、微波输电试验放在空间2地面、空间2空间之间进行，现在空间站上的微波输电试验正在进行着。1991年华盛顿ARCO电力技术公司使用频率35GHz毫米波，整流天线的转换效率为72%。毫米波段的优点是天线的孔径较小。缺点是毫米波源的效率比厘米波低，器件的价格也比较贵，还有波束传播过程中的雨衰问题。上世纪60年代，William C.Brown向世人展示的微波传输电能系统。由于全球气候不断变热，以及有限的地球初级能源储量和热核聚变能的应用还很遥远（可能至少在40年以后），微波输电技术和卫星太阳能电站的前景在21世纪越来越受到国际社会科技界的关注。日本和法国初级能源短缺，对微波输电技术和卫星太阳能电站表现
10、得特别积极。1996年京都大学与莫斯科大学开展了微波输电的技术合作，并购买了回旋波整流器。日本人研制了卫星太阳能站的教学模型，进行了给气球和飞机模型的输电实验。2001年在日本召开了关于卫星太阳能电站的研讨会，日本京都大学担负领头的角色。跟莫斯科大学合作，日本政府在2000年进行微波输电技术中间工程的试验，将在赤道上空运行卫星的微波能量送到地球表面的整流天线阵，并宣布在2040年建成功率为100kw的卫星太阳能电站。这项工程的主要准备工作和预先研究都由京都大学的Matsumoto、Shinohara等人承担，此外还有Mitsubishi电气公司、Matsushita公司等。1994年在法国留尼
11、旺岛召开了微波输电技术研讨会。现在法国人也正在进行微波输电试验，在印度洋西部留尼旺岛生态敏感的峡谷，将适当的微波功率传输700m距离，用来研究微波输电的生态效应。3、微波输电的研究与应用展望 (1)在宇宙空间，微波是理想的传输媒介，它通过地球大气层时，损耗很低，仅为2%左右。微波输电使电力发、送、供、用的结构变得简单，不再像传统方式那般繁琐。(2)能够改变因能源分布不均衡造成的输电部经济、不合理的状况，弥补地面电站、电网网的分布不足，例如沙漠、海岛、偏僻的山区、待开发的南极大陆和北冰洋等，微波传送可为这些地方供电。(3)可在地球上空的静止轨道上建设定点卫星电站，充分利用太阳能发电，减少二氧化碳
12、排放，有利于环境保护。建设卫星太阳能电站是摆脱未来能源危机的重要途径。尽管地球上大部分能源来自太阳能，但是它们主要靠植物进行转换，直接用于开发点的微乎其微。因为在地球表面建造太阳能电站受到下列因素的限制：(a)地球表面的日照受到昼夜、季节、天气和气候的影响特别大；(b)要占用大面积的土地；(c)难以使大面积的定向镜跟踪太阳；(d)易受到的污染和风、霜、雨、雪的侵蚀；(e)太阳光穿过大气层时一部分能量被吸收掉，没有被地面的太阳能电站充分利用。因此，将太阳能电站建在宇宙空间自然是理想的选择。淡然这也会带来其他的困难，譬如，电站建筑材料如何运往空间，空间平台的轨道和姿态如何保持，空间电能怎样往地卖弄
13、输送等一些列问题。在这种特殊的场合下，架设输电线路是不可能的，微波输电无疑使唯一的选择。(4)微波传输系统包括微波源、发射天线和地面接收天线、微波整流器、连接元件等。作为输电应用，首先要考虑微波源的能量转换效率。在厘米波段，磁控管和放大管的效率可分别达到90%和80%，而理论上效率最高的磁旋束管放大器可达到100%,放大系数无限大。旋束管放大器在俄罗斯研究了很多年，美国海军实验室现在也正在研究中。它不仅效率高，而且能够实现大功率倍频，频率稳定度好，在加速器技术、多普勒雷达方面获得应用。若用于卫星太阳能电站，质量、体积、寿命等参数也是至关重要的。这是因为运载火箭、航天飞机的有效运荷载约2.5%，
14、质量、体积的增大会大大增加发射费用和难度。宇宙空间中背光一面的温度只有2.7K，而受阳光照射的器件表面温度较高，此外还有宇宙射线、陨石、航天垃圾等因素，所以在制造工艺方面有特殊的要求。(5)微波整流器是微波输电的关键器件，它把微波能量转变为直流电。已经研制成功的有回旋波微波整流器和肖特基势垒整流器二极管，在实际使用中各有千秋。前者单个器件较重，但是可输出10kW以上的大功率和20kV以上的高电压，工作性能稳定，无高次再辐射构成干扰，具有微波过载自我保护特性；后者质量轻，但是单管输出的功率小(2W6W)、电压低(10V20V)、稳定性差，存在高次谐波再府城构成的干扰。两者单管的整流效率相近，约8
15、5%。如果用于大功率整流，优先选择前者；若用小功率输电，后者占有优势。譬如功率为10GW的卫星太阳能电站，要用数目月20亿个肖特基势垒整流器二极管，这将消耗大量的稀有材料，安装、连接、测试、维护也很费力；若用回旋微波整流器，可以很好地回避这些问题。俄罗斯莫斯科大学宇宙能源动力学和物理电子学实验室长期从事微波输电的研究工作，与微波公司合作，研制出了一系列回旋波微波整流器产品，已用于空间电能向地面传输实验试验和低轨道军用卫星供电，并已出售给日本空间和宇宙科学研究所，在“自由号”国际空间站的日本模块上进行试验。(6)大功率定向电磁波从空间朝地面输送时对坏境的考虑有:(a)传输多大的能流密度对电离层的
16、扰动没有影响；(b)采用哪一个微波电频段对日常的通信部发生干扰；(c)地面整流接受站在何处对飞机等交通工具及周围的生物(如鸟类、居民等)没有不良作用；(d)地球静止同步轨道上建造大面积的电站对地面有无效应以及大量卫星发射产生的航天垃圾污染。实际上这些与使用高功率微波时所考虑的效应是类似的，但是两者在工作方式和影响程度上有显著的差别。电站要保证连续运行，而高功率微波仅在必要时使用。高功率微波的功率在100MW以上，甚至达到1013MW而发射天线的口径又不大，因而能流密度很高。对于容量5GW的卫星太阳能电站，微波发射天线的口径约1km，能流沿波束被限制在25mw/cm以防止对电离层的扰动，在整流天线边缘的能流密度已降低至1m/cm以下，与广播台、电视塔附近的电磁辐射能流密度相近甚至更小，低于一般认可的人类微波照射安全标准1Mw/cm。至于对通信的可能干扰，可以适当地选择频段和地面接收地点来避免。另外，真空电子管快回旋电子束波微波整流器整
