空間太陽能電站無線能量傳輸技術(shù)

李維（北京空間機電研究所）

空間太陽能電站無線能量傳輸技術(shù)

李維（北京空間機電研究所）

21世紀(jì)人類面臨著非常嚴峻的能源形勢。太陽能是持久穩(wěn)定的清潔能源，大規(guī)模開發(fā)利用太陽能將有希望徹底解決人類的能源危機。空間太陽能電站是高效利用太陽能的有效途徑，受到了國際的廣泛關(guān)注。空間無線能量傳輸是實現(xiàn)空間太陽能電站的核心關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外已對基于微波與激光的無線能量傳輸技術(shù)開展研究。

微波無線能量傳輸技術(shù)可以追溯到1899年，長時間的發(fā)展使該技術(shù)成熟度高，特別是微波發(fā)射及接收器件的更新?lián)Q代，也讓微波無線能量傳輸技術(shù)成為最早納入空間太陽能電站設(shè)想的核心技術(shù)。激光無線能量傳輸技術(shù)興起于2000年左右，隨著大功率激光技術(shù)，特別是太陽能直接泵浦激光技術(shù)的發(fā)展，使得此項技術(shù)有望解決微波傳輸技術(shù)的某些瓶頸問題。隨著空間太陽能電站方案論證的不斷深入，世界各國研究人員相繼進行技術(shù)的遴選和攻關(guān)，這勢必會使空間太陽能電站的發(fā)展進入一個嶄新的時代。

格雷澤博士提出的空間太陽能電站設(shè)想

1　引言

空間太陽能電站是人類開發(fā)利用空間資源的宏偉空間工程，是航天領(lǐng)域與能源領(lǐng)域完美的結(jié)合點，它將可能成為人類在21世紀(jì)解決能源問題的重要途經(jīng)之一。空間太陽能電站不僅是一項重大的科技工程，還具有重要的政治、軍事意義，是國家政治、經(jīng)濟、科技和軍事實力的很好體現(xiàn)。

1968年，美國的彼得·格雷澤（Peter Glaser）博士首次提出建立空間太陽能電站的構(gòu)想。之后空間太陽能電站概念得到國際各發(fā)達國家的廣泛關(guān)注。2000年以后，日本、美國、俄羅斯、歐洲、印度等國家和組織都提出了在未來建設(shè)空間太陽能電站演示或商業(yè)系統(tǒng)的計劃。2009年，日本宣布將投資200億美元，在2030-2040年左右構(gòu)建第一個商業(yè)空間太陽能電站系統(tǒng)。根據(jù)日本2012年提出的最新空間太陽能電站發(fā)展路線圖，將于2020年前利用小衛(wèi)星或“國際空間站”上的日本實驗艙（JEM）開展低軌無線能量傳輸驗證；2030年前完成100千瓦～200兆瓦級的系統(tǒng)驗證；2035年左右研制1GW商業(yè)系統(tǒng)。

我國目前在空間太陽能電站研究方面處于起步階段，正在開展空間太陽能電站的概念方案和關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，力爭通過技術(shù)基礎(chǔ)的積累，使我國具備在地球同步軌道開拓空間能源的能力，促進我國航天技術(shù)領(lǐng)域的可持續(xù)性發(fā)展。相關(guān)研究工作也得到了航天、能源等領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛關(guān)注。

空間太陽能電站是指在空間將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過無線方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)，主要由太陽能收集系統(tǒng)、太陽能傳輸系統(tǒng)、地面接收系統(tǒng)三部分組成。空間太陽能電站研究已經(jīng)超過40年，根據(jù)目前的發(fā)展計劃，距真正的商業(yè)化空間太陽能電站的實現(xiàn)至少還需30年左右。由于規(guī)模巨大，對技術(shù)發(fā)展提出了巨大的挑戰(zhàn)。其中無線能量傳輸技術(shù)是太陽能傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)空間太陽能電站的主要關(guān)鍵技術(shù)。

微波無線能量傳輸系統(tǒng)的組成

第一個以微波為動力的直升機

2　微波無線能量傳輸技術(shù)

微波無線能量傳輸技術(shù)（MPT）是由比爾·布朗基于電能可以由電磁波傳輸?shù)募僭O(shè)提出。1899年，特斯拉首次用特斯拉線圈實驗驗證了無線電波傳輸電力的理論。隨著20世紀(jì)末能源危機日益顯現(xiàn)，美國、日本等能源需求大國開始對基于微波無線能量傳輸技術(shù)的空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星計劃進行規(guī)劃、實驗和驗證，這成為該技術(shù)一個最重要的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展動力。

微波無線能量傳輸系統(tǒng)的主要構(gòu)成

微波無線能量傳輸系統(tǒng)主要由微波功率發(fā)生器、微波發(fā)射天線、微波接收和整流天線三部分組成，目的是將直流電能轉(zhuǎn)化為微波，并通過自由空間進行傳輸，在到達接收部分后再次轉(zhuǎn)換為直流電能。

微波功率發(fā)生器的作用是將直流電轉(zhuǎn)換成微波，常用的微波發(fā)生器有電子管（包括磁控管、行波管、速調(diào)管等）、半導(dǎo)體和混合型固態(tài)器件等。微波電子管的特性是高效率和高功率輸出，且使用成本低，使用范圍廣。

微波無線能量傳輸技術(shù)發(fā)展

早在100年前，特斯拉用工作電壓100MV、頻率150kHz的電磁波發(fā)生器產(chǎn)生非定向電磁輻射，成功地點亮了兩盞白熾燈，這就是最初的無線輸電實驗室演示，從那時起無線輸電的概念問世了。到20世紀(jì)20年代中期，日本科學(xué)家論述了無線輸電概念的可行性；30年代初期美國的研究者也開始了不用導(dǎo)線點亮電燈的輸電方案的探討。

隨著大功率、高效率真空電子管微波源的研制成功，20世紀(jì)60年代初期雷神（Raytheon）公司的研究人員做了大量的無線輸電研究工作，從而奠定了無線輸電的實驗基礎(chǔ)，使這一概念變成了現(xiàn)實。在實驗中設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單、高效率的半渡電偶極子半導(dǎo)體二極管整流天線，把它放在用來反射電磁渡的導(dǎo)電平板之上，純電阻作為負載，用低噪聲、高效率的放大管和磁控管作為微波源，將頻率2.45GHz的微波能量轉(zhuǎn)換為直流電。該公司在20世紀(jì)60-70年代之間做了一系列實驗，實驗方法不斷改進(從喇叭天線、反射面天線到相控陣天線，從一般的二極管到勢壘二極管等)，射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電的效率也不斷提高。1977年所做的實驗中使用GaAs-Pt肖特基勢壘二極管，用鋁條構(gòu)造半渡電偶極子和傳輸線，輸入微波的功率為8W，獲得了90.6%的微波-直流電整流效率。后來改用印刷薄膜，在頻率2.45GHz時效率為85%。經(jīng)過多年的精心研究，演示了直流到直流的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率達到54%。

自此以后，人們開始對無線輸電技術(shù)產(chǎn)生了興趣。斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們也進行了理論研究，并證明在半徑lm的圓波導(dǎo)中以低損耗傳輸吉瓦量級的高功率微波潛在的可行性。他們設(shè)想用圓波導(dǎo)傳輸?shù)奈⒉芰縼眚?qū)動城市交通工具（如封閉的有軌電車或地鐵)。據(jù)估計，如果傳輸頻率10GHz的強波模，每傳輸1000km的損耗約5%。但是由于大截面圓波導(dǎo)加工困難和實際傳輸過程中波導(dǎo)模式的轉(zhuǎn)換使得損耗增加，所以沒有得到工程上的實施。

1975年美國噴氣推進實驗室進行的地面微波輸能實驗

在美國航空航天局的支持下，1975年開始了無線輸電地面實驗的5年計劃，由噴氣推進實驗室和Lewis科研中心承擔(dān)，將30kW的微波無線輸送1.6km，微波-直流的轉(zhuǎn)換效率83%。從20世紀(jì)80年代末起，某些無線輸電試驗放在空間-地面、空間-空間之間進行，現(xiàn)在空間站上的無線輸電試驗正在進行著。1991年華盛頓ARCO電力技術(shù)公司使用頻率35GHz的毫米波，整流天線的轉(zhuǎn)換效率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，器件的價格也較貴，還有波束傳播的雨衰問題。由于無線通信頻率的擴展，為了避免對2.45GHz頻段通信潛在的干擾，美國航空航天局傾向于把5.8GHz的頻率用于無線輸電。這兩個頻率點的大氣穿透性都很好，相應(yīng)元器件的轉(zhuǎn)換效率都很高，價格也便宜。1998年5.8GHz印刷電偶極子整流天線陣轉(zhuǎn)換效率82%。近些年來也發(fā)展了微帶整流天線和圓極化整流天線。

蘇聯(lián)在無線輸電方面也進行了大量的研究。20世紀(jì)50年代末期無線輸電理論和實驗研究拉開了序幕，專門設(shè)計了名為Planatron的微波器件，用來產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換微波功率。在他看來，未來微波電子學(xué)的主要研究方向就是微波電力工程，設(shè)計大功率、高效率的微波發(fā)生器和微波-直流電轉(zhuǎn)換器是無線輸電最緊迫的問題。在莫斯科大學(xué)，相關(guān)研究組在無線輸電與空間太陽能電站方面進行了大量的理論與實驗研究(包括系統(tǒng)、子系統(tǒng)的設(shè)計和相關(guān)的微波器件的研制等)，與微波公司合作，他們研制出了一系列無線輸電器件。

1979年美國航空航天局模型

應(yīng)用于空間太陽能電站的研究進展

將無線能量傳輸技術(shù)應(yīng)用于空間太陽能電站中這個設(shè)想已經(jīng)走過了幾十個年頭。1970年《微波能量雜志》發(fā)布了一期特殊版，專門奉獻給有關(guān)衛(wèi)星太陽能電站方面問題的探討。1971年格雷澤提出的這一想法獲得美國專利證書。1年以后形成了專門的研究單位，其中包括格魯曼航天公司、雷神公司和德事隆公司。1973年美國國會撥出大約30億美元，委托美國航空航天局領(lǐng)導(dǎo)太陽能利用方面的研究工作，其中特別強調(diào)了研究衛(wèi)星太陽能電站方案的必要性和重要性。從那時起，空間太陽能電站在美國航空航天局Lewis研究中心立項。

將微波電力傳輸和空間太陽能電站相結(jié)合的一個重要里程碑，是從1977年開始為期1年的能源部/美國航空航天局衛(wèi)星動力系統(tǒng)方案研究和論證計劃。該計劃是為太陽能發(fā)電衛(wèi)星的研究而開展的，計劃從一顆太陽能發(fā)電衛(wèi)星上將5～10GW的電力通過微波波束傳輸?shù)降孛娴墓枵鞫O管天線。該計劃的提出引發(fā)了世界上對于微波無線能量傳輸技術(shù)發(fā)展的浪潮，許多國家開始實驗和驗證該技術(shù)，并開發(fā)各種應(yīng)用領(lǐng)域。

從20世紀(jì)70年代末期，微波無線輸電和空間太陽能電站在蘇聯(lián)的許多國家重點研究所(包括科學(xué)院和一些工業(yè)部門的研究所)和一些重點大學(xué)的研究開始活躍起來。在近20來年的時間內(nèi)，日本、法國、德國、俄羅斯、美國、加拿大在無線輸電方面開展了大量的理論和實驗研究工作，取得了顯著的成果，并派生出了除空間太陽能電站以外的許多其他應(yīng)用領(lǐng)域。

由于全球氣候不斷變暖、有限的地球初級能源儲量和熱核聚變能的應(yīng)用還很遙遠(可能至少在40年以后)，無線輸電技術(shù)和空間太陽能電站的前景在2l世紀(jì)越來越受到國際社會科技界的關(guān)注。日本能源短缺，對無線輸電技術(shù)和空間太陽能電站表現(xiàn)得特別積極。1996年京都大學(xué)與莫斯科大學(xué)開展了無線輸電的技術(shù)合作，并購買了回旋波整流器。日本人研制了空間太陽能電站的教學(xué)模型，進行了氣球和飛機模型的無線輸電實驗。2001年在日本召開了關(guān)于空間太陽能電站的研討會，日本京都大學(xué)擔(dān)負領(lǐng)頭的角色。跟莫斯科大學(xué)合作，日本政府在2000年進行微波無線輸電技術(shù)中間工程的試驗，將在赤道上空運行的衛(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的空間太陽能電站。這項工程主要準(zhǔn)備工作和預(yù)先研究是由京都大學(xué)的學(xué)者承擔(dān)，此外還有三菱（Mitsubishi）電氣公司、松下（Matsushita）公司等。

美國在2008-2011年間積極開展相關(guān)試驗，先后完成了地面100km的微波無線能量傳輸試驗，進行了20km高度飛艇的能量補給試驗、100千瓦級空間太陽能電站平臺地面試驗，以及20kW微波驅(qū)動月球車的地面試驗。

2009年日本京都大學(xué)在離地30m的飛艇上進行的空中無線微波傳輸實驗

美國進行的100km的地面能量傳輸實驗

激光無線能量傳輸技術(shù)

3　激光無線能量傳輸技術(shù)

激光無線能量傳輸技術(shù)開展得相對較晚，但是由于激光本身特性，使得這種無線能量傳輸方式顯現(xiàn)出獨特優(yōu)勢：能量傳輸集中，在可見光與近紅外波段具有大氣傳輸窗口，地面接收設(shè)備小，造價便宜。

空間太陽能電站對激光無線能量傳輸技術(shù)的需求

（1）傳輸效率

空間太陽能電站是將空間資源進行收集，以微波能或激光能傳輸至地面設(shè)施。這種設(shè)計思想是想從根本上解決人類所面臨的不斷加劇的能源問題。所以能量的傳輸效率是核心問題，即如何保證收集到的空間太陽能盡可能高效率地傳輸至地面，減少大氣等環(huán)節(jié)對能量的損耗。

（2）波束指向與控制

在太陽能傳輸過程中，要保證能量波束與地面接收天線精確定向，對傳輸系統(tǒng)的波束指向與控制提出了很高的要求，也關(guān)系到空間太陽能電站的安全有效運行。以我國最新的太陽能電站總體設(shè)計方案為例，采用在平流層增設(shè)平流層飛艇進行能量中轉(zhuǎn)，在飛艇上攜帶有激光能量接收裝置，由于飛艇尺寸有限，所以光電轉(zhuǎn)換設(shè)備面積有限，激光傳輸波束需要很高的指向精度，并保證在接收端波束不發(fā)散。

（3）接收設(shè)備造價

微波無線能量傳輸技術(shù)雖然發(fā)展已久，但是考慮到微波使用的安全性，實際地面接收天線的能量密度比較低，致使接收設(shè)施面積很大，整體造價很高。激光傳輸方式所需發(fā)射和接收設(shè)備的口徑小，造價相對便宜，對于空間太陽能電站這樣巨大的航天系統(tǒng)工程，降低造價是非常重要的，關(guān)系到電站運行后的經(jīng)濟收益。

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)2004激光基礎(chǔ)單元

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)激光發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)成

（4）環(huán)境及安全影響

在大氣層內(nèi)用較強微波傳輸會對人及生物產(chǎn)生影響，所以不能使用過強的微波傳輸，限制了微波傳輸功率。地面接收裝置持續(xù)接收微波有可能產(chǎn)生熱島效應(yīng)，另外，還要考慮微波對通信等的影響。

從以上4個方面比較來看，激光無線能量傳輸技術(shù)較微波傳輸技術(shù)有著獨特的優(yōu)勢，對于空間太陽能電站的發(fā)展是一項具有吸引力的戰(zhàn)略選擇。鑒于激光無線能量傳輸方式的優(yōu)勢與廣泛應(yīng)用前景，有必要從效率、安全性、指向性等方面開展激光無線能量傳輸技術(shù)的戰(zhàn)略研究。

激光無線能量傳輸技術(shù)在空間太陽能電站的應(yīng)用

2009年，美國利弗莫爾國家實驗室使用半導(dǎo)體泵浦激光器作為太陽能無線傳輸?shù)男问剑瑢峥亍Ⅻc對點傳輸及經(jīng)濟性做出了合理解釋。歐洲及日本的研究人員也相繼開展激光無線能量傳輸研究，并在各自的空間太陽能電站路線圖中將這一部分作為重要內(nèi)容寫入發(fā)展規(guī)劃。

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）2004方案開始就將激光作為空間太陽能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。該機構(gòu)設(shè)想的激光傳輸方案，其空間段由上百個排列成一列的基礎(chǔ)單元組成，每個基礎(chǔ)單元包括2個尺寸為100m×100m的太陽聚光鏡，2個尺寸為100m×100m的輻射器，以及激光發(fā)生器、激光波束輻照器、支撐結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生10兆瓦級的激光，而整個系統(tǒng)的輸出功率為吉瓦級。用太陽聚光鏡或透鏡將光線集中后發(fā)送到直接泵浦固態(tài)激光器，產(chǎn)生激光波束，在海上接收激光并催化分解海水產(chǎn)生氫氣。在該方案中，直接泵浦固態(tài)激光器的轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)可靠性為關(guān)鍵因素，因此如何消除熱量就成為關(guān)鍵因素。

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)正聯(lián)合大阪大學(xué)激光技術(shù)研究院和激光工程學(xué)院開展直接太陽能泵浦激光系統(tǒng)研究。直接太陽能泵浦激光的產(chǎn)生較傳統(tǒng)的利用電能產(chǎn)生激光振蕩的固態(tài)或者氣態(tài)激光器更具優(yōu)勢。由于必須采用太陽電池或者其他較低效率方式將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，由激光二極管或一些其他方式產(chǎn)生激光振蕩的L-SPS總體效率將會降低。相對于微波能量傳輸，直接太陽能泵浦激光技術(shù)的近期進展，顯示了其進行高效能量轉(zhuǎn)化和傳輸?shù)目赡苄浴?/p>

4　無線能量傳輸技術(shù)的其他應(yīng)用

無線能量傳輸技術(shù)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域就是空間太陽能電站系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)的能量來源體系，空間太陽能電站系統(tǒng)具有清潔無污染、可持續(xù)無間斷等優(yōu)勢，無疑是一種很好的能源解決方法。此外，無線能量傳輸技術(shù)還可以應(yīng)用于臨近空間飛行器、空中通信中繼站、衛(wèi)星電力中繼、惡劣環(huán)境的電力供應(yīng)等領(lǐng)域。

近地小型無人飛行平臺

該方案原理是在地面安置大功率微波發(fā)射天線，在其上方數(shù)百米至數(shù)十千米的空中布置小型無人飛行平臺，平臺腹部安置接收整流天線，由接收到的微波能量來維持飛行平臺的飛行及各種功能運行，從而實現(xiàn)無人飛行平臺在發(fā)射天線上空照射范圍內(nèi)持續(xù)不間斷的飛行。可以賦予飛行器很多種不同的功能，比如戰(zhàn)場監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、大氣監(jiān)測、天氣監(jiān)測、雷達探測、通信中繼等。如果將地面的大功率微波發(fā)射天線安裝在車輛上，作為移動基站，可以提高系統(tǒng)的機動性能。基站在指定地點布置展開，然后將飛行平臺發(fā)射升空，開始執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)結(jié)束后將其回收，基站再移動到下一地點執(zhí)行另外的任務(wù)。美國和加拿大的科學(xué)家們在小型無人飛行平臺方面的研究開展了20年左右，取得了一定的成果。

服務(wù)于太空科學(xué)研究

在太空中布置多顆太陽能衛(wèi)星，由它們?yōu)樘罩械母鞣N衛(wèi)星、飛船、軌道艙等提供所需的能量，從而減少這些飛行器發(fā)射升空時攜帶的燃料數(shù)量。另外，俄羅斯及蘇聯(lián)科學(xué)家通過大量的太空實驗研究發(fā)現(xiàn)，太空艙良好的微重力條件對于培養(yǎng)高質(zhì)量晶體、生產(chǎn)高純度藥物及某些特殊的生物實驗具有很重要的意義。太空艙往往攜帶很重的燃料及動力裝置，這些會導(dǎo)致太空艙內(nèi)難以形成良好的微重力條件。解決的辦法是發(fā)射子母衛(wèi)星，母衛(wèi)星通過大功率微波發(fā)射天線向子衛(wèi)星輻射微波能量，子衛(wèi)星不需要攜帶任何動力裝置，通過接收天線從母衛(wèi)星獲得能量，從而在子衛(wèi)星內(nèi)形成良好的微重力環(huán)境。隨著我國太空科技的飛速發(fā)展，今后的空間科學(xué)探索研究活動會越來越頻繁，大功率無線能量傳輸技術(shù)在這些領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

地面能量傳輸

對于地形復(fù)雜、難以架設(shè)輸電線路的地區(qū)，如島嶼、荒山、沙漠等，可以采用該系統(tǒng)傳輸電能，作為傳統(tǒng)的輸電線路的補充。

法國科學(xué)家計劃在法屬留尼旺島建成一個傳輸距離為700m的10kW的無線輸電系統(tǒng)。在山頂處放置直徑2.4m的發(fā)射天線，谷底處放置直徑17m的接收整流天線，接收到的能量驅(qū)動一個10kW的發(fā)電機，從而實現(xiàn)給谷底村落供電。

5　展望

無線能量傳輸技術(shù)是太陽能傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)空間太陽能電站的核心關(guān)鍵技術(shù)。本文研究梳理了應(yīng)用于空間太陽能電站的微波無線能量傳輸技術(shù)與激光無線能量傳輸技術(shù)。雖然這兩項技術(shù)已取得了巨大的突破，但是在大氣層環(huán)境內(nèi)不可避免的存在許多問題。當(dāng)然這些問題本身也是具有挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)問題，需要結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的最新研究進展，綜合論證，全面考慮，才能充分發(fā)揮技術(shù)特點。

近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新穎的長距離無線能量傳輸技術(shù)，例如：基于新材料的超導(dǎo)無線能量傳輸技術(shù)，利用大氣特性的超快激光誘導(dǎo)等離子體的無線電能傳輸技術(shù)等。這些新技術(shù)的出現(xiàn)，不僅為空間太陽能電站的無線能量傳輸模式提供新的思路，甚至有望改變空間太陽能電站能量傳輸鏈路，提高整個空間太陽能電站系統(tǒng)的效率。

Wireless Energy Transmission Technology for Space Solar Power Station