基于微波無線電能技術(shù)在電力傳輸領(lǐng)域的探討

石博 崔雅嵩

摘要：隨著科技的發(fā)展，微波輻射式無線電能傳輸技術(shù)已經(jīng)在在太空領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域有了很大的發(fā)展，但是在民用上卻始終未能成功。利用微波輸電可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的電能輸送，但是功率較小，無法達(dá)到正常供電的需求，如果能提高它的傳輸功率，那么電力傳輸領(lǐng)域?qū)⒂瓉硪粋€(gè)新的時(shí)代，告別有線傳輸，對于邊遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題也有了新出路。因此，本文根據(jù)實(shí)際情況，對微波無線電能技術(shù)在電力傳輸領(lǐng)域進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：微波輻射式;電力傳輸;無線電能技術(shù)

中圖分類號：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0064-02

0 引言

無線電能傳輸與無線通信技術(shù)一樣都是要擺脫有形介質(zhì)的束縛，實(shí)現(xiàn)百年來人類對于無線傳輸?shù)拿篮米非蟆Ｎ⒉o線電能傳輸可以不受自然條件限制而且是性能優(yōu)良的新型能源傳輸技術(shù)。因此我們研究利用它進(jìn)行地面電能傳輸、解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題，這對于未來的供電具有重要的理論意義。然而微波無線電能傳輸在電力傳輸領(lǐng)域一直存在很大問題，主要是由于微波發(fā)射端和整流接收端轉(zhuǎn)換效率低等問題。所以，本文基于微波無線電能技術(shù)在電力傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用，主要研究了如何提高微波輻射式傳輸技術(shù)的發(fā)射端和整流接收端的效率問題。

1 微波無線電能傳輸技術(shù)的分析

微波輻射式無線電能的傳輸技術(shù)，它是以300MHz～300GHz頻率的電磁波進(jìn)行傳輸，這些微波通過發(fā)射端定向發(fā)射之后，微波可以在空間中自由轉(zhuǎn)換，經(jīng)過一定距離的傳輸，然后通過整流天線接收端接受微波，最后把接受的微波通過整流電路將微波轉(zhuǎn)換為直流功率輸出，之后就可以對負(fù)載充電，或者供給后級電路使用。微波輻射式無線電能傳輸它在空間長距離的傳輸過程中損耗較少，因?yàn)閭鬏斶^程中是利用空間中的各種物質(zhì)進(jìn)行傳輸，所以損耗的只是這些物質(zhì)，但自身能量并無較大損耗。

2 微波無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用

目前，微波無線電能傳輸技術(shù)主要應(yīng)用在太陽能衛(wèi)星電站、低軌道和同步衛(wèi)星運(yùn)輸、空間飛行器等領(lǐng)域。太陽能衛(wèi)星電站是依托衛(wèi)星技術(shù)，在太空把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，再通過微波無線電能傳輸方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)以供人類使用。

隨著國際上對太陽能衛(wèi)星站建設(shè)的高度重視和新的世界能源形勢和航天發(fā)展形勢下，微波無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇正在來臨。我國地域遼闊，高原、山地和丘陵占有很大比重。為了給這些地方輸送電能，目前只能通過架設(shè)高壓線路來輸電。截至2019年1月8日，我國的電能已經(jīng)覆蓋88%的國土面積，供電人口超過10億人;雖然我們已經(jīng)在輸送電能方面在世界上做到了首屈一指。但我們?yōu)榇烁冻隽撕艽蟮拇鷥r(jià)，并且對于后續(xù)輸電線路的檢修，也將是我們面臨的一大難點(diǎn)和困擾。而如果微波無線電能傳輸技術(shù)能在這方面應(yīng)用，將使這類問題不復(fù)存在，也將開啟人類電力傳輸領(lǐng)域的新紀(jì)元。故研究電力系統(tǒng)中無線電能傳輸技術(shù)對于我們未來的輸電有極大的意義。下面表格是國際上對微波無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用的幾個(gè)舉例，如表1。

3 微波無線電能傳輸?shù)碾y點(diǎn)

微波無線電能傳輸主要由能量傳輸和能量轉(zhuǎn)換兩部分組成，其中直流電源經(jīng)微波功率發(fā)生器將直流變成微波，達(dá)到了電能到微波能量的轉(zhuǎn)換;接收端經(jīng)過整流天線將微波能量轉(zhuǎn)換為直流功率輸出，則達(dá)到了微波能量到電能的轉(zhuǎn)換。能量傳輸對能量的損耗很少，并且這類問題也無從解決，所以我們的關(guān)鍵就是能量轉(zhuǎn)換，結(jié)合實(shí)際研究，只有提高發(fā)射端的定向發(fā)射能力和接收端的整流效率才是最佳選擇。

在發(fā)射端微波的定向發(fā)射能力對系統(tǒng)有較大影響，微波通常采用天線陣作為發(fā)射裝置，但是存在定向輻射差的缺陷。整流接收端作為將自由空間接收到的能量轉(zhuǎn)換成直流電能的重要部件，它的整流效率將大大影響整體微波傳輸?shù)男省＝邮懿糠值耐ㄓ媒Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中二極管整流電路的損耗占整流變換單元總損耗的絕大部分。此外，二極管整流電路的效率會(huì)隨入射微波功率和負(fù)載阻抗的變化而變化，因此該整流電路通常只能針對特定的輸入微波功率和負(fù)載阻抗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)外界環(huán)境變化，整流電路的工作狀態(tài)會(huì)偏離初始設(shè)計(jì)的效率最優(yōu)狀態(tài)，造成整流效率的下降，二極管的結(jié)電容也會(huì)隨著二極管兩端電壓變化而變化，因而也會(huì)影響整體工作效率。另外二極管的非線性會(huì)在整流過程中產(chǎn)生譜波，這些諧波成分會(huì)通過天線輻射出去，降低整流效率。

4 提高微波無線電能傳輸效率的方法

解決傳輸效率低的問題，我們根據(jù)上面提出的難點(diǎn)，給出了以下解決方案。

（1）針對發(fā)射端，我們一般使用天線陣作為發(fā)射端裝置。微波的定向發(fā)射能力對系統(tǒng)整體效率有較大影響，而微波輻射的方向與輸入天線的電壓相位差有直接聯(lián)系。對于固態(tài)功率放大器，天線可以等效為50Ω的負(fù)載，故對固態(tài)功率放大器提出輸出電壓相位可控的要求。為控制固態(tài)功率放大器輸出電壓相位實(shí)現(xiàn)微波的定向輻射，我們基于天線陣列定向輻射微波的固態(tài)功率放大器，提出一種PLL移相器控制輸出電壓相位。PLL移相器適用于高頻場合，其輸出電壓和給定參考信號的相位差與控制電壓呈線性關(guān)系，適用于于天線陣列定向輻射微波的場合。PPL移相器圖如圖2所示。

（2）針對二極管整流存在的以上問題，為了穩(wěn)定天線工作狀態(tài)，需要保持輸入阻抗不變來提高微波無線電能傳輸?shù)男剩⑶矣捎诤蠹壺?fù)載電阻不同，所以需要降低整流電路對后級負(fù)載電阻的敏感性。對于維持輸入阻抗，我們可以采用基于Class E整流電路的兩級式AC-DC同步整流電路，將整個(gè)同步整流電路分成了前級整流電路和后級阻抗匹配電路，整流電路主要對前級輸入交流電進(jìn)行整流，阻抗匹配電路主要起到在負(fù)載電阻變化情況下，使輸入阻抗穩(wěn)定維持的作用。對于負(fù)載電阻可調(diào)，因?yàn)檎麄€(gè)變換器要工作在輸入阻抗50Ω恒定，則可以計(jì)算出對應(yīng)的前級電流型Class E整流電路的輸出阻抗，而后級Buck變換器只要滿足輸入阻抗維持在前級輸出阻抗不變的狀態(tài)，就能夠使得在變負(fù)載電阻條件下，兩級式AC-DC同步整流電路輸入阻抗維持在50Ω恒定。整個(gè)兩級式AC-DC同步整流電路主功率如圖3所示。

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