远距离大容量连续无线功率传输的机遇与挑战

远距离大容量连续无线功率传输的机遇与挑战一文创作于：2023-08-16 05:27:29，全文字数：41377。

李明,董士伟,石德乐

1.中国空间技术研究院,北京 100094 2.中国空间技术研究院西安分院,空间微波技术国家级重点实验室,西安 710100 3.山东航天电子技术研究所,烟台 264000

1 引言

电能是人类社会生活和生产最重要的能源。2021年中国全社会发电总量达到8.11万亿千瓦时,其中太阳能发电量占到2.26%,该占比距离2030碳达峰和2060年碳中和能源结构中的27%和47%,差距还相当大。地面太阳能光伏发电因为日夜循环、气象条件、大气损耗等因素影响,光照利用效率非常低;而空间太阳能发电光照利用效率远远高于地面光伏发电,因此有望成为太阳能发电产业的新增长点。

空间太阳能开发和利用需要解决的一个核心问题是:如何将空间光伏所发的电力远距离传输回地面?从36000km高的地球静止轨道到地面,无线功率传输成为唯一可能[1-3]。在麦克斯韦方程提出25年后的1899年,尼古拉·特斯拉就开展了利用无线电波传输电能的试验。1926年,日本的八木和宇田成功地进行了电磁波功率传输试验[4]。1964年,W·C·布朗成功利用微波功率驱动一架无人机模型,建立了微波功率传输的技术内涵和系统架构[2]。

远距离无线功率传输可以采用的载波包括微波和激光。频率在300MHz～300GHz、对应波长范围在1m～1mm的电磁波都属于微波。常用于无线功率传输的微波频率包括2.45/5.8/10/35GHz等;激光功率传输则常采用800nm或1064nm波段。美国海军实验室的P.Jaffe曾用三个“1”定义无线功率传输的基本特征:总效率优于1%,传输距离远于1m,连续工作时间长于1min[5]。对于远距离连续大容量无线功率传输,我们认为应具备如下特征:1)传输距离在1km以远;2)接收端可用功率在1kW以上;3)连续工作时间在1h以上;4)传输总效率在10%以上;5)采用微波或激光作为电能的载体。

19世纪末信息传输从有线到无线的跨越已经极大地改变了人类的生产和生活方式,能量的无线传输必将像无线通信技术那样,更深刻地改变人类生活方式,更积极地优化社会生产方式,进一步推动人类历史文明进程。

本文全面论述了远距离大容量连续无线功率传输技术的发展现状、面临的发展机遇和挑战,并提出了中国发展远距离连续大功率无线功率传输的建议。

2 远距离大容量连续无线功率传输的发展机遇

2.1 空间太阳能电站事业发展曙光初现

为了应对气候变化问题,2015年12月巴黎气候变化大会正式通过《巴黎协定》,确定了“在本世纪后半叶实现净零排放”的长期目标。中国的二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。净零排放的根本解决之道在于发展绿色清洁能源。空间太阳能电站作为一项具有重要战略意义的航天工程,不仅可以解决基础能源问题,还可以为碳排放净零提供重要支撑,已经在国内外受到高度关注。

2021年初,美国空军研究实验室宣布了“空间太阳能增强验证与研究(SSPIDR)”计划,它分为4个阶段,第一阶段包括3次在轨试验,首次星地微波功率传输试验计划于2023年进行[6]。2022年5月,美国宇航局(NASA)也宣布将重新评估空间太阳能电站的可行性。2021年12月日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)发布空间工程新的发展计划,将持续改进微波功率传输各环节效率,并于2025年开展近地轨道星地微波功率传输演示验证。英国于2022年3月成立了空间太阳能推动(SEI)组织,将联合开展空间太阳能电站的技术发展和演示验证。目标是在2030年开展第一次在轨试验,在2040年实现向电网供电,并开始取代部分化石能源发电[7]。

中国空间技术研究院和西安电子科技大学分别提出了多旋转关节空间太阳能电站(MR-SPS)[8]和欧米茄空间太阳能电站(OMEGA-SPS)系统方案[9]。2014年,相关部门联合提出中国空间太阳能电站“两大步,三小步”的发展设想。近期完善了该设想,计划于2025年前后开展星地微波功率传输和星间激光功率传输试验[10]。

上述发展新态势无疑为远距离大容量连续无线功率传输的发展提供了机遇。

2.2 深空探测重大专项强力牵引

月球探测和开发利用是深空探测重大专项的重点发展方向,由于月球特殊的长达14天的月夜条件,而且月球南北极永久阴影区全年没有太阳光照,能源供给成为月球探测和月球资源开发利用的核心技术之一。通过环月轨道或着陆器上的高功率激光无线功率传输系统,为月球探测器进行能源供给,将大幅提高月球探测器在月表工作时间和活动范围。未来的月球基地可以利用无线功率传输为各种移动设备进行灵活供电,相关应用设想亟需解决远距离、大功率的空间无线功率传输关键技术[11]。

2.3 航天器供电模式变革持续深入

随着新型航天器概念系统的不断出现,其供电模式的变革也在持续深入地开展,星间无线功率传输就是一种颠覆性供电模式。星间无线功率传输的收发两端都在空间飞行器平台上,收发设备的体积和质量都受到平台承载能力的限制,而功率波束却不存在传输媒质的影响。因此,无线功率传输应采用更高频率的电磁波甚至光波。这种应用下传输距离为千米到10千米量级,传输的电功率达百瓦到千瓦量级,可以采用的电磁波频率应达到毫米波、亚毫米波频段,可采用的激光波长有800nm以及1060nm波段[12]。

2.4 其他应用场景层出不穷

微波功率传输技术发展初期的目的是维持无人飞行器长航时飞行[2],这至今仍然是一个显著的需求。目前,无人飞行器在科考与资源勘探、海岛无人值守、环境态势感知、应急救灾等应用中具有重要的潜力,通过陆基、车载、舰载等无线功率发射装置为无人飞行器无线供电,可以使之长期连续工作。另外一类比较特殊的应用就是山区、海岛等极端环境的灵活供电,以及灾害地区的应急供电。平流层太阳能电站则是空间太阳能电站的重要阶段,既能满足某些实际的应用需求,也能比较充分地验证空间太阳能电站的关键技术。在这些应用中,其供电需求与具体应用场景有关,差异较大。

上述种种典型应用场景的需求为远距离连续大容量无线功率传输提供了发展机遇,随着技术本身的发展,更多的应用需求将会得到开发和拓展,它们反过来又将为技术发展带来新的机遇。

3 远距离大容量连续无线功率传输的研究进展

3.1 系统研究概述

美国至今仍然保持着微波功率传输距离最远、功率最大、效率最高的3项纪录。进入新的发展阶段以来,美国的微波功率传输技术研究主要面向空间太阳能电站和军事任务增强两类应用。

2020年5月,X-37B空天飞行器装载了 “光伏射频天线模块(PRAM)”,其尺寸为0.3m×0.3m,可以接收太阳能并将其转化为电能,进一步转化为微波能量。该模块在轨期间最高生成8.4W微波功率,光生微波效率为8%[6]。这次试验是专门为太阳能发电卫星设计的设备首次在空间进行试验。2021年海军研究实验室组织开展了

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