畢業(yè)論文-微波無線能量傳輸

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文哈爾濱理工大學學士學位論文-PAGEII--PAGEIII-微波無線能量傳輸摘要隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的進步，人們對能量的無線傳輸有了更多的需求。傳統(tǒng)的能量傳輸方式大多通過導線或插座將電能傳輸?shù)浇K端產(chǎn)品。這種傳輸方式會帶來摩擦，易產(chǎn)生電火花等問題，從而影響電氣設備的安全可靠性。而無線能量傳輸技術(shù)能使我們擺脫傳統(tǒng)的能量傳輸方式，通過微波、電磁感應、電磁共振等多種形式實現(xiàn)非接觸式的新型能量傳輸。文章首先講述了無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展背景，敘述了現(xiàn)有理論框架下的三種無線能量傳輸技術(shù)，并比較了三種技術(shù)的特點和應用領域。然后，重點介紹了微波無線能量傳輸，通過闡述其理論基礎從而引入了整流天線的概念，進而介紹了當前的幾種整流天線。本文還對無線能量傳輸在電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進行了介紹，最后，文章對微波輸電在將來生產(chǎn)生活中的運用作設想，簡要敘述了衛(wèi)星太陽能電站的概念,特別強調(diào)了微波輸電技術(shù)和建造衛(wèi)星太陽能電站的科學技術(shù)意義和深遠的戰(zhàn)略意義，展望其在倡導低碳生活和節(jié)約資源的將來的廣闊前景。無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展與發(fā)電、用電及整個社會的發(fā)展和要求密切相關(guān)，并且相互促進。隨著各項基礎理論技術(shù)的發(fā)展、可再生能源全面開發(fā)和電力市場的發(fā)展與完善，對廉價高品質(zhì)電能和電網(wǎng)運行及用電的靈活可靠性要求進一步提高，無線能量傳輸方式將會在其適合的領域得到充分的發(fā)展。

關(guān)鍵詞無線能量傳輸；微波；整流天線；電力系統(tǒng)；衛(wèi)星太陽能電站MicrowaveWirelessPowerTransmissionAbstractWiththedevelopmentofindustryandtheprogressofscienceandtechnology,Peoplehavemoredemandofpowerwirelesstransmission.Electricitypowerwastransferredtotheloadbythewireandplugintraditionalpowertransmissionmode.Thismodewillbringoutmanyproblems,suchasfrictionandspark,insecurityandbadreliabilityofelectricequipment.Wirelesspowertransmission(WPT)technologyneednotrelyonthewireandplug,anditcanrealizeelectricpowertransmissionbythewaysofmicrowavetechnology，electro-magneticinduction,andelectro-magneticresonances.Thestudysituation,threekindsofwirelesspowertransmissiontechnologiesareintroducedindetailinthispaper.Furthermore,thecharactersandapplicationfieldsofthesewirelesspowertransmissiontechnologiesareanalyzedandcompared.Then,thepaperfocusesonthemicrowavewirelessenergytransmission,throughitstheoreticalbasisandpaperintroducedtheconceptofrectifierantenna,andthenintroducesthecurrentseveralrectifierantenna.Thispaperalsotothewirelessenergytransmissioninthepowersystemofthekeytechnologyareintroduced,finally,thispapergivesanintroductionofmicrowavetransmissionofmicrowavetransmissionprinciple,andtheapplicationofproductionandlifeinthefutureforideas,brieflydiscussestheconceptofsatellitesolarpower,withparticularemphasisonthemicrowavetransmissiontechnologyandbuildthesatellitesolarpowerscienceandtechnologymeaningandprofoundstrategicsignificance;Forecastitsinadvocatinglowcarbonlifeandsaveresourcesfutureandbroadprospects.Transmissiontechnologydevelopmentandpower,electricityandthewholesocietyiscloselyrelatedtothedevelopmentandrequirements,andpromoteeachother.Alongwiththedevelopmentoftechnology,basictheoryandoveralldevelopmentofrenewableenergytopowermarketdevelopmentandperfectionofcheap,highqualitypowerandpowergridoperationandtheflexibleelectricityrequirementofreliabilityfurtherimproved,andmicrowavetransmissionsystemwillbeinitssuitoftheareastobefullydevelopment.

KeywordsWirelessPowerTransmission；Microwave；Rectenna；PowerSystem；SatelliteSolarPowerPAGEII---PAGEV-目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章緒論 11.1無線能量傳輸?shù)谋尘耙饬x 11.2無線能量傳輸?shù)陌l(fā)展史 21.3本課題主要內(nèi)容 4第2章無線能量傳輸?shù)脑砗蛯崿F(xiàn)方式 52.1無線能量傳輸原理及特點 52.1.1電磁能量在空間的傳播 52.1.2電磁能量的發(fā)射與接收 62.1.3天線的方向性函數(shù)D 72.1.4無線能量傳輸特點 82.2無線能量傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方式分類 92.2.1微波無線能量傳輸技術(shù) 92.2.2電磁感應式無線能量傳輸技術(shù) 102.2.3磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù) 10第3章微波無線能量傳輸 133.1微波無線能量空間傳輸理論基礎 133.1.1微波無線能量傳輸空間傳輸理論 133.1.2頻率的選擇 153.1.3微波能量發(fā)生器 153.1.4微波無線電能傳輸?shù)氖瞻l(fā)天線實例 163.2整流天線技術(shù)的介紹 173.2.1整流天線的工作原理 173.2.2雙頻偶極子整流天線 183.2.3貼片整流天線 193.2.4扇形整流天線 193.2.5一種5.8GHz新穎混合結(jié)構(gòu)的整流天線 203.3電力系統(tǒng)中無線能量傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù) 223.3.1高性能天線 233.3.2微波源 253.3.3微波接收整流設備 25第4章微波無線能量傳輸發(fā)展前景 264.1運用微波無線能量傳輸技術(shù)建衛(wèi)星太陽能電站 264.1.1衛(wèi)星太陽能電站 264.1.2建造衛(wèi)星太陽能電站技術(shù)經(jīng)濟性估價 274.1.3衛(wèi)星太陽能電站的微波傳輸系統(tǒng) 274.1.4衛(wèi)星太陽能電站的關(guān)鍵問題 284.2微波無線能量傳輸?shù)膬?yōu)勢 294.3微波無線能量傳輸與電力傳輸無線化 304.4美好前景 31總結(jié) 33致謝 34參考文獻 35附錄 38-PAGE10--PAGE32-緒論無線能量傳輸?shù)谋尘耙饬x所謂無線能量傳輸(WirelessPowertransmission———WPT)就是借助于電磁場或電磁波進行能量傳遞的一種技術(shù)[1]。無線能量傳輸方式分為：電磁感應式、電磁共振式和電磁輻射式。電磁感應可用于低功率、近距離傳輸；電磁共振適于中等功率、中等距離傳輸；電磁輻射則可用于大功率、遠距離傳輸。非接觸電能傳輸一直是人類的一個夢想，自從十九世紀四十年代人們發(fā)現(xiàn)了電磁感應定律，國內(nèi)外很多科學家便開始著手于對無線技術(shù)的研究。目前，無線通信技術(shù)已有了很大的發(fā)展，有無線電波、微波、藍牙和紅外線等傳輸方式。但是，能量的無線傳輸發(fā)展卻進展緩慢，當前的電力傳輸幾乎都需要金屬導線的連接，導線連接的供電方式雖然有連接簡單、傳輸效率高的優(yōu)勢，但是也存在不可避免的缺點。首先，導線輸電不但需要負擔昂貴的電線電纜費用，而且增加了布線的繁瑣，并且導線占用了大量的空間，使得需要電力支持的電力電子設備的擺放受到影響[2]。當前的電氣設備一般采用插頭和插座接觸供電，這樣的傳輸方式存在裸露導線，并且會有摩擦及磨損，因此，容易產(chǎn)生接觸火花，影響電力設備的安全性、可靠性及使用壽命，同時，不良的電氣接觸還造成電阻溫度極高，容易引發(fā)火災，電氣開關(guān)也易造成拉弧的危險[3]；在給運動電力設備提供電能時，通常采用接觸供電，但是這種供電方式有不安全裸露導線、滑動摩損、積碳和接觸火花等缺點；在采礦、化工等易燃、易爆的領域，導線連接接觸供電容易因接觸摩擦而產(chǎn)生電火花，引起爆炸；在水下作業(yè)時，接觸供電易發(fā)生漏電、觸電事故[4,5]；對孤立的島嶼或山頭供電時，因?qū)Ь€連接困難，也很難實現(xiàn)有線供電。電線充斥在我們的生活當中，錯綜復雜的連接方式給我們帶來很大的不便，長距離的輸電線路占用了大量的空間，這樣的情形究竟能否被改變？在上述情形下,無線輸電便愈發(fā)顯得重要和迫切,因而它被美國《技術(shù)評論》雜志評選為未來十大科研方向之一。在無線輸電方面，我國的研究才剛剛起步，較歐美落后。在此旨在闡述當前的技術(shù)進展，分析無線輸電原理，為我國在無線輸電方面的深入研究提供參考。無線能量傳輸?shù)陌l(fā)展史最早產(chǎn)生無線能量傳輸設想的是尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)，因而有人稱之為無線能量傳輸之父。1890年，特斯拉就做了無線能量傳輸試驗。特斯拉構(gòu)想的無線能量傳輸方法是把地球作為內(nèi)導體，把地球電離層作為外導體，通過放大發(fā)射機以徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振，利用環(huán)繞地球的表面電磁波來傳輸能量。最終因財力不足，特斯拉的大膽構(gòu)想沒能實現(xiàn)[6]。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波可達到近100%的傳輸效率，并隨后在反射波束導波系統(tǒng)上得到了驗證。20世紀20年代中期，日本的H.Yagi和S.Uda發(fā)明了可用于無線能量傳輸?shù)亩ㄏ蛱炀€，又稱為八木—宇田天線。20世紀60年代初期雷聲公司(Raytheon)的布朗(W.C.Brown)做了大量的無線能量傳輸研究工作，從而奠定了無線能量傳輸?shù)膶嶒灮A，使這一概念變成了現(xiàn)實[7]。在這個實驗中，直流電被轉(zhuǎn)化成400瓦特頻率為2.45GHz的微波，再通過一個直徑為2.8米的橢圓形反射鏡聚焦至7.4米外的橢圓接收器的焦點并被接收，收集到的微波能量再被轉(zhuǎn)換成104瓦特的直流電，總的傳輸效率(直流——直流)達到了13%-15%，但盡管此實驗中將微波轉(zhuǎn)換成直流電的裝置達到了50%的效率，它的使用壽命相當短，并不適合于實際應用。圖1-1微波供電直升飛機簡圖在1964年，雷聲公司(Raytheon)進行了微波供電直升飛機實驗，如圖1-1所示。系統(tǒng)的接收端采用了一種新的微波——直流電轉(zhuǎn)換器件——硅整流二極管天線。其原理是將接收天線劃分成小的區(qū)域，每個區(qū)域天線收集微波能量，用整流二極管將其轉(zhuǎn)換成直流電。在接下來的幾十年里，重量更輕，輸出功率更大的硅整流二極管天線被不斷研制出來，接收端微波——直流轉(zhuǎn)換效率也大大提高了。1975年，微波能量傳輸系統(tǒng)的傳輸總效率提高到了54%，其直流輸出功率為495瓦特，頻率2446MHz同年，在Mojay沙漠進行的微波成形束能量傳輸實驗，頻率為2388MHz的微波能量有84%被硅整流天線陣列接收并轉(zhuǎn)換為30KW的直流能量，用來點亮天線前端的燈泡陣列[8]。到1975年，完整的無線能量傳輸理論和技術(shù)體系的建立，為其在太空及各方面的應用奠定了堅實的基礎。70年代，美國首次論證了空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星技術(shù)可行性，并建立了5GW的空間太陽能電站參考系統(tǒng)[9]。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，各國在5GW空間太陽能電站參考系統(tǒng)基礎上提出的空間太陽能電站的系統(tǒng)方案已有很多。有望在世界最先建立的空間太陽能電站是日本1994年研究的太陽能發(fā)電衛(wèi)星PS-2000。該發(fā)電衛(wèi)星是一演示系統(tǒng)，系統(tǒng)設計簡單，盡量采用了最廉價的材料和組件，發(fā)電效率并不高，它不是最佳的實用發(fā)電系統(tǒng)方案。為了重新考慮空間太陽能電站的可行性，美國宇航局于1995-1997年間，進行了兩年的FreshLook項目研究。在約30種系統(tǒng)方案中，確定了兩種最有效的太陽能電站系統(tǒng)設想，即所謂的“太陽塔”和“太陽盤”。[9]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)換效率為72%。1993年以后每年召開國際WPT研討會。2001年5月，留尼汪島上召開了WPT國際會議，根據(jù)會議制定的綱要，工作頻率在2.45GHz的磁控管將用于波動傳輸。1998年，5.8GHz印刷電偶極子整流天線陣轉(zhuǎn)換效率為82%。前蘇聯(lián)在無線能量傳輸方面也進行了大量的研究。莫斯科大學與微波公司合作，研制出了一系列無線能量傳輸器件，其中包括無線能量傳輸?shù)年P(guān)鍵器件———快回旋電子束波微波整流器[10]。圖1-22007年美國麻省理工學院的研究人員用兩米外的一個電源“隔地”點亮了一盞60瓦的燈泡近幾年，無線能量傳輸發(fā)展更是迅速。Wildcharge、Powercast、SplashPower、東京大學，相繼開發(fā)出非接觸式充電器。MIT在2007年6月宣布，利用電磁共振成功地點亮了一個離電源約2m遠的60W電燈泡,這項技術(shù)被稱為WiTricity，如圖1-2所示。該研究小組在實驗中使用了兩個直徑為50cm的銅線圈，通過調(diào)整發(fā)射頻率使兩個線圈在10MHz產(chǎn)生共振，從而成功點亮了距離電力發(fā)射端2m以外的一盞60W燈泡。2010年，日本富士通公司利用電磁諧振無線能量傳輸技術(shù)實現(xiàn)為一個以上的設備充電，如圖1-3所示。實驗結(jié)果顯示無線傳輸距離大約在15厘米左右，而且對多個設備充電時，設備相對于充電器的位置沒有任何限制。采用這項技術(shù)研制的充電系統(tǒng)所需要的充電時間只有當前的一百五十分之一。圖1-3日本富士通公司無線電能傳輸技術(shù)為一個以上的設備充電本課題主要內(nèi)容本文通過查閱大量文獻和資料，對微波無線能量傳輸進行了詳細的介紹。主要介紹內(nèi)容如下：（1）本文首先介紹了無線能量傳輸?shù)母拍?，闡述了無線能量傳輸?shù)谋尘耙饬x及其發(fā)展史。（2）第二章著重介紹無線能量傳輸?shù)脑砑捌浞诸惙绞?，分別闡述了微波無線能量傳輸，電磁感應無線能量傳輸，磁耦合式諧振無線能量傳輸。（3）通過闡述微波無線能量傳輸?shù)脑?，進而介紹了整流天線，并且列舉了當前的幾種類型的整流天線，同時也對電力系統(tǒng)中的無線能量傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)進行了介紹。（4）本文最后對微波無線能量傳輸?shù)那熬斑M行了展望，主要介紹了衛(wèi)星太陽能電站對此技術(shù)的應用。無線能量傳輸?shù)脑砗蛯崿F(xiàn)方式無線能量傳輸原理及特點無線能量傳輸?shù)睦碚摶A是法拉第的電磁感應定律：當線圈處于變化的磁場中時，線圈中會有感應電流產(chǎn)生，感應電流的大小和線圈內(nèi)磁場變化的速率成正比。能量傳輸系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分兩大部分：能量的傳輸和能量接收后的處理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為：功率源——發(fā)射天線——接收天線——整流、濾波——組合輸出。電磁能量在空間的傳播1．電磁波的產(chǎn)生電流可以產(chǎn)生磁場，而變化的磁場同樣可以產(chǎn)生電場，這就形成的電磁場。變化的電磁場間存在耦合，以波的形式存在于空間，這就是電磁波。電磁波雖然看不見摸不著，但是他無時無刻不存在于我們的周圍，凡是高于絕對零度的物體，都會釋放出電磁波。2．空間傳播規(guī)律電磁波的傳播過程就是能量傳播的過程，高頻時電磁波可以在自由空間內(nèi)傳遞。假設自由空間為無緣空間，媒質(zhì)是各向同性、線性和均勻，可以得到電磁波動方程：（2-1）（2-2）圖2-1電磁波電場強度和磁場強度隨時間變化波形環(huán)境在無限大的均勻理想介質(zhì)中，電磁波電場強度和磁場強度隨時間做正弦變化（如圖2-1所示）：（1）相速等于波速（2）場量的幅值與x和f無關(guān)3．能量流動問題與分析電場能量儲存在電場中，磁場能量儲存在磁場中，電磁場為電、磁場的耦合，既有電場能量又有磁場能量。（2-3）坡印亭定理給出了電磁能量和電磁場量之間的一般關(guān)系，反映了電磁能量符合自然界物質(zhì)運動過程中能量守恒和轉(zhuǎn)化定律：（2-4）電磁能量的發(fā)射與接收天線是一種專門的電磁波輻射器，是無線能量傳輸?shù)闹袠薪Y(jié)構(gòu)。1．天線的輻射功率在遠區(qū)單位時間內(nèi)通過球面的電磁能量的平均值稱為天線的輻射功率。在球面，單位面積上通過的功率密度就是坡印亭矢量S，則：（2-5）經(jīng)過面積dS的功率：（2-6）將代入得：（2-7）以單元偶極子天線為例，有：(2-8)(2-9)(2-10)所以可以得輻射功率：(2-11)其中I為流經(jīng)的電流，為單元偶極子的長度。2．天線輻射電阻將輻射功率視為一個電阻吸收的功率，并使流過電阻的電流等于天線上的電流的有效值，則稱這個電阻為天線的輻射電阻?？傻脝卧紭O子的輻射電阻：(2-12)表征了天線輻射電磁能量的能力，其值越大，輻射能力越強。3．天線的方向性函數(shù)對于任何天線，在空間的電場公式均可寫成:(2-13)表示天線方向性的振幅特；表示天線方向性的相位特性；稱為天線的方向性函數(shù)，表達了天線的方向性特性。其不僅決定了場的大小也決定了場的相位。天線的方向性函數(shù)D天線的方向性系數(shù)D用來表示天線集中輻射能量的特性：(2-14)其物理意義為：天線的方向性使某方向的輻射功率密度比之均勻輻射時的倍數(shù)。1．對于天線方向性的求解為求方向性，我們可以將研究的天線與理想的輻射功率相等的點源做比較。對點源來說，其沒有方向性，即(2-15)通過無窮小單位面的功率為：(2-16)所以輻射功率為：(2-17)為天線所在媒質(zhì)的特性阻抗。所以可得：(2-18)在方向(2-19)所以可得：(2-20)所以在最大輻射方向上有：(2-21)2．天線的接收天線導體在空間電磁場的作用下產(chǎn)生感應電動勢，并在導體表面激勵起感應電流，在天線的輸入端產(chǎn)生電壓并在接收機回路中產(chǎn)生電流，此過程是發(fā)射天線的逆過程。3．有效接收面積有效接收面積是衡量接收天線接收無線電波能力的重要指標：(2-22)接收天線在最佳狀態(tài)下所接收的功率可以看成是被具有面積為有效接受面積的口面所截獲的垂直入射波功率密度的總和。無線能量傳輸特點作為一種點對點的能量傳輸方式。無線能量傳輸具有以下特點：（1）能量源和耗能點之間的能量傳輸系統(tǒng)是無質(zhì)量的；（2）以光速傳輸能量；（3）能量傳輸方向可迅速變換；（4）在真空中傳遞能量無損耗；（5）波長較長時在大氣中能量傳遞損耗很??；（6）能量傳輸不受地球引力差的影響；（7）工作在微波波段換能器可以很輕。這些特點絕大部分都是非常明顯的。但是最后一個在空間應用中特別重要。在太空中，唯一的主要能源是太陽能。所有其它的能源，如燃料電池，電池組，核能，甚至可以吸收太陽能的天線陣列都必須克服重力才能傳輸?shù)教罩小５俏⒉ü┠芊绞綄⒅饕墓β试粗糜诘孛?。在太空中只留有占系統(tǒng)質(zhì)量很小部分的濾波和整流設備，從而避免了這個缺點。無線能量傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方式分類微波無線能量傳輸技術(shù)微波無線能量傳輸技術(shù)[11,12]，是利用微波轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換成微波，然后，天線將這些大功率的電磁波發(fā)射出去，經(jīng)過自由空間，送到接收天線，最后，經(jīng)微波轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)化為供人們利用的直流電流（如圖2-2）。微波無線能量傳輸實現(xiàn)了遠距離的無線能量傳輸，但是電磁波在空間傳輸效率很低，對于接收裝置與發(fā)射裝置的位置方向性要求也極強，并且能量傳輸不能跨越障礙物。早期的微波無線能量傳輸可追溯到十九世紀末，HeinrichHertz于1888年首次演示了500MHz脈沖能量的產(chǎn)生和傳輸[13]，他的實驗由于當時缺乏將微波轉(zhuǎn)換為直流電的裝置而未能成功。但是，他的實驗對于電磁波理論的發(fā)展及麥克斯韋方程中體現(xiàn)電磁波理論認識和證明有著重要意義?，F(xiàn)代意義上的微波無線能量傳輸起源于二十世紀六十年代，美國Raytheon公司的工程師WilliamC.Brown設計了硅控整流二極管天線，即一種新型微波—直流電轉(zhuǎn)換器，其原理是將收集的微波轉(zhuǎn)換成直流電[14,15]。1968年，美國工程師PeterGlaser設想了空間太陽能發(fā)電，即在地球外層空間建立太陽能發(fā)電站，電能通過微波形式傳輸?shù)降厍?，然后通過整流天線把微波轉(zhuǎn)換成直流電供人類使用[16]。1979年，美國能源部和美國航天局聯(lián)合提出建立“SPS太陽能衛(wèi)星基準系統(tǒng)”。到了九十年代，日本也加入了微波無線能量傳輸技術(shù)研究的隊伍，并計劃于2020年建造試驗性太空太陽能發(fā)電站SPS2000，到2050年開始規(guī)模運行。圖2-2微波方式無線能量傳輸示意圖電磁感應式無線能量傳輸技術(shù)電磁感應式（非接觸感應式）無線能量傳輸技術(shù)[17-21](InductivePowerTransfer)主要利用電磁感應原理，采用可分離變壓器[22-25]或者疏松耦合變壓器[26-29]方式實現(xiàn)能量的無線傳輸。圖2-3為以疏松耦合變壓器為中心的開環(huán)感應式無線能量傳輸示意圖[30-32]，非接觸電能傳輸系統(tǒng)利用疏松感應耦合系統(tǒng)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了電能的無物理連接傳輸。它將系統(tǒng)的變壓器緊密型耦合磁路分開，初、次級繞組分別繞在具有不同磁性的結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)在電源和負載單元之間進行能量傳遞而不需物理連接[33]。其一次側(cè)、二次側(cè)之間通過電磁感應實現(xiàn)電能傳輸，因氣隙導致的耦合系數(shù)的降低由提高一次側(cè)輸入電源的頻率加以補償。理論和經(jīng)驗都表明：當原邊電流頻率、幅值越高，原、副邊距離越小，與空氣相比磁心周圍介質(zhì)的相對磁導率越大時，可分離式變壓器的傳輸效率越高。但實際應用當中原副邊距離不可能無限小，必須對原副邊采取相應的補償措施,這種無線電能傳輸效率較低。圖2-3疏松式變壓器原副線圈分離磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù)2006年11月，美國麻省理工學院(MIT)教授MarinSoljacic在美國AIP工業(yè)論壇上第一次提出了磁耦合諧振式無線能量傳輸(Witricity)的概念。他認為，具有相同諧振頻率的物體組成耦合諧振系統(tǒng)（如聲音、電磁場、核子等），經(jīng)常會產(chǎn)生“強耦合”運行狀態(tài)，諧振體之間的能量交換會有很高的效率，所以提出了以時變磁場為耦合介質(zhì)的諧振式無線能量傳輸[34]。2007年，美國麻省理工學院(MIT)研究小組進行了基本的實驗驗證，應用稀疏繞制的圓形螺線管作為無線能量傳輸?shù)碾姶胖C振體。螺線管匝數(shù)n=5.25，直徑d=60cm，導線線徑a=6mm，螺線管高度h=20cm，螺線管繞線間的雜散電容充當諧振體的諧振電容，螺線管諧振頻率f=9.9MHz，品質(zhì)因數(shù)的理論值Q=2500，實際測量值Q’=950。磁耦合諧振式無線能量傳輸原理如圖2-4所示。圖2-4MIT磁耦合諧振式無線能量傳輸示意圖單匝銅線環(huán)A作為驅(qū)動電路的一部分，為自諧振螺線管S提供高頻磁場；螺線管D與S具有相同的參數(shù)且相隔一定的距離同軸放置，兩個螺線管發(fā)生磁耦合諧振，實現(xiàn)能量源源不斷地發(fā)送與接收；導線環(huán)B感應接收螺線管D周圍磁場，并與負載（燈泡）連接。A、B的放置方向與S、D垂直，以免妨礙同軸放置的S和D的強耦合諧振。實驗成功地將距離2.16m遠的60w燈泡點亮，其能量傳輸效率可達40%，距離為1m時，傳輸效率將近90%。實驗驗證了磁耦合諧振式無線能量傳輸方式的可行性，實驗裝置圖如圖2-5，能量傳輸距離與效率曲線如圖2-6。。圖2-5MIT無線能量傳輸裝置圖美國內(nèi)華達州雷電實驗室的G.E.Leyh等，將電場耦合諧振無線能量傳輸實驗裝置研制成功，成功地將800W電力用無線的方式傳輸?shù)?米遠處[35]。東京大學的研究者TakehiroImura等提出，將磁耦合諧振無線能量傳輸技術(shù)應用于電動汽車充電系[36]。圖2-6MIT無線能量傳輸效率與距離關(guān)系微波無線能量傳輸微波無線能量空間傳輸理論基礎微波無線能量傳輸空間傳輸理論一個微波能量傳輸系統(tǒng)的幾個基本組成部分如圖3-1所示[37]。盡管各個部分各自的相關(guān)試驗中分別都能達到最大的效率，卻不能在一個完整的系統(tǒng)中同時實現(xiàn)各自的最大值。因此，目前已被實驗證實的最大總效率為54%，如果能將各個部分的傳輸效率更好地匹配，總傳輸效率將有可能達到76%。圖3-1微波能量傳輸系統(tǒng)框圖點對點傳輸效率與傳輸參數(shù)τ密切相關(guān)[38]，兩者關(guān)系如圖3-2所示，τ定義為：(3-1)其中：At——發(fā)射天線孔徑Ar——接受天線孔徑τ——傳輸微波的波長D——發(fā)射和接受天線的間距由公式(3-1)，當假定發(fā)射天線孔徑與接收天線孔徑大小相等時，可得到一個關(guān)于天線孔徑的簡化表達式:(3-2)這個表達式說明天線孔徑區(qū)域隨波長的大小而變化，而不是它直徑。圖3-2參數(shù)與效率n的關(guān)系在接收區(qū)域大小有限同時又需要接收一個特別強烈的微波能量的情況下，可以應用以下的關(guān)系式：(3-3)其中——接受端微波照射功率密度；Pt——發(fā)射總功率；——發(fā)射天線孔徑；λ——波長；D——間距；天線孔徑上能量密度分布如圖3-3所示：圖3-3τ值下發(fā)射和接收天線孔徑的相對截面能量密度分布其中，R是發(fā)射或接收天線半徑，是輻射點至天線中心的距離。由圖3-3可見電磁場擴展到接收器的邊緣以外。頻率的選擇如果沒有任何限制地為能量傳輸選擇最佳頻率，需要考慮如下的一些方面：（1）天線孔徑大??；（2）頻率對系統(tǒng)整體效率的影響；（3）與部件效率直接相關(guān)的散熱問題；（4）惡劣氣象條件下的可靠性問題；（5）現(xiàn)有可用元件的先進性；（6）所選頻率對其他電磁波譜的影響；除了天線孔徑及對其他頻譜的影響兩因素外，以上其他所有因素均以選擇較低頻率為宜。對于一些類似于太陽能衛(wèi)星方面的應用，需要考慮到大氣層對微波傳輸?shù)挠绊?圖3-4)[49]，因此也以采用低頻居多。但事實上，可供選擇的微波頻率相當有限，目前所用的頻率均屬于ISM(工業(yè)，科技，農(nóng)用)頻段，分別為2.4~2.5GHz，5.8~5.9GHz，24.125GHz。圖3-4不同大氣條件下微波能量傳輸效率與頻率的關(guān)系微波能量發(fā)生器在微波電力傳輸?shù)陌l(fā)送系統(tǒng)中，電能必須在系統(tǒng)的發(fā)送終端轉(zhuǎn)換成微波能量。附有外部被動電路的微波爐電磁管作為一個鎖相、高增益的放大器，可以直接用于構(gòu)成相控陣天線的輻射模塊[40][41]，從而實現(xiàn)了這個功能。為了減少發(fā)送出來的微波形成的噪聲，這些直流供電的微波爐電磁管采用了獨特內(nèi)部反饋機制。微波無線電能傳輸?shù)氖瞻l(fā)天線實例無線能量傳輸接收天線用的是整流天線，它是專門為了微波電能傳輸而設計和發(fā)展起來的[42]。就像名稱所表示的，這種天線包括了天線和整流器的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)能量收集、諧波抑制和整流。它的簡單形式包括了一系列的整流天線元件，每個元件有一個半波偶極子連結(jié)一個低通濾波器并用一個整流二極管做終結(jié)器。二極管的輸出流入一個公共的直流總線，然后這些總線可以以串行或并行的方式連在一起與負載匹配。整流天線有很多種形式，圖3-5所示的電路可以制成窄片格式，應用于空間能量供應1181。它的改進形式曾成功的應用于一個加拿大小組研制的微波供能飛機上。圖3-5兩平面硅整流天線前向面功能示意圖在空間應用中，工作于2.45GHz的發(fā)送天線是主動相控陣雷達，陣列由具有高增益鎖相放大器的發(fā)射模塊組成，這些放大器為一個裂縫波導陣列天線提供微波能量。圖3-6所示的是一個向高空飛機或者太陽能衛(wèi)星進行微波能量傳輸?shù)奶炀€方陣。圖3-6向高空飛機或者太陽能衛(wèi)星進行微波電能傳輸?shù)奶炀€方陣整流天線技術(shù)的介紹微波能量傳輸?shù)暮诵氖钦魈炀€，整流天線的接收效率和轉(zhuǎn)換效率直接影響系統(tǒng)性能。近些年來對整流天線的研究主要在縮小整流天線的物理尺寸，提高二極管的工作效率、天線接收微波能量的效率、整流天線的轉(zhuǎn)換效率和入射波的頻率上。隨著二極管性能的不斷提高和整流天線結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，其微波—直流的轉(zhuǎn)換效率可達到90%，另外微波傳輸?shù)墓ぷ黝l率也在不斷提高。由于不同頻率的微波受大氣層的衰減影響不同，過去的微波傳輸都傾向于采用2.45GHz的工作頻率，因為該頻率微波受大氣影響衰減小，相關(guān)技術(shù)比較成熟。近年來，隨著高頻技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)有了顯著提高，采用更高工作頻率可大大減小系統(tǒng)體積，從而可降低整個系統(tǒng)的成本。所以現(xiàn)在微波能量傳輸中常采用更高頻率如5.8GHz、l0GHz、35GHz、94GHz甚至245GHz。另外為了不同場合的需要，研究人員提出了多種新穎結(jié)構(gòu)的整流天線，例如可以工作在不同頻段的雙頻偶極子整流天線，高能量的捕獲效率的貼片整流天線，采用新穎的扇形天線可以縮減整流天線的體積等。整流天線的工作原理整流天線的功能是將自由空間中的微波能量接收并轉(zhuǎn)化為直流電能。通常整流天線由四部分組成（如圖3-7所示）：對稱振子天線（dipoleantenna），用來接收空間電磁波能量并傳輸至饋線；低通濾波器（LPF），使工作頻點的能量低插損通過，同時阻礙整流電路產(chǎn)生的二次及更高次諧波通過天線再次輻射到自由空間；整流二極管（Rectifierdiode），將射頻能量轉(zhuǎn)化為直流能量；直流濾波器（DCfilter），使直流能量以低插入損耗傳輸至負載，并阻礙基頻以及由整流電路產(chǎn)生的二次及以上諧波的通過。由此整流電路產(chǎn)生的二次和高次諧波在低通濾波器和整流電路間來回反射、轉(zhuǎn)換，提高了整流天線的效率。圖3-7整流天線基本結(jié)構(gòu)雙頻偶極子整流天線雙頻偶極子整流天線可以工作在不同的兩個頻段，在兩個頻率中選擇其中一個進行能量傳輸。文獻[43]介紹了一種工作在2.45GHz和5.8GHz的新型雙頻整流天線，其結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。在2.45GHz和5.8GHz的工作頻率下，由新型雙頻印刷偶極子天線和新型的CPS濾波器相連構(gòu)成的整流天線的轉(zhuǎn)換效率可分別達到84.4%和82.7%。圖3-82.45GHz和5.8GHz雙頻整流天線貼片整流天線另外一種被廣泛研究的整流天線是微帶貼片整流天線。微帶貼片整流天線具有質(zhì)量輕，體積小，接收面積大，增益高，很容易實現(xiàn)所需要的極化形式，易于設計和加工的特點。文獻[44]介紹的整流天線采用微帶貼片天線作為接收天線。微帶貼片天線采用嵌入式微帶變饋電。這種饋電方式具有平面性，容易刻蝕，可以通過改變嵌入的幾何尺寸調(diào)節(jié)輸入阻抗。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-9所示。天線的工作頻率取為5.8GHz。系統(tǒng)最大接收整流效率達到了78.2%，直流輸出功率達到了10~16MW。圖3-95.8GHz微帶貼片整流天線扇形整流天線扇形天線具有抑制諧波的特性，可以去掉接收天線和整流二極管之間的低通濾波器，能減小尺寸和降低成本。文獻[45]介紹了一種以扇形天線(圖3-10)作為接收天線來抑制諧波的整流天線，微帶扇形天線的扇形角為240°，饋電角為30°，該天線可以有效地阻止由二極管產(chǎn)生的高階諧波再輻射。同時在負載和二極管之間加了個低通濾波器，阻止高階諧波進入負載。通過測試，扇形天線的增益為4.677dBi，其能有效地阻止諧波的再輻射。整流天線的輸入能量為10dBm，負載為150Ω時轉(zhuǎn)換效率達到最大為77.8%。圖3-10扇形整流天線一種5.8GHz新穎混合結(jié)構(gòu)的整流天線1．混合結(jié)構(gòu)整流天線的結(jié)構(gòu)整流天線采用最實用和最經(jīng)濟的單個二極管并聯(lián)方式，它包括接收天線、輸入濾波器、匹配電路、整流電路以及輸出濾波等部分。工作頻率為5.8GHz的微帶與共面帶線混合結(jié)構(gòu)的接受整流天線刻錄在聚四氟乙烯雙面覆鋼板基片上，基片厚為1.5mm，介電常數(shù)為2.55，損耗角正切值少于0.001，導帶鋼厚為0.035mm，微帶面的頂面和地面是雙面覆鋼，共面帶線只有頂面覆鋼，結(jié)構(gòu)與照片見圖3-11。圖3-11微帶與共面帶線混合結(jié)構(gòu)整流天線結(jié)構(gòu)與實物圖微帶貼片天線接受微波，微波電場與地垂直，經(jīng)過低通濾波器與微帶至共面帶線轉(zhuǎn)換器后，微波電場與共面帶線平行，近似于準平面波，整流元器件二極管和電容擺放于共面帶線的兩側(cè)，輸出濾波器由電容和一定長度的共面帶線組成，通過調(diào)整二極管后共面帶線的長度，讓二極管及其后端的電路發(fā)生諧振，從而只允許直流通阻止基波和高次諧波通過負載，這樣，二極管產(chǎn)生的高次諧波被限制在輸入和輸出濾波器之間，以提高二極管的整流效率。2．接收天線與輸入低通濾波器的設計微帶貼片接收天線尺寸如圖3-11所示，由于基片較厚，為不使微帶線的寬度過大，降低系統(tǒng)損耗與效率，接收天線的輸入阻抗取為100，采用側(cè)饋饋電方式。由IE3D仿真軟件[46]，得到當頻率等于5.8GHz，寬w為1.12mm時，微帶線的特性阻抗等于100，電長度對應的物理長度為9.26mm。為便于測量，將匹配變換器與50饋線一起光刻制作，單獨測得天線在5.8GHz頻率時的增益為5.9dBi。輸入低通濾波器采用最簡單的高低阻抗型結(jié)構(gòu)，為和天線的輸入阻抗保持一致，其輸入和輸出阻抗都取為100。由IE3D仿真得，當f=5.8GHz時，回波損耗；f=11.6GHz時，=-18.43dB；f=17.4GHz時，=-17.03dB；f=23.4GHz時，=-6.64dB；f=29GHz時，=-7.66dB，表明該低通濾波器能有效地抑制二次及高次諧波。3．微帶至共面帶線間的轉(zhuǎn)換器的設計扇形接觸面給共面帶線和微帶線的接地面之間提供足夠的耦合，將微波電場從與地垂直變化成平行結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換器的諧振頻率取決于扇形接觸面的角度和半徑。為減小損耗，提高轉(zhuǎn)換器的性能指標，共面線的寬度w取得與微帶線的寬度一致（1.12mm）根據(jù)二極管的尺寸，共面帶線間的距離s取為1.5mm，由IE3D可知，對應共面帶線的特性阻抗為197，電長度對應的物理長度為9.98mm。經(jīng)IE3D優(yōu)化，圓形弧線的角度取為，半徑取為5.5mm，仿真表明該轉(zhuǎn)換器在頻率較低時具有非常好的轉(zhuǎn)換功能，當f=5.8GHz時，轉(zhuǎn)換器的，由于共面帶線的特性阻抗等于197，加上微帶至共面帶線轉(zhuǎn)換器后，測得天線的輸入阻抗亦為197。4．系統(tǒng)匹配電路的設計隨著輸入信號的增大，二極管的非線性增強，特別是當反向電壓較大時，非線性電容變小，從而提高了二極管的反向阻抗與整流轉(zhuǎn)換效率，故從效率角度考慮，希望輸入功率越大越好，但實際設計時需要考慮二極管能承受的最大反向電壓的限制，而且二極管的輸入阻抗隨系統(tǒng)輸入功率的變化而變化，故還得考慮系統(tǒng)匹配對二極管整流效率的影響。因此，需首先得出使二極管達到最大反向截止電壓時，系統(tǒng)允許輸入的最大功率，然后求得二極管及其對應電路的輸入阻抗，再進行匹配電路的設計。這項工作可以借助高頻仿真軟件ADS2003C5．接收整流天線轉(zhuǎn)換效率分析試驗系統(tǒng)如圖3-12所示，信號發(fā)生器Hp8673C的輸出功率和頻率可調(diào)，功率放大器的線性放大倍數(shù)為40dB，當輸入功率大于3dBmW時，輸出飽和功率43dBmW。從功放出來的高頻微波經(jīng)過高方向性的定向耦合器，耦合端衰減30dB后接Hp437B功率計，主端接口徑為0.11m的標準增益方角錐喇叭天線，當頻率為5.8GHz時，喇叭天線增益為16.6dBi，遠區(qū)距離。由遠區(qū)功率傳輸?shù)母道锼构?，有：?-4）（3-5）式中：表示接收整流天線接收到的功率；表示發(fā)射天線發(fā)出的總功率；表示發(fā)射天線的功率增益；表示接收天線的功率增益；表示真空波長；R是位于發(fā)射天線的遠區(qū)的發(fā)射和接收天線間的距離；表示總體接收整流效率；表示直流輸出功率；為直流輸出電壓；為負載阻值。圖3-12試驗系統(tǒng)示意圖電力系統(tǒng)中無線能量傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)在電力系統(tǒng)中應用無線能量傳輸技術(shù)，必須要考慮功率、效率等因素，為此相應的關(guān)鍵技術(shù)也是我們研究的重點．要使得微波能夠有效的傳輸，必須保證發(fā)射天線能夠發(fā)射方向性很集中、增益相對較高、信號的傳輸距離較遠、抗干擾能力比較強、適合于遠距離點對點傳輸?shù)奈⒉?。對于電力系統(tǒng)中的無線能量傳輸，除了需要優(yōu)良的天線性能以外，還需要大功率的微波源，而發(fā)射天線將大功率微波能量發(fā)送出去。此外，接收天線接收到高功率微波后，必須將其轉(zhuǎn)化為基礎的直流電，也必須有相應的高效設備。高性能天線1．近場天線通過對近場諧振式無線能量傳輸理論進行的研究發(fā)現(xiàn)，兩個電磁線圈之間在一定條件下會產(chǎn)生漸消的磁場形式———幾乎不向外輻射的高次方磁場，發(fā)射和接收線圈彼此處于對方的這種近場內(nèi)，即可以形成磁場強耦合．目前的研究結(jié)果表明在幾米的距離傳輸電網(wǎng)中的電力是可行的，而且比電磁感應式無線能量傳輸效率更高，也更加靈活。根據(jù)電磁場理論，近場的范圍受輻射天線尺寸的限制，與其成正比關(guān)系，近場諧振式無線能量傳輸?shù)木嚯x也與天線尺寸成正比。2．高方向性天線一———八木宇田（Yagi-Uda）天線八木宇田天線簡稱八木天線，通常情況下一副八木天線有引向器、反射器、有源振子組成。八木天線如圖3-13所示。八木天線的增益目前只有10～20dB，發(fā)散性還是比較強，目前還無法勝任遠距離無線電能傳輸。圖3-13八木天線示意圖3．高方向性天線二——反射面天線以圖3-14中拋物面反射天線[47]為例。它的工作原理與光學反射鏡相似，是利用拋物反射面的聚焦特性。拋物面直徑D和工作波長之比越大，則波束越窄，其半功率點寬度為：（3-6）并且，天線增益G與天線開口面（口徑）幾何面積A成正比，而與波長平方成反比。圖3-14拋物面反射天線示意圖反射面天線的增益G通常可以做到30～40dB，甚至更高．根據(jù)已有資料可知，對于反射面天線，現(xiàn)在可以將輻射功率的90％甚至更多包含在天線輻射方向圖的主瓣中，因此這種天線可以作為我們需要的遠程無線能量傳輸天線。對于接收天線接收到的功率，有如下公式：（3-7）（2）式中假定發(fā)射和接收天線彼此都朝對方指向得到最大增益。其中：Pr為接收天線接收到的功率；Pt為發(fā)射天線發(fā)射出來的功率；Gt為發(fā)射天線的增益；Gr為接收天線的增益；λ為微波的波長；R為發(fā)射和接收天線之間的距離；為發(fā)射天線的有效口徑；為接收天線的有效口徑；表達式為：（3-8）這里值得注意的是，天線的有效口徑通常要比天線的物理口徑小。（3-8）式稱為Friis傳輸公式。由Friis公式可知，接收天線接收到的功率與發(fā)射天線的功率成正比，與天線的增益成正比，與距離的平方成反比。由此，可以通過提高增益來增加接收到的功率，而且發(fā)射和接收天線都可以影響接收功率。這種天線在應用中，關(guān)鍵是要把它們的主瓣寬度限制的很狹窄，這就需要尋找極大增加天線增益的方法。微波源目前針對大功率的微波源有如下器件：（1）磁控管：磁控管的典型效率值為40％，平均功率為數(shù)千瓦，曾經(jīng)制造過高達25kW的連續(xù)波磁控管。（2）放大鏈發(fā)射機：放大鏈發(fā)射機與磁控管的根本不同在于，將低電平通過多級射頻放大器后放大，其效率與磁控管類似。（3）射頻放大管：比較成功的管型有速調(diào)管、行波管、正交場管和三極管、四極管等。其中，速調(diào)管的平均功率最大可達25~50kW，效率在30~40％，是最可靠的一種管型。（4）固態(tài)微波放大器：由于單個固態(tài)器件的輸出功率是相當有限的，所以，在發(fā)射機中，從高功率的速調(diào)管、行波管、正交場放大管和磁控管到固態(tài)器件的轉(zhuǎn)換速度是比較緩慢的，其效率只有20％左右。微波接收整流設備現(xiàn)在比較成熟的微波接收整流解決方式即為硅整流二極管天線Rectenna（Rectifyantenna的簡稱，見圖3-15），它是由一個天線及高頻整流電路所構(gòu)成，高頻整流電路能夠?qū)⑽⒉ㄐ盘柦?jīng)由肖特基勢壘二極管（Schottkybarrierdiode）整流成直流電源，作為無線功率傳送研究的開端，目前發(fā)展出的Rectenna的有916.5MHz和2.45GHz頻段，能夠有效的將射頻能量轉(zhuǎn)成直流電源，以供充電或變頻使用。圖3-15Rectenna等效電路圖微波無線能量傳輸發(fā)展前景運用微波無線能量傳輸技術(shù)建衛(wèi)星太陽能電站衛(wèi)星太陽能電站所謂衛(wèi)星太陽能電站(SolarPowerSatellite簡稱SPS)，就是在高度為35800km的地球靜止同步軌道上，用大面積的太陽能電池板把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，或者用大面積的太陽能聚光鏡把陽光匯聚起來作為熱源，像地面熱電廠一樣發(fā)電，然后采用微波輸電技術(shù)將電能發(fā)送到地面；地面站天線陣接收到電磁波能量并經(jīng)微波或激光整流器后重新變成直流電，由變、配電設施供給用戶，如圖4-1圖4-1空間衛(wèi)星發(fā)電示意圖人類爭相開發(fā)利用空間資源必然會導致太空戰(zhàn)爭。地球上的初級能源和其他礦物的儲量都是有限的，人類的生存和發(fā)展必將導致原材料的枯竭，未來無疑會利用太空資源(譬如月球上的資源)。因此，世界各國為了捍衛(wèi)自己的權(quán)益、竭力爭取優(yōu)勢和獲得有利的地位，必然會導致太空戰(zhàn)爭。衛(wèi)星太陽能電站一旦建成，即用于軍事目的的可能性最大。據(jù)報道，美國將2025年建立太空軍隊，這是一個十分有力的事實根據(jù)。宇宙空間的超高真空狀態(tài)為定向能武器提供了極好的環(huán)境條件，衛(wèi)星太陽能電站可作為天基定向能武器系統(tǒng)的初級能源基地。要在空間建立武器基地，初級能源只能來自地球和宇宙空間。前者只可能是核燃料和應用微波輸電技術(shù)傳輸?shù)碾姶拍?，后者只可能是太陽能和宇宙中其他至今未被發(fā)現(xiàn)或未被利用的能量。從技術(shù)經(jīng)濟的角度看，在宇宙空間中建造太陽能電站是最理想的選擇。電站建成后，利用微波輸電技術(shù)可以直接給天基武器系統(tǒng)饋電，以達到攻擊空間和地面目標的目的。建造衛(wèi)星太陽能電站技術(shù)經(jīng)濟性估價評價建造衛(wèi)星太陽能電站的經(jīng)濟性取決于很多因素：電站的個數(shù)、裝機容量、地面上能量供應狀況、航天技術(shù)和微波技術(shù)的研究進展、太陽能電池的造價等。例如：建造第一個10GW的電站費用自然要高，因為大部分費用開支在科研、實驗和試驗上。如果第一個電站建造成功，后續(xù)電站的造價就低了。因此，為了估計電站的經(jīng)濟性，假定在空中建造100個功率為10GW的電站，這樣可以對電站的尺寸、質(zhì)量、造價、每度電的價格等進行較合理的計算。衛(wèi)星太陽能電站的微波傳輸系統(tǒng)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到90%和80%，而理論上效率最高的磁旋束管放大器可達到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，美國海軍實驗室現(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)、多普勒雷達方面獲得應用。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。這是因為運載火箭、航天飛機的有效載荷約2.5%，質(zhì)量、體積的增加會大大增加發(fā)射費用和難度。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?？臻g電能輸送采用相控陣發(fā)射天線，地面用柱面接收天線和縫隙天線。天線結(jié)構(gòu)性能已研究得較多，發(fā)展變化不大，可以直接搬用已有的設計方案。相控陣天線通過改變相位和振幅使輻射的方向性增強，功率密度在波束的橫截面上隨半徑按高斯分布，在地面接收天線陣的邊緣降至人類安全輻射標準以下?？紤]到電站的功率大、微波傳輸距離遠，移相器應滿足如下要求：(1)大功率工作時動作快；(2)線性相移；(3)插入損耗低、匹配良好；(4)用于移相管理的功率要??；(5)尺寸小、質(zhì)量輕、造價廉。俄羅斯莫斯科大學研究發(fā)展了回旋波移相器，響應時間10ns能量損耗小于10%，控制電壓在－600V～+600V之內(nèi)變化時相移呈線性特性。用于太陽能電站，回旋波移相器的性能比半導體、鐵氧體、行波管移相器優(yōu)越?？紤]到云霜雨雪等對電磁波的吸收和散射，大氣層內(nèi)的傳輸頻率宜低于3GHz，最佳2.45GHz，這是免申請的科學、工業(yè)、醫(yī)療頻段。在這一頻段，即使是100～150mm/h降雨，雨水損耗約為3%～7%。如果頻率再降低，雨衰減少，但天線的尺寸變大。自由空間微波能量傳輸效率取決于天線參數(shù)：(4-1)這里Ar、At——收發(fā)天線孔徑的面積，D——收發(fā)天線之間的距離，λ——微波波長,τ越大傳輸效率越高，τ>2.5時能量傳輸效率接近100%。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?。已?jīng)研制成功的有回旋波微波整流器和肖特基勢壘整流器二極管，在實際使用中各有千秋。前者單個器件較重,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，無高次諧波再輻射構(gòu)成的干擾，具有微波過載自我保護特性；后者質(zhì)量輕，但是單管輸出的功率小(2W～6W)、電壓低(10V～20V)、穩(wěn)定性差，存在高次諧波再輻射構(gòu)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；若用于小功率輸電，后者占有優(yōu)勢。譬如功率為10GW的衛(wèi)星太陽能電站，要用數(shù)目約20億個肖特基勢壘整流器二極管，這將消耗大量的稀有材料，安裝、連接、測試、維護也很費力；若用回旋波微波整流器，可以很好地回避這些問題。俄羅斯莫斯科大學宇宙能源動力學和物理電子學實驗室長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)鬏攲嶒炘囼灪徒o低軌道軍用衛(wèi)星供電，并已出售給日本空間和宇宙科學研究所，在“自由號”國際空間站的日本模塊上進行試驗。衛(wèi)星太陽能電站的關(guān)鍵問題衛(wèi)星太陽能電站最關(guān)心的問題是：(1)微波輸電與有線輸電相比是否具有優(yōu)勢(即現(xiàn)在地面上的架空線路可否采用微波方式)；(2)衛(wèi)星太陽能電站的技術(shù)經(jīng)濟性如何；(3)自由空間傳輸大功率電磁波對生態(tài)環(huán)境有無影響；(4)建造衛(wèi)星太陽能電站花費多少資金。這些問題在很大程度上取決于相關(guān)學科領域的科技進步，而科技進步和技術(shù)難點的突破與政府科技部門的投資力度密切相關(guān)。輸電工程最關(guān)心的是效率和經(jīng)濟性。微波輸電的效率取決于微波源的效率、發(fā)射天線、接收天線的效率和微波整流器的效率，在Brown的實驗中這四者的乘積達到54%。至于經(jīng)濟性如何，依賴于所用頻段的微波元器件的價格與有線輸電系統(tǒng)所用器材價格的比較，也與具體的輸電網(wǎng)絡的參數(shù)有關(guān)系。衛(wèi)星太陽能電站的建造牽涉到航天、電子、材料、微波等領域。這項系統(tǒng)工程國外研究了很多年，已具備了相當寬廣堅實的理論基礎，積累了豐富的實踐經(jīng)驗。主要的技術(shù)困難可能就是如何有效地將電站的建筑材料運送到空間，也就是如何提高運載火箭的有效載荷、降低造價和重復使用的問題。衛(wèi)星太陽能電站的經(jīng)濟性與上述領域的技術(shù)成熟程度有關(guān)，也與在空間建造電站的裝機容量有關(guān)(例如，造一10GW電站當然費用高，利用已掌握的技術(shù)再造100個就便宜多了)。現(xiàn)在地面初級能源還可供使用，但是等到初級能源耗盡以后，來自太陽能電站的電能也許是解決未來能源危機的主要途徑，這樣就沒有更多的選擇余地了。大功率定向電磁波從空間朝地面輸送時對環(huán)境的考慮有：(1)傳輸多大的能流密度對電離層的擾動沒有影響；(2)采用哪一個微波電頻段對日常的通信不發(fā)生干擾；(3)地面整流接收站選在何處對飛機等交通工具及周圍的生物體(如鳥類、居民等)沒有不良作用；(4)地球靜止同步軌道上建造大面積的電站對地面有無效應以及大量衛(wèi)星發(fā)射產(chǎn)生的航天垃圾污染。實際上，這些與使用高功率微波時所考慮的效應是類似的，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)運行，而高功率微波僅在必要時使用。高功率微波的功率在100MW以上，甚至達到1013W，而發(fā)射天線的口徑又不大，因而能流密度很高。對于容量5GW的衛(wèi)星太陽能電站，微波發(fā)射天線的口徑約1km，能流沿波束截面按高斯分布，地面接收天線陣的面積約10km×13km，中心處最大能流密度被限制在25mW/，以防止對電離層的擾動，在整流天線邊緣的能流密度已降低至1μm/以下，與廣播臺、電視塔附近的電磁輻射能流密度相近甚至更小，低于一般認可的人類微波照射安全標準1mW/。至于對通信的可能干擾，可以適當?shù)剡x擇頻段和地面接收地點來避免。另外，真空電子管快回旋電子束波微波整流器整流時沒有二次諧波的再輻射現(xiàn)象。微波無線能量傳輸?shù)膬?yōu)勢（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，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)變得簡單，不再向傳統(tǒng)方式那般繁瑣。（2）能改變因能源分布不均衡造成的輸電不經(jīng)濟、不合理的狀況，彌補地面電站、電網(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定點衛(wèi)星電站，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。建造衛(wèi)星太陽能電站是擺脫未來能源危機的重要途徑。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行轉(zhuǎn)換，直接用于發(fā)電的微乎其微。因為在地球表面建造太陽能電站受到下列諸因素的限制：(a)地球表面的日照受晝夜、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)難以使大面積的定日鏡跟蹤太陽；(d)易受灰塵的污染和風、霜、雨、雪的侵蝕；(e)太陽光穿過大氣層時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。當然這也會帶來其他的困難,譬如,電站建筑材料如何運往空間，空間平臺的軌道和姿態(tài)如何保持，空間電能怎樣往地面輸送等一系列問題。在這種特殊的場合下，架設輸電線路是不可能的，微波輸電無疑是唯一的選擇。微波無線能量傳輸與電力傳輸無線化在電力工業(yè)中，輸變電設備是重要組成部分。由于品種繁多，用量極大，因此電力工業(yè)中用于輸變電設備的投資一般都大大超過了發(fā)電設備的投資。據(jù)英、美、德等國統(tǒng)計，前者比后者多17～74%。一條長500公里，輸送容量400兆瓦的線路。僅架空裸線就需優(yōu)質(zhì)金屬4000多噸，懸式瓷絕緣子串14萬個，還有數(shù)百個高壓鐵塔。據(jù)統(tǒng)計，每10兆瓦輸電需90～1l0臺高壓斷路器，250～300臺隔離開關(guān)，320～400組高壓熔斷器，120～180噸高壓電瓷產(chǎn)品。表4-1表4-1工業(yè)中輔電電壓、窖量、距離及造價輸電電壓/kV1035110220330750輸送距離km6～2020~50100～150200~30020~500600~1000輸送容量MW0.2~22~1030~70120~250300~6001000~2000線路造價（萬元/公里）0.3~0.61~1.83~48~10美國雷聲公司l964年演示的微波供能飛行平臺，就已經(jīng)證明了利用電磁波在空間傳輸能量的可能性。空對地、地對空、空對空、地對地四種電磁波輸能方式則要求大功率高效率不污染環(huán)境的輸電?？諏Φ兀阂悦绹鵀槭椎陌l(fā)達國家正在研究到外層空間索取太陽能的途徑。計劃在距地球35800公里的同步軌道上放置面積約為l00平方公里的太陽能電池陣列，加上自動控制，自動接收最大的日照量，可以不受氣候影響地晝夜取得電能，然后將電能轉(zhuǎn)換為微波，通過口徑1公里的發(fā)射天線將微波發(fā)送回地球表面，地表接收天線面積為43平方公里。該系統(tǒng)設計容量為10000兆瓦，費用可高達數(shù)百至數(shù)千億美元，但可工作l00年。若進一步改進技術(shù)，其發(fā)電成本可望達到目前輕水反應堆核發(fā)電站的幾分之一，而且沒有放射污染，不需要廠房、道路等一系列投資。有人估計，如果在地球同步軌道上每隔10公里放一顆10000兆瓦的太陽能衛(wèi)星，組成一個太陽能電站鏈，則取得的太陽能電功率相當于l980年全球用電量的200倍，若設計100座這種電站，總發(fā)電量將占全球發(fā)電量的地對空：在地面將電能以電磁波的形式送至太空中的衛(wèi)星、高空的無人偵察機或永久性平臺?？諏眨好绹鴩液娇蘸秃教炀忠呀?jīng)研究了在太空中用一顆母衛(wèi)星向數(shù)公里外的多顆子衛(wèi)星用微波供電的可能性。在真空中電磁波可無衰減地傳播，因此工作頻率可以很高，天線等設施則很小。地對地：由于受到地球曲率的限制，地面微波輸電當前可應用于海島、山頂?shù)纫恍┎槐慵茉O線路的場合。若在高空用微波供能的靜止平臺投入使用，則微波地面?zhèn)鬏數(shù)木嚯x可達數(shù)千公里。最近還有人構(gòu)思了用數(shù)顆低軌衛(wèi)星實現(xiàn)電能大轉(zhuǎn)運的藍圖。人類對電能的應用從19世紀開始，至今已有100多年的歷史疆過數(shù)代人大規(guī)模的苦心建設，當今的電力傳輸系統(tǒng)已具備了相當?shù)囊?guī)模。雖然在經(jīng)濟性、適用性上，地面大功率微波輸電還不能馬上同業(yè)已成熟的高壓輸電媲美，但至少已成為當前電力傳輸方式的一種有益的補充。而且，微波輸電不局限于地面?zhèn)鬏敺绞?，它是一個廣義的概念其方位的輸電方式是對傳統(tǒng)輸電方式的有力挑戰(zhàn)。美好前景利用微波傳送電能結(jié)構(gòu)比較簡單，電價也必然大幅度下降。它能改變因能源資源不均衡而造成的電力輸送不經(jīng)濟、不合理的狀況，應用前景十分廣闊。在經(jīng)歷了100多年的研究、發(fā)展，其過程大概是一個馬鞍形。70年代后太陽能源衛(wèi)星的研究開始激活了微波傳送電能的研究。美國、日本、加拿大等國家的科學家紛紛對各種具體方法和應用進行了研究，使微波驅(qū)動飛機的傳送距離從15m進到50m(SHARP試驗)，證明無線傳送電能是可能的。90年代以后，為推動技術(shù)的實用化，又提出了一些新的試驗計劃，如法國計劃在Reunion島上進行3km微波傳送l00kW電能試驗；美國也對同樣規(guī)模的能量傳輸進行了地對空傳送試驗，并在阿拉斯加州進行微波傳送電能到各分散的村莊進行試驗，El本的空間和宇航科學研究所計劃進行l(wèi)0MW規(guī)模能量衛(wèi)星的試驗研究，其目的是向赤道國家傳送電力，同時還利用一個能源衛(wèi)星向空間軌道運行的用戶饋送l00kW級電量的試驗。除此之外，有些私營公司也打算開展微波傳送電能的項目。發(fā)展實用化大功率能量傳輸將是今后很長一段時間的研究主要目標，目前可以展望到的有以下6個方面：（1）頻率微波傳送頻率已發(fā)展到2.5GHz，使系統(tǒng)的傳送能力提高了兩個量級，若傳送頻率能提高到毫米波段，系統(tǒng)的傳送能力將可提高兩個量級，能量傳送的距離也會更遠，主要依賴于大功率的毫米波振蕩管的進展。（2）距離目前能量傳輸?shù)木嚯x一般為幾十米到150m。近期計劃到3km，中、長期還需提高一個量級，以使傳輸功率從1～10kW，近期計劃100kW。（3）天線采用高靈敏口徑為3m的相控陣天線，地面的天線口徑達4.5m，是當前的水平，同時利用計算機控制微波波束方向，下一步地面上天線口徑還有增大一個量級的能力。（4）功耗目前微波直流轉(zhuǎn)換裝置中，每個轉(zhuǎn)換單元承受功率是每片1W，子陣列可達2000多個，微波到直流的轉(zhuǎn)換效率從40％提高到84％，下一步還需研究更大規(guī)模的微波直流轉(zhuǎn)換裝置，主要是提高承載功率。（5）干擾現(xiàn)在采選用2.45x109Hz微波時，對環(huán)境和生態(tài)影響不大，而對通信和雷達、射電天文干擾很大，這是一個極需解決的大問題。（6）理論研究繼續(xù)開展大功率微波對空間等離子體環(huán)境影響和大氣塵降物對大毫米波傳播功率的影響等基礎理論研究，對微波傳送電能的安全性和有效性提供依據(jù)，同時還要繼續(xù)開展太陽能衛(wèi)星的研究，并用微波把太陽能傳送到地球各地和地球外的空間。-PAGE10--PAGE48-總結(jié)隨著無線能量傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，不但使人們未來生活有望擺脫手機、相機、筆記本電腦等移動設備電源線的束縛，享受由機場、車站、灑店多種場所提供的無線電力，還可用于一些重要領域，如電力系統(tǒng)和空間太陽能電站。從長遠來看，該技術(shù)具有潛在的廣泛應用前景。但是，每一種無線傳輸方式都有一系列關(guān)鍵問題需要解決。如電能傳輸能量大小及效率問題，能量傳輸所產(chǎn)生的電磁波是否對人體健康帶來危害等等。微波輸能是一個綜合性的課題。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)學科。當前人們還在對高功率微波的產(chǎn)生、高效率傳輸、聚焦發(fā)射等核心課程進行研究。從目前的發(fā)展水平與趨勢來看，微波輸能必將本世紀的主要輸能方式。國外成立了國際空間大學，其主要科學活動是研究如何利用空間太陽能。我國是一個人口大國，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)，會在能源危機中步入困境。這是一項涉及到國家政府決策機關(guān)、科學技術(shù)領域和工業(yè)生產(chǎn)等部門的浩大的系統(tǒng)工程，需要各方鼎立相助、共同努力奮斗才能實現(xiàn)這一宏偉藍圖。它的大規(guī)模實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，同時也將極大地帶動和促進相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可能帶來的社會經(jīng)濟效益是不可估量的。至于建造衛(wèi)星太陽能電站技術(shù)上的難點，現(xiàn)在正在逐步努力地攻克?？傊?，微波輸電技術(shù)與衛(wèi)星太陽能電站是客觀現(xiàn)實，而不是科學幻想。盡管具體實施起來要耗費巨大的資金，但從它所帶來的社會經(jīng)濟效益和所具有的戰(zhàn)略意義上分析是值得研究探討的。另外，它與高功率微波技術(shù)密切相關(guān)，也許將來是高功率微波技術(shù)非常重要的研究方向和應用領域。致謝四年的大學生活即將過去，在本論文即將完成之時，我心中充滿感恩，感謝學校給我提供很好的學習和生活環(huán)境，感謝老師、同學們對我學習上的幫助。首先，我要感謝的是我的論文導師，朱東柏教授。本課題從選題，到課題的研究，再到論文的撰寫都是在朱東柏老師的悉心指導下完成的。朱老師淵博的知識、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和敏銳的科學洞察力都給我留下了