李維（北京空間機(jī)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(jī)電研究所）

21世紀(jì)人類面臨著非常嚴(yán)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(jī)?？臻g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?？臻g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(jìn)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(jìn)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(jì)、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(dá)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(jìn)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?？臻g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(jī)

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(jī)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(jìn)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(jìn)行傳輸，在到達(dá)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(fù)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(jìn)(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(dá)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(jìn)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(jìn)實驗室進(jìn)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(jìn)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(jìn)行，現(xiàn)在空間站上的無線輸電試驗正在進(jìn)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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xiàn)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(yuǎn)(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(jìn)行了氣球和飛機(jī)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(fù)領(lǐng)頭的角色。跟莫斯科大學(xué)合作，日本政府在2000年進(jìn)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(jìn)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(jìn)行的空中無線微波傳輸實驗

美國進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jì)收益。

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)2004激光基礎(chǔ)單元

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)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?、點對點傳輸及經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)展，顯示了其進(jìn)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(dá)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(jī)動性能?；驹谥付ǖ攸c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(jī)，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(jìn)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