基于超快激光誘導(dǎo)等離子體的無線能量傳輸技術(shù)

楊秉新李維劉勛劉世炳宋海英阮寧娟（ 北京空間機(jī)電研究所， 北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院）

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基于超快激光誘導(dǎo)等離子體的無線能量傳輸技術(shù)

楊秉新1李維1劉勛1劉世炳2宋海英2阮寧娟1
（1 北京空間機(jī)電研究所，2 北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院）

作為一種有效利用太陽能的方法，空間太陽能電站吸引了世界研究人員的關(guān)注。無線能量傳輸是實(shí)現(xiàn)空間太陽能電站最重要的組成部分，已經(jīng)過多年研究。為了進(jìn)一步提高傳輸效率，空間太陽能電站對(duì)新型技術(shù)的需求不斷增強(qiáng)。

1 引言

太陽是地球能源的主要來源。太陽輻射的熱量高達(dá)3.7×1014TJ/s，其中只有1.2×105TW到達(dá)地球，即每年3.8×1021kW ·h。目前，已經(jīng)建造了很多地面太陽能電站，這些電站的發(fā)電量級(jí)從0.5～10MW不等，每年的發(fā)電總和約為40MW。但是，這些已有的地面電站存在一些問題，比如受到天氣與季節(jié)的影響等。因此，空間太陽能電站被視為解決太陽能利用的有效途徑。無線能量傳輸是實(shí)現(xiàn)此過程的重要環(huán)節(jié)，已有的技術(shù)途徑包括微波無線能量傳輸與激光無線能量傳輸。為了使更多的能量傳輸?shù)降孛?，需要首先解決以下3個(gè)問題：降低能量損耗，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸和提高傳輸效率。當(dāng)能量從空間太陽能電站傳輸?shù)降孛娼邮赵O(shè)備，能量波束將經(jīng)歷不同的空間環(huán)境。為了獲得更高的傳輸效率，可以在不同環(huán)境條件中使用不同的無線能量傳輸技術(shù)。

微波（左）與激光（右）無線傳輸概念圖

等離子體導(dǎo)電特性

2 基本原理

超快激光

超快光學(xué)是瞬態(tài)光學(xué)領(lǐng)域的最前沿技術(shù)領(lǐng)域。作為超快光學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，超快激光所對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度在飛秒或者更小的量級(jí)。自20世紀(jì)80年代，超快激光發(fā)展迅速，并展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。超快激光最突出的特點(diǎn)有2個(gè)：一個(gè)是極短的脈沖寬度，在飛秒量級(jí)，即10-15s；另一個(gè)是高峰值功率，可以達(dá)到1021W/cm2量級(jí)。

等離子體通道

當(dāng)氣體原子的外層電子被剝離，氣體將變?yōu)榈入x子體狀態(tài)，包含原子核與自由電子。等離子體被視為物質(zhì)的第四態(tài)，其中的自由電子整體移動(dòng)時(shí)，電流將產(chǎn)生，可以作為電能傳輸?shù)拿浇椤?/p>

當(dāng)超快激光在大氣中傳輸時(shí)，由于其高峰值功率，空氣將被電離為等離子體。在非線性作用下，克爾自聚焦作用與等離子體散焦作用達(dá)到平衡，形成可長(zhǎng)距離傳輸?shù)牡入x子體通道。等離子體通道中有大量的自由電子，可以作為一條虛擬的導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)電能的無線輸送。這個(gè)過程可以簡(jiǎn)單描述為：超快激光脈沖釋放至空氣中，激光脈沖電離空氣形成等離子體通道，進(jìn)而傳遞能量。2007年，法國的研究人員通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了利用等離子體通道完成電流的無接觸捕獲，并希望用這種方法為法國高速列車充電。2014年，《自然·光電子》期刊公布了最新的重要進(jìn)展，美國的研究人員使用高斯光束與環(huán)狀光束實(shí)現(xiàn)了等離子體通道長(zhǎng)度的量級(jí)延長(zhǎng)，并強(qiáng)調(diào)了此項(xiàng)技術(shù)在遠(yuǎn)程能量傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

克爾自聚焦與等離子體散焦過程

實(shí)驗(yàn)中獲得的明亮的等離子體通道

三步模型設(shè)想圖

無線能量傳輸系統(tǒng)構(gòu)成

3 三步模型概念

基于此項(xiàng)技術(shù)，我們提出了三步模型概念：第一步，空間太陽能電站收集太陽能，并轉(zhuǎn)換為電能；第二步，在空間太陽能電站與地面設(shè)備之間增加諸如平流層飛艇這樣的駐留平臺(tái)，電能轉(zhuǎn)換為微波或者激光傳輸至平流層飛艇上，轉(zhuǎn)換為電能；第三步，電能沿著等離子體通道傳輸至地面接收設(shè)備。這種方式可以有效減少大氣環(huán)境對(duì)能量的損耗，并且實(shí)現(xiàn)幾十千米的長(zhǎng)距離傳輸。由于克爾自聚焦與等離子體散焦過程平衡，等離子體通道這條虛擬導(dǎo)線將始終被約束在一個(gè)很小的尺度，不易發(fā)散，有效降低地面設(shè)備的體積。

4 實(shí)驗(yàn)與研討

該項(xiàng)工作的主要內(nèi)容包括3個(gè)方面：系統(tǒng)設(shè)計(jì)、理論與仿真研究、實(shí)驗(yàn)研究。在此項(xiàng)研究中，使用中心波長(zhǎng)為800nm的超快激光，激光系統(tǒng)的重復(fù)頻率是10Hz， 脈沖寬度40fs，激光脈沖能量為26mJ。激光脈沖在焦距4m的透鏡作用后形成等離子體通道。兩個(gè)直徑100mm的電極垂直放置。高壓源為系統(tǒng)提供靜態(tài)高電壓，并與電極I連接。電極II安裝在自動(dòng)平臺(tái)上，移動(dòng)位置可遠(yuǎn)程控制。在2個(gè)電極板的中心均有直徑1mm的圓孔，使等離子體穿過圓孔后將2個(gè)電極連通。

等離子體通道在2個(gè)極板間的空氣間隙引起預(yù)電離現(xiàn)象，使得在相同高電能輸入條件下2個(gè)極板間電能傳輸距離顯著提高。我們進(jìn)一步使用等離子體通道傳輸電能成功驅(qū)動(dòng)發(fā)光器件工作，首次證實(shí)了基于等離子體通道的電能無線傳輸技術(shù)的可行性與系統(tǒng)工作原理的正確性。

與此同時(shí)，對(duì)電能傳輸過程中的物理機(jī)制進(jìn)行了理論與仿真研究，通過仿真分析了等離子體通道產(chǎn)生、電能傳輸、環(huán)境因素影響等物理過程，并在研究中發(fā)現(xiàn)高斯與環(huán)狀光束在延長(zhǎng)等離子體通道長(zhǎng)度方面的顯著作用。通過研究電子的能量譜分布特點(diǎn)來了解復(fù)雜環(huán)境對(duì)電能傳輸?shù)挠绊?，為進(jìn)一步進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)充分考慮環(huán)境適用性等問題奠定了基礎(chǔ)。

等離子體通道傳輸電能實(shí)驗(yàn)布局圖

等離子體通道的延長(zhǎng)

5 結(jié)束語

筆者研究了基于超快激光誘導(dǎo)等離子體的無線能量傳輸技術(shù)，并提出了空間太陽能傳輸?shù)娜侥Ｐ汀Ｎ覀冋J(rèn)為此項(xiàng)技術(shù)可發(fā)展為具有兆瓦級(jí)傳輸功率、千米級(jí)傳輸距離的無線能量傳輸系統(tǒng)。除了用于空間太陽能傳輸，此項(xiàng)技術(shù)還可以用于飛機(jī)能源補(bǔ)給，電動(dòng)汽車動(dòng)力補(bǔ)給，為海島、山區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行電能補(bǔ)給等。

Wireless Energy Transmission Technology Based on Ultrafast Laser Induced Plasma