微波無線能源傳輸技術(shù)優(yōu)缺點分析
微波是指具有從1mm到1m間的短波長的電磁波。這種電磁波廣泛應(yīng)用于日常生活中的微波爐、手機和無線LAN,還有宇宙空間中的氣象衛(wèi)星、地球觀測衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、廣播電視衛(wèi)星的通信等,其實就在身邊,與我們的生活息息相關(guān)。
那么,空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)使用微波無線傳輸能源的優(yōu)點是什么?
首先是波長短,與波長長的電波相比,相對不容易擴(kuò)散。從高度為3.6萬km的地球靜止軌道向接收天線傳送能源時,需要的接收天線的面積小于波長長的電波,能夠降低設(shè)備的建設(shè)成本。其次是能夠穿透云層。在下雨和陰天的時候,只要選擇最佳的頻率,就能幾乎杜絕能源傳輸?shù)膿p失。
但微波也存在缺點。即便是微波,隨著距離的增加,電波的擴(kuò)散也會增大。微波的擴(kuò)散與發(fā)射天線的大小成反比。因此,為了盡可能縮小接收天線的直徑,避免傳輸能源出現(xiàn)損耗,反而需要擴(kuò)大發(fā)射天線的直徑。
微波無線能源傳輸技術(shù)開發(fā)上最大的難題,是控制微波束的方向,使能源準(zhǔn)確傳送到接收天線。
關(guān)于波束方向控制的困難程度,有這樣一個比喻:如果接收天線的直徑為幾公里,從3.6萬km高空的地球靜止軌道瞄準(zhǔn)天線,就像是從東京瞄準(zhǔn)立在名古屋的直徑約為9m的圓靶。用角度來說,微波束方向的偏差要控制在0.001度的范圍之內(nèi),需要精度極高的方向控制技術(shù)。
為此,JAXA正在研發(fā)這樣的微波相位控制技術(shù):從接收天線向空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星發(fā)射用于引導(dǎo)的導(dǎo)頻信號,高精度檢測收到信號的方向,并向該方向發(fā)射微波束。
使用這種技術(shù)可以使微波束準(zhǔn)確對準(zhǔn)接收天線的方向。并且,若事先設(shè)定了使微波在引導(dǎo)用導(dǎo)頻信號停止后不再匯聚,則即使出現(xiàn)意外情況導(dǎo)致微波的方向大幅偏離接收天線的位置,也可以保證安全性。此時,微波將呈現(xiàn)發(fā)散狀,不匯聚成束。
除此之外,JAXA還在考慮并用可修正發(fā)射天線模塊之間的位置、方向偏差的相位控制,以使地面的接收功率達(dá)到最大。
激光無線能源傳輸技術(shù)優(yōu)缺點分析
使用激光的優(yōu)勢在于波長比微波更短,與微波相比,收發(fā)裝置可以實現(xiàn)小型化。因為波長越短,波束就可越細(xì),所以可以縮小發(fā)射天線與接收天線的直徑。因此能夠大幅削減建設(shè)成本。
但激光的弱點是會在云、雨、空氣、灰塵的作用下急劇衰減。能源傳輸送時的損失大于微波。
而且對于波束方向控制精度的要求比微波高100倍左右。如果說微波是從東京瞄準(zhǔn)名古屋的直徑約為9m的靶子,那么,激光瞄準(zhǔn)的則是直徑約為9cm的靶子。而且,與微波相比,激光的波束越細(xì),能量集中的面積越小。因此,接收裝置附近需要更加嚴(yán)格的安全管理。
現(xiàn)在,JAXA準(zhǔn)備做以高精度的方向控制,從高度約為200m的塔上,向地面的接收裝置傳輸500W功率激光的實驗,目前正在進(jìn)行準(zhǔn)備。這項實驗也計劃在2014年度內(nèi)實施。
實驗人員還預(yù)定通過這項實驗,確認(rèn)大氣湍流對于激光的影響等。在2014年度,微波、激光都將開展大型實驗,對空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究來說,將會是一個重要的里程碑。”