畢業(yè)論文----微波輸電技術(shù)應(yīng)用的展望

1、<p>　　本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　題 目： 微波輸電技術(shù)應(yīng)用的展望 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： ********

2、 </p><p>　　系 別： *************系 </p><p>　　年 級(jí): **物本 </p><p>　　專 業(yè)： 物理學(xué)

3、 </p><p>　　指導(dǎo)教師 *** 職稱： 講師 </p><p>　　2011年 5月 8 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　文章簡(jiǎn)單介紹微波輸電的原理，并對(duì)微波輸電在將來生產(chǎn)生活中的運(yùn)用作設(shè)想，

4、 簡(jiǎn)要敘述了衛(wèi)星太陽能電站的概念,特別強(qiáng)調(diào)了微波輸電技術(shù)和建造衛(wèi)星太陽能電站的科學(xué)技術(shù)意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義; 展望其在倡導(dǎo)低碳生活和節(jié)約資源的將來的廣闊前景。 輸電技術(shù)的發(fā)展與發(fā)電、用電及整個(gè)社會(huì)的發(fā)展和要求密切相關(guān)，并且相互促進(jìn)。隨著各項(xiàng)基礎(chǔ)理論技術(shù)的發(fā)展、可再生能源全面開發(fā)和電力市場(chǎng)的發(fā)展與完善，對(duì)廉價(jià)高品質(zhì)電能和電網(wǎng)運(yùn)行及用電的靈活可靠性要求進(jìn)一步提高，微波輸電方式將會(huì)在其適合的領(lǐng)域得到充分的發(fā)展。</p><

5、p>　　關(guān)鍵詞：微波　輸電　衛(wèi)星太陽能電站 </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This paper gives a brief introduction of microwave transmission of microwave transmission principle, and the application o

6、f production and life in the future for ideas, briefly discusses the concept of satellite solar power, with particular emphasis on the microwave transmission technology and build the satellite solar power science and tec

7、hnology meaning and profound strategic significance; Forecast its in advocating low carbon life and save resources future and broad prospects. Transmission te</p><p>　　Keywords: microwave transmission SSPS S

8、atellite Solar Power Station</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1、 前言………………………………………………………………………………………1</p><p>　　2、微波輸電原理…………………………………………………………………………1</p><p>　

9、　2.1微波電能傳輸技術(shù)的發(fā)展歷程 ……………………… ……………………1</p><p>　　2.2 微波電能傳輸?shù)脑?…………………………………………………………2</p><p>　　2.3 微波輸電的研究進(jìn)展 …………………………………………………………3</p><p>　　3、微波輸電的研究與應(yīng)用展望 ……………………………………………………5<

10、/p><p>　　3.1微波輸電的優(yōu)勢(shì)…………………………………………………………………5</p><p>　　3.2運(yùn)用微波輸電技術(shù)建衛(wèi)星太陽能電站 ……………………………………6</p><p>　　3.2.1什么是衛(wèi)星太陽能電站 …………………………………………………6</p><p>　　3.2.2建造衛(wèi)星太陽能電站技術(shù)經(jīng)濟(jì)性估價(jià)…………

11、………………………7</p><p>　　3.2.3衛(wèi)星太陽能電站的微波傳輸系統(tǒng) ………………………………………7</p><p>　　3.2.4衛(wèi)星太陽能電站的幾個(gè)問題 ……………………………………………8</p><p>　　4、結(jié)束語…………………………………………………………………………………9</p><p>　　致 謝 ……………

12、…………………………………………………………………………11</p><p>　　參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………12</p><p>　　注 釋 ………………………………………………………………………………………13</p><p><b>　　1、前言</b></p><p>

13、　　自從1882年法國人德普勒首次實(shí)現(xiàn)第一條直流輸電線把電力送到57 km遠(yuǎn)的慕尼黑國際博覽會(huì)驅(qū)動(dòng)水泵電動(dòng)機(jī)，1891年第1條三相交流高壓輸電線在德國勞奮一法蘭克?？⒐ひ詠恚_始了電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)直流和交流輸電一個(gè)多世紀(jì)的應(yīng)用和發(fā)展，至今已形成較完善的高壓直流輸電(high-voltage direct current 高壓直流(電) 簡(jiǎn)稱：HVDC)和交流輸電(high-voltage alternating current 高壓交流電

14、 簡(jiǎn)稱：HVAC)技術(shù)[5]【文獻(xiàn)5】。但人類在這一個(gè)人多世紀(jì)以來，輸電的媒介都是使用金屬導(dǎo)線，傳統(tǒng)的銅、鋁導(dǎo)線傳輸電能的方式有眾多缺點(diǎn)，一是傳統(tǒng)的輸電方式造價(jià)高，銅、鋁都是較昂貴的金屬，架設(shè)輸電線路勢(shì)必需要大量的金屬導(dǎo)線及配套的鐵塔、電桿；二是在金屬導(dǎo)線傳輸過程中會(huì)造成大量的能量損失，電能在輸送過程中一部分轉(zhuǎn)換成熱量浪費(fèi)掉；三是架設(shè)輸電線路需要大量的人力物力，并會(huì)浪費(fèi)許多寶貴的土地資源；四是隨著各種新能源的開發(fā)、不同負(fù)荷對(duì)電力需求的多

15、樣化和技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面的要求及傳統(tǒng)HVDC和HVAC本身所固有的特性，使它們不能適應(yīng)所有輸電場(chǎng)合，于是多種新型輸電方</p><p>　　發(fā)展微波輸電技術(shù)可以減少大量的電能傳輸設(shè)備的建設(shè)，在解決傳輸效率后輸電的損耗也將大大改善，由此將會(huì)在節(jié)約能源、節(jié)約資源方面為國家做出不可估量的貢獻(xiàn)。發(fā)展微波輸電的意義在于：(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(shí)，損耗很低，僅為2％左右。微波輸電使電力

16、發(fā)、送、供、用的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)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(jì)、不合理的狀況，彌補(bǔ)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?？稍诘厍蛏峡盏撵o止軌道上建設(shè)定點(diǎn)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(hù)。</p><p><b>　　2、微波輸電原理</b></p>

17、;<p>　　2.1 微波電能傳輸技術(shù)的發(fā)展歷程</p><p><b>　　初創(chuàng)階段</b></p><p>　　最早產(chǎn)生微波輸能設(shè)想的是尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla) ,因而有人稱之為微波電能傳輸之父。1890年,特斯拉就做了微波電能傳輸試驗(yàn)。特斯拉構(gòu)想的微波電能傳輸方法是把地球作為內(nèi)導(dǎo)體,把地球電離層作為外導(dǎo)體,通過放大發(fā)射

18、機(jī)以徑向電磁波振蕩模式,在地球與電離層之間建立起大約8 Hz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(cái)力不足,特斯拉的大膽構(gòu)想沒能實(shí)現(xiàn)。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(dǎo)波可達(dá)到近100%的傳輸效率,并隨后在反射波束導(dǎo)波系統(tǒng)上得到了驗(yàn)證。</p><p><b>　　發(fā)展階段</b></p><p>

19、;　　20世紀(jì)20年代中期,日本的H. Yagi和S. Uda發(fā)明了可用于微波電能傳輸?shù)亩ㄏ蛱炀€,又稱為八木- 宇田天線。20世紀(jì)60年代初期雷聲公司(Raytheon)的布朗(W. C. Brown)做了大量的微波電能傳輸研究工作,從而奠定了微波電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)基礎(chǔ),使這一概念變成了現(xiàn)實(shí)。在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一種效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的半波電偶極子半導(dǎo)體二極管整流天線,將頻率2. 45GHz的微波能量轉(zhuǎn)換為了直流電。1977年在實(shí)驗(yàn)中使用GaAs

20、- Pt肖特基勢(shì)壘二極管,用鋁條構(gòu)造半波電偶極子和傳輸線,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. 45 GHz時(shí)效率達(dá)到了85%。自從Brown實(shí)驗(yàn)獲得成功以后,人們開始對(duì)微波電能傳輸技術(shù)產(chǎn)生了興趣。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室和Lewis科研中心曾將30 kW的微波無線輸送1. 6 km,微波———直流的轉(zhuǎn)換效率達(dá)83 %。1991年,華盛頓ARCO電力技術(shù)公司使用頻率35 GHz的毫米波

21、,整流天線的轉(zhuǎn)換效率為72 %。1998年, 5. 8 GHz印刷電偶極子整流天線陣轉(zhuǎn)換效率為82%。前蘇聯(lián)在微波電能傳輸方面</p><p>　　2.2、微波電能傳輸?shù)脑?lt;/p><p>　　所謂微波輸電(W ireless Power Transmission,簡(jiǎn)稱WPT) [2],就是用微波源把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉?然后由天線發(fā)射出去;大功率的電磁射束通過自由空間后被接收天線收集,經(jīng)微

22、波整流器后重新轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。它的?shí)質(zhì)就是用微波束來代替輸電導(dǎo)線,通過自由空間把電能從一處輸送到另一處。如：圖1</p><p><b>　?。▓D1）</b></p><p>　　上世紀(jì)60年代,William C. Brown向世人展示的微波傳輸電能系統(tǒng)。</p><p>　　該微波傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接受天線3部分。微波源內(nèi)有磁控管

23、,能控制源在2. 45 GHz頻段輸出5～200W的功率;微波源輸出的能量通過同軸電纜連接至和波導(dǎo)管之間的適配器上;亞鐵酸鹽的循環(huán)器連接在波導(dǎo)管上,使波導(dǎo)管和發(fā)射天線相匹配。發(fā)射天線包含8 個(gè)部分,每個(gè)部分上都有8 個(gè)縫隙。這64個(gè)縫隙均勻的向外發(fā)射電磁波。這種開孔的波導(dǎo)天線很適合用于微波電能傳輸,因?yàn)樗懈哌_(dá)95%的孔徑效率和很高的能量捕捉能力。硅控整流二極管天線用來收集微波并把它轉(zhuǎn)換成直流電,在布朗展示的系統(tǒng)中該接受天線擁有25%的

24、收集和轉(zhuǎn)換效率,這種天線在2. 45GHz測(cè)試時(shí)曾經(jīng)達(dá)到甚至超過90%的效率。傳輸距離比較遠(yuǎn)之后,增強(qiáng)天線的方向性和效率會(huì)十分困難。</p><p>　　2.3微波輸電的研究進(jìn)展</p><p>　　早在100年前,特斯拉用工作電壓100MV、頻率150 kHz的電磁波發(fā)生器產(chǎn)生非定向電磁輻射,成功地點(diǎn)亮了兩盞白熾燈。這就是最初的微波輸電實(shí)驗(yàn)室演示,從那時(shí)起微波輸電的概念問世了。到了20世

25、紀(jì)20年代中期,日本的H. Yagi和S. Uda論述了微波輸電概念的可行性; 30年代初期美國的研究者也開始了不用導(dǎo)線點(diǎn)亮電燈的輸電方案的探討。</p><p>　　自從Brown實(shí)驗(yàn)獲得成功以后,人們開始對(duì)微波輸電技術(shù)產(chǎn)生了興趣。斯坦福大學(xué)的Dunn和他的同事也進(jìn)行了理論研究 ,并證明了在半徑1m的圓波導(dǎo)中以低損耗的TE001模式傳輸GW量級(jí)的高功率微波潛在的可行性。他們?cè)O(shè)想用圓波導(dǎo)傳輸?shù)奈⒉芰縼眚?qū)動(dòng)城市交

26、通工具(如封閉的有軌電車或地鐵) 。據(jù)估計(jì),如果傳輸頻率10GHz的TE001波模,每傳輸1 000 km的損耗約5%。但是由于大截面圓波導(dǎo)加工的困難和實(shí)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(shí)施。</p><p>　　在美國宇航局的支持下, 1975年開始了微波輸電地面實(shí)驗(yàn)的五年計(jì)劃,由噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室和Lewis科研中心承擔(dān),將30kW的微波無線輸送1. 6km,微波2直流的轉(zhuǎn)換效率為8

27、3%。從80年代末起,某些微波輸電試驗(yàn)放在空間2地面、空間2空間之間進(jìn)行,現(xiàn)在空間站上的微波輸電試驗(yàn)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)換效率為72%。毫米波段的優(yōu)點(diǎn)是天線的孔徑較小,缺點(diǎn)是毫米波源的效率比厘米波低,器件的價(jià)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(duì)2.45GHz頻段通信潛在的干擾,美國宇航局傾向把5.8GHz的頻率用于微波輸電。這兩個(gè)頻率

28、點(diǎn)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(jià)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%。近年來也發(fā)展了微帶整流天線和圓極化整流天線。</p><p>　　前蘇聯(lián)在微波輸電方面也進(jìn)行了大量的研究。20世紀(jì)50年代末期,在著名科學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者П. Л. Капица（彼得·卡皮查 1894年7月9日－1984年4月8日，蘇聯(lián)著名物理學(xué)家，超流體的發(fā)現(xiàn)者之一，曾獲得

29、1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。）的直接領(lǐng)導(dǎo)下,微波輸電理論和實(shí)驗(yàn)研究拉開了序幕。在他超越時(shí)代的研究中,專門設(shè)計(jì)了命名為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(jì)大功率、高效率的微波發(fā)生器和微波--直流電轉(zhuǎn)換器是微波輸電最緊迫的問題。在莫斯科大學(xué)的一個(gè)研究組在微波輸電與衛(wèi)星太陽能電站方面進(jìn)行了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究(包括系統(tǒng)、子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和相關(guān)的微波器件的研制等) 。與

30、微波公司合作,他們研制出了一系列微波輸電器件,其中包括微波輸電的關(guān)鍵器件———快回旋電子束波微波整流器。從1996年開始已將有關(guān)回旋波整流器的技術(shù)提供給日本京都大學(xué)的Mat2sumoto、Shinohara等人,計(jì)劃在“自由號(hào)”國際空間站的日本模塊上進(jìn)行試驗(yàn)。關(guān)于在空間大范圍使用太陽能的想法應(yīng)該追溯到前蘇聯(lián)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)專家В. П. Глушк</p><p>　　1970年“Journal of Microwav

31、e Power”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Glaser因提出這一想法而獲得美國專利證書。一年以后形成了專門的研究組織,其中包括Arthur D. Little公司、Grumman宇航公司、Raytheon公司和Textron公司。1973年美國國會(huì)撥出大約30億美元,委托美國宇航局領(lǐng)導(dǎo)太陽能利用方面的研究工作,其中特別強(qiáng)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(shí)起,衛(wèi)星太陽能電站

32、在美國宇航局Lewis研究中心立項(xiàng)。1974～1975年Boeing宇航公司公布了具有自己特色的衛(wèi)星太陽能電站的工程設(shè)計(jì)方案。微波輸電技術(shù)和衛(wèi)星太陽能電站這兩個(gè)想法結(jié)合在一起,也引起了美國能源部的極大興趣,于是形成了非常龐大的建造衛(wèi)星太陽能電站的研究計(jì)劃,準(zhǔn)備用工作在2.45GHz的速調(diào)管將5GW的電能從衛(wèi)星發(fā)送到地面。在美國宇航局和能源部的共同支持下,工程的各個(gè)方面都得到廣泛深入的研究,進(jìn)展很大,發(fā)表了很多學(xué)術(shù)論文,形成了大量很有價(jià)值

33、的技術(shù)資料。這自然也有力地推動(dòng)了前蘇聯(lián)的科研工作。從70年代末期起,微</p><p>　　由于全球氣候不斷變熱,以及有限的地球初級(jí)能源儲(chǔ)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) , 微波輸電技術(shù)和衛(wèi)星太陽能電站的前景在21世紀(jì)越來越受到國際社會(huì)科技界的關(guān)注。日本和法國初級(jí)能源短缺,對(duì)微波輸電技術(shù)和衛(wèi)星太陽能電站表現(xiàn)得特別積極。1996年京都大學(xué)與莫斯科大學(xué)開展了微波輸電的技術(shù)合作,并購買了回旋波整流

34、器。日本人研制了衛(wèi)星太陽能電站的教學(xué)模型,進(jìn)行了給氣球和飛機(jī)模型的微波輸電實(shí)驗(yàn)。2001年在日本召開了關(guān)于衛(wèi)星太陽能電站的研討會(huì),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)行微波輸電技術(shù)中間工程的試驗(yàn),將在赤道上空運(yùn)行衛(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的衛(wèi)星太陽能電站。這項(xiàng)工程的主要準(zhǔn)備工作和預(yù)先研究都由京都大學(xué)的Matsumoto、Shinohara等人承擔(dān),此外還

35、有Mitsubishi電氣公司、Matsushita公司等。1994年在法國留尼旺島專門召開了微波輸電技術(shù)研討會(huì)。現(xiàn)在法國人也正在進(jìn)行微波輸電試驗(yàn),在印度洋西部留尼旺島生態(tài)敏感的狹谷,將適當(dāng)?shù)奈⒉üβ蕚鬏?00m距離,用來研究微波輸電的</p><p>　　3、微波輸電的研究與應(yīng)用展望</p><p>　　3.1微波輸電的優(yōu)勢(shì)</p><p>　?。?)在宇宙空間，

36、微波是理想的傳輸媒介，它通過地球大氣層時(shí)，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(jiǎn)單，不再向傳統(tǒng)方式那般繁瑣。 </p><p>　　（2）能改變因能源分布不均衡造成的輸電不經(jīng)濟(jì)、不合理的狀況，彌補(bǔ)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。</p><p>　　（3）可在地球上空

37、的靜止軌道上建設(shè)定點(diǎn)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(hù)。建造衛(wèi)星太陽能電站是擺脫未來能源危機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)換,直接用于發(fā)電的微乎其微。因?yàn)樵诘厍虮砻娼ㄔ焯柲茈娬臼艿较铝兄T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(fēng)、霜、雨、雪的侵蝕;

38、(e)太陽光穿過大氣層時(shí)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(dāng)然這也會(huì)帶來其他的困難,譬如,電站建筑材料如何運(yùn)往空間,空間平臺(tái)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(chǎng)合下,架設(shè)輸電線路是不可能的,微波輸電無疑是唯一的選擇。</p><p>　　3.2 運(yùn)用微波輸電技術(shù)建衛(wèi)星太陽能 電站</p>&

39、lt;p>　　3.2.1 什么是衛(wèi)星太陽能電站？</p><p>　　所謂衛(wèi)星太陽能電站( Solar Power Satellite簡(jiǎn)稱SPS) ,就是在高度為35 800km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 （圖2）【圖自航天博物館網(wǎng)站】 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)

40、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(shè)施供給用戶,如圖2所示。</p><p>　　人類爭(zhēng)相開發(fā)利用空間資源必然會(huì)導(dǎo)致太空戰(zhàn)爭(zhēng)。地球上的初級(jí)能源和其他礦物的儲(chǔ)量都是有限的,人類的生存和發(fā)展必將導(dǎo)致原材料的枯竭,未來無疑會(huì)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(zhēng)取優(yōu)勢(shì)和獲得有利的地位,必然會(huì)導(dǎo)致太空

41、戰(zhàn)爭(zhēng)。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。 </p><p>　　據(jù)報(bào)道,美國將在2025年建立太空軍隊(duì),這是一個(gè)十分有力的事實(shí)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(jí)能源基地。要在空間建立武器基地,初級(jí)能源只能來自地球和宇宙空間。前者只可能是核燃料和應(yīng)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)

42、或未被利用的能量。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(dá)到攻擊空間和地面目標(biāo)的目的。</p><p>　　3.2.2 建造衛(wèi)星太陽能電站技術(shù)經(jīng)濟(jì)性估價(jià)</p><p>　　評(píng)價(jià)建造衛(wèi)星太陽能電站的經(jīng)濟(jì)性取決于很多因素:電站的個(gè)數(shù)、裝機(jī)容量、地面上能量供應(yīng)狀況、航天技術(shù)和微波技術(shù)的研究進(jìn)展、太陽能電池的造價(jià)

43、等。例如,建造第一個(gè)10GW的電站費(fèi)用自然要高,因?yàn)榇蟛糠仲M(fèi)用開支在科研、實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)上。如果第一個(gè)電站建造成功,后續(xù)電站的造價(jià)就低了。因此,為了估計(jì)電站的經(jīng)濟(jì)性,假定在空中建造100個(gè)功率為10GW的電站,這樣可以對(duì)電站的尺寸、質(zhì)量、造價(jià)、每度電的價(jià)格等進(jìn)行較合理的計(jì)算。</p><p>　　3.2.3 衛(wèi)星太陽能電站的微波傳輸系統(tǒng)</p><p>　　微波傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線和地

44、面接收天線、微波整流器、連接元件等。作為輸電應(yīng)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(dá)到90%和80% ,而理論上效率最高的磁旋束管放大器可達(dá)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(shí)驗(yàn)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(dá)方面獲得應(yīng)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?yàn)檫\(yùn)載火箭

45、、航天飛機(jī)的有效載荷約2. 5% ,質(zhì)量、體積的增加會(huì)大大增加發(fā)射費(fèi)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。</p><p>　　空間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(shè)計(jì)方案。相控陣天線通過改變相位和振幅使輻射的方向

46、性增強(qiáng),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(biāo)準(zhǔn)以下?？紤]到電站的功率大、微波傳輸距離遠(yuǎn),移相器應(yīng)滿足如下要求[2]: (1)大功率工作時(shí)動(dòng)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小; (5)尺寸小、質(zhì)量輕、造價(jià)廉。俄羅斯莫斯科大學(xué)研究發(fā)展了回旋波移相器,響應(yīng)時(shí)間10ns,能量損耗小于10%,控制電壓在- 600V～ + 600V之內(nèi)變化時(shí)相移呈線性特

47、性。用于太陽能電站,回旋波移相器的性能比半導(dǎo)體、鐵氧體、行波管移相器優(yōu)越。考慮到云霜雨雪等對(duì)電磁波的吸收和散射,大氣層內(nèi)的傳輸頻率宜低于3GHz,最佳為2. 45GHz,這是免申請(qǐng)的科學(xué)、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)[ 6 ] τ= ArAt / </p><p>　　微波

48、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(shì)壘整流器二極管,在實(shí)際使用中各有千秋。前者單個(gè)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(hù)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

49、整流,優(yōu)先選擇前者;若用于小功率輸電,后者占有優(yōu)勢(shì)。譬如功率為10GW的衛(wèi)星太陽能電站,要用數(shù)目約20億個(gè)肖特基勢(shì)壘整流器二極管,這將消耗大量的稀有材料,安裝、連接、測(cè)試、維護(hù)也很費(fèi)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(xué)宇宙能源動(dòng)力學(xué)和物理電子學(xué)實(shí)驗(yàn)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?shí)驗(yàn)試驗(yàn)和給低軌道軍用衛(wèi)星供電,并已出售給日本空間和宇宙

50、科學(xué)研究所,在“自由號(hào)”國際空間站的日本模塊上進(jìn)行試驗(yàn).</p><p>　　3.2.4衛(wèi)星太陽能電站的幾個(gè)問題</p><p>　　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(shì)(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(jì)性如何; (3)自由空間傳輸大功率電磁波對(duì)生態(tài)環(huán)境有無影響; (4)建造衛(wèi)星太陽能電站花費(fèi)多少資金。這些問題

51、在很大程度上取決于相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的科技進(jìn)步,而科技進(jìn)步和技術(shù)難點(diǎn)的突破與政府科技部門的投資力度密切相關(guān)。</p><p>　　輸電工程最關(guān)心的是效率和經(jīng)濟(jì)性。微波輸電的效率取決于微波源的效率、發(fā)射/接收天線的效率和微波整流器的效率,在Brown的實(shí)驗(yàn)中這四者的乘積達(dá)到54%。至于經(jīng)濟(jì)性如何,依賴于所用頻段的微波元器件的價(jià)格與有線輸電系統(tǒng)所用器材價(jià)格的比較,也與具體的輸電網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)有關(guān)系。</p>&l

52、t;p>　　衛(wèi)星太陽能電站的建造牽涉到航天、電子、材料、微波等領(lǐng)域。這項(xiàng)系統(tǒng)工程國外研究了很多年,已具備了相當(dāng)寬廣堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。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(yùn)送到空間,也就是如何提高運(yùn)載火箭的有效載荷、降低造價(jià)和重復(fù)使用的問題。衛(wèi)星太陽能電站的經(jīng)濟(jì)性與上述領(lǐng)域的技術(shù)成熟程度有關(guān),也與在空間建造電站的裝機(jī)容量有關(guān)(例如,造一個(gè)10GW電站當(dāng)然費(fèi)用高,利用已掌握的技術(shù)再造100個(gè)就便宜多了)

53、 。現(xiàn)在地面初級(jí)能源還可供使用,但是等到初級(jí)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(jī)的主要途徑,這樣就沒有更多的選擇余地了。</p><p>　　大功率定向電磁波從空間朝地面輸送時(shí)對(duì)環(huán)境的考慮有: (1)傳輸多大的能流密度對(duì)電離層的擾動(dòng)沒有影響; (2)采用哪一個(gè)微波電頻段對(duì)日常的通信不發(fā)生干擾; (3)地面整流接收站選在何處對(duì)飛機(jī)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

54、球靜止同步軌道上建造大面積的電站對(duì)地面有無效應(yīng)以及大量衛(wèi)星發(fā)射產(chǎn)生的航天垃圾污染。實(shí)際上,這些與使用高功率微波時(shí)所考慮的效應(yīng)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(yùn)行,而高功率微波僅在必要時(shí)使用。高功率微波的功率在100MW以上,甚至達(dá)到1013W,而發(fā)射天線的口徑又不大,因而能流密度很高。對(duì)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

55、×13km,中心處最大能流密度被限制在25mW / cm2 ,以防止對(duì)電離層的擾動(dòng),在整流天線邊緣的能流密度已降低至1μm / cm2 以下,與廣播臺(tái)、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(rèn)可的人類微波照射安全標(biāo)準(zhǔn)1mW / cm2。至于對(duì)通信的可能干擾,可以適當(dāng)?shù)剡x擇頻段和地面接收地點(diǎn)來避</p><p><b>　　4、結(jié)束語</b></p><

56、;p>　　微波輸能是一個(gè)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(xué)科。</p><p>　　1968年彼得·格拉澤提出的SSPS計(jì)劃對(duì)微波輸能技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，并立即啟動(dòng)了有關(guān)課題的研究，經(jīng)過40多年的努力，微波輸能在技術(shù)上已趨成熟。當(dāng)前人們還在對(duì)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(jìn)行研究。</p

57、><p>　　從目前的發(fā)展水平與趨勢(shì)來看，微波輸能必將本世紀(jì)的主要輸能方式。國外成立了國際空間大學(xué)，其主要科學(xué)活動(dòng)是研究如何利用空間太陽能。我國是一個(gè)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(huì)在能源危機(jī)中步入困境。這是一項(xiàng)涉及到國家政府決策機(jī)關(guān)、科學(xué)技術(shù)領(lǐng)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(shí)現(xiàn)這一宏偉藍(lán)圖。它的大規(guī)模實(shí)施不僅解決了未來世界范圍的能

58、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(shí)也將極大地帶動(dòng)和促進(jìn)相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,可能帶來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(diǎn),現(xiàn)在正在逐步努力地攻克。</p><p>　　總之,微波輸電技術(shù)與衛(wèi)星太陽能電站是客觀現(xiàn)實(shí),而不是科學(xué)幻想。盡管具體實(shí)施起來要耗費(fèi)巨大的資金,但從它所帶來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)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

59、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(yīng)用領(lǐng)域。</p><p><b>　　致謝：</b></p><p>　　本學(xué)位論文是在我的指導(dǎo)老師***老師的親切關(guān)懷與細(xì)心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇到論文的最終完成，***老師始終都給予了細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，并且在耐心指導(dǎo)論文之余，***老師仍不忘拓展我們的文化視野，讓我們感受到了文學(xué)的美妙與樂趣。值得一提

60、的是，郭笑天老師宅心仁厚，閑靜少言，不慕榮利，對(duì)學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)，在他的身上，我們可以感受到一個(gè)學(xué)者的嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)，這些都讓我們獲益菲淺，并且將終生受用無窮。畢竟“經(jīng)師易得，人師難求”，希望借此機(jī)會(huì)向郭笑天老師表示最衷心的感謝！</p><p>　　此外，本文最終得以順利完成，也是與**系其他老師的幫助分不開的，雖然他們沒有直接參與我的論文指導(dǎo)，但在開題時(shí)也給我提供了不少的意見，提出了一系列可行性的建議，在此向他們表示

61、深深的感謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　王秩雄,胡勁蕾,梁俊,王長華。 微波輸電技術(shù)的應(yīng)用前景[ J ]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2003. 4 (1)</p><p>　　王秩雄，王挺，喬斌。 微波輸電技術(shù)與衛(wèi)星太陽能電站的發(fā)展前景?？臻g電子技術(shù)。2006年第2期.6-12</p&g

62、t;<p>　　張茂春 , 王進(jìn)華 , 石亞偉。微波電能傳輸技術(shù)綜述。重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2009年10月. 第26卷第4期485-488</p><p>　　林為干,趙愉深,文一舸。 微波輸電,現(xiàn)代化建設(shè)的生力軍[ J ]. 科技導(dǎo)報(bào), 1994 (03) : 31-34</p><p>　　5 李廣凱，梁海峰，趙成勇，周明，李庚銀。幾種特殊輸電方式的分析比較

63、和展望。中國電力，2004年4月第37卷第4期：43-48</p><p><b>　　注釋：</b></p><p>　　1 ：雨衰，是指電波進(jìn)入雨層中引起的衰減。它包括雨粒吸收引起的衰減和雨粒散射引起的衰減。雨粒吸收引起的衰減是由于雨粒具有介質(zhì)損耗引起的，雨粒散射引起的衰減是由于電波碰到雨粒時(shí)被雨粒反射而再反射引起的。這種二次發(fā)射的電波入與射波方向無關(guān)，這是四面八