远距离大容量连续无线功率传输的机遇与挑战

李明,董士伟,石德乐

1.中国空间技术研究院,北京 100094 2.中国空间技术研究院西安分院,空间微波技术国家级重点实验室,西安 710100 3.山东航天电子技术研究所,烟台 264000

1 引言

电能是人类社会生活和生产最重要的能源。2021年中国全社会发电总量达到8.11万亿千瓦时,其中太阳能发电量占到2.26%,该占比距离2030碳达峰和2060年碳中和能源结构中的27%和47%,差距还相当大。地面太阳能光伏发电因为日夜循环、气象条件、大气损耗等因素影响,光照利用效率非常低;而空间太阳能发电光照利用效率远远高于地面光伏发电,因此有望成为太阳能发电产业的新增长点。

空间太阳能开发和利用需要解决的一个核心问题是:如何将空间光伏所发的电力远距离传输回地面?从36000km高的地球静止轨道到地面,无线功率传输成为唯一可能[1-3]。在麦克斯韦方程提出25年后的1899年,尼古拉·特斯拉就开展了利用无线电波传输电能的试验。1926年,日本的八木和宇田成功地进行了电磁波功率传输试验[4]。1964年,W·C·布朗成功利用微波功率驱动一架无人机模型,建立了微波功率传输的技术内涵和系统架构[2]。

远距离无线功率传输可以采用的载波包括微波和激光。频率在300MHz～300GHz、对应波长范围在1m～1mm的电磁波都属于微波。常用于无线功率传输的微波频率包括2.45/5.8/10/35GHz等;激光功率传输则常采用800nm或1064nm波段。美国海军实验室的P.Jaffe曾用三个“1”定义无线功率传输的基本特征:总效率优于1%,传输距离远于1m,连续工作时间长于1min[5]。对于远距离连续大容量无线功率传输,我们认为应具备如下特征:1)传输距离在1km以远;2)接收端可用功率在1kW以上;3)连续工作时间在1h以上;4)传输总效率在10%以上;5)采用微波或激光作为电能的载体。

19世纪末信息传输从有线到无线的跨越已经极大地改变了人类的生产和生活方式,能量的无线传输必将像无线通信技术那样,更深刻地改变人类生活方式,更积极地优化社会生产方式,进一步推动人类历史文明进程。

本文全面论述了远距离大容量连续无线功率传输技术的发展现状、面临的发展机遇和挑战,并提出了中国发展远距离连续大功率无线功率传输的建议。

2 远距离大容量连续无线功率传输的发展机遇

2.1 空间太阳能电站事业发展曙光初现

为了应对气候变化问题,2015年12月巴黎气候变化大会正式通过《巴黎协定》,确定了“在本世纪后半叶实现净零排放”的长期目标。中国的二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。净零排放的根本解决之道在于发展绿色清洁能源。空间太阳能电站作为一项具有重要战略意义的航天工程,不仅可以解决基础能源问题,还可以为碳排放净零提供重要支撑,已经在国内外受到高度关注。

2021年初,美国空军研究实验室宣布了“空间太阳能增强验证与研究(SSPIDR)”计划,它分为4个阶段,第一阶段包括3次在轨试验,首次星地微波功率传输试验计划于2023年进行[6]。2022年5月,美国宇航局(NASA)也宣布将重新评估空间太阳能电站的可行性。2021年12月日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)发布空间工程新的发展计划,将持续改进微波功率传输各环节效率,并于2025年开展近地轨道星地微波功率传输演示验证。英国于2022年3月成立了空间太阳能推动(SEI)组织,将联合开展空间太阳能电站的技术发展和演示验证。目标是在2030年开展第一次在轨试验,在2040年实现向电网供电,并开始取代部分化石能源发电[7]。

中国空间技术研究院和西安电子科技大学分别提出了多旋转关节空间太阳能电站(MR-SPS)[8]和欧米茄空间太阳能电站(OMEGA-SPS)系统方案[9]。2014年,相关部门联合提出中国空间太阳能电站“两大步,三小步”的发展设想。近期完善了该设想,计划于2025年前后开展星地微波功率传输和星间激光功率传输试验[10]。

上述发展新态势无疑为远距离大容量连续无线功率传输的发展提供了机遇。

2.2 深空探测重大专项强力牵引

月球探测和开发利用是深空探测重大专项的重点发展方向,由于月球特殊的长达14天的月夜条件,而且月球南北极永久阴影区全年没有太阳光照,能源供给成为月球探测和月球资源开发利用的核心技术之一。通过环月轨道或着陆器上的高功率激光无线功率传输系统,为月球探测器进行能源供给,将大幅提高月球探测器在月表工作时间和活动范围。未来的月球基地可以利用无线功率传输为各种移动设备进行灵活供电,相关应用设想亟需解决远距离、大功率的空间无线功率传输关键技术[11]。

2.3 航天器供电模式变革持续深入

随着新型航天器概念系统的不断出现,其供电模式的变革也在持续深入地开展,星间无线功率传输就是一种颠覆性供电模式。星间无线功率传输的收发两端都在空间飞行器平台上,收发设备的体积和质量都受到平台承载能力的限制,而功率波束却不存在传输媒质的影响。因此,无线功率传输应采用更高频率的电磁波甚至光波。这种应用下传输距离为千米到10千米量级,传输的电功率达百瓦到千瓦量级,可以采用的电磁波频率应达到毫米波、亚毫米波频段,可采用的激光波长有800nm以及1060nm波段[12]。

2.4 其他应用场景层出不穷

微波功率传输技术发展初期的目的是维持无人飞行器长航时飞行[2],这至今仍然是一个显著的需求。目前,无人飞行器在科考与资源勘探、海岛无人值守、环境态势感知、应急救灾等应用中具有重要的潜力,通过陆基、车载、舰载等无线功率发射装置为无人飞行器无线供电,可以使之长期连续工作。另外一类比较特殊的应用就是山区、海岛等极端环境的灵活供电,以及灾害地区的应急供电。平流层太阳能电站则是空间太阳能电站的重要阶段,既能满足某些实际的应用需求,也能比较充分地验证空间太阳能电站的关键技术。在这些应用中,其供电需求与具体应用场景有关,差异较大。

上述种种典型应用场景的需求为远距离连续大容量无线功率传输提供了发展机遇,随着技术本身的发展,更多的应用需求将会得到开发和拓展,它们反过来又将为技术发展带来新的机遇。

3 远距离大容量连续无线功率传输的研究进展

3.1 系统研究概述

美国至今仍然保持着微波功率传输距离最远、功率最大、效率最高的3项纪录。进入新的发展阶段以来,美国的微波功率传输技术研究主要面向空间太阳能电站和军事任务增强两类应用。

2020年5月,X-37B空天飞行器装载了 “光伏射频天线模块(PRAM)”,其尺寸为0.3m×0.3m,可以接收太阳能并将其转化为电能,进一步转化为微波能量。该模块在轨期间最高生成8.4W微波功率,光生微波效率为8%[6]。这次试验是专门为太阳能发电卫星设计的设备首次在空间进行试验。2021年海军研究实验室组织开展了2次远距离大功率地面微波功率传输试验,首先采用5.4m口径抛物面天线和1.02m×1.09m整流表面阵进行了1046m功率传输,工作频率9.73GHz,微波功率源输出91.2kW,整流输出功率1.65kW。然后采用36.6m口径卡塞格伦天线和2.06m×2.19m圆极化整流表面阵进行了1141m微波功率传输,工作频率10.5GHz,发射功率可达210kW以上,整流输出功率为1030W。这2次微波功率传输试验是第一次频率高达X频段、距离超过1km、传输电功率大于1kW的试验[13]。

2019年5月,PowerLight公司开展了激光功率传输试验,发射激光2kW,传输距离325m,接收电功率约400W[14]。2022年6月,美国国防高级研究计划局(DARPA)发布 “机载能源井”(airborne energy wells)的吊舱项目,利用激光为无人机进行无线充电。DARPA要求吊舱的激光功率达到100kW以上,并认为机载能源井可成为“更广泛的发电、电力中继和接收的能源网络的一部分”。

日本对远距离大容量连续微波功率传输的研究广泛而深入,规划长远且执行有力,2015年开展了远距离水平微波功率传输地面试验,之后进入垂直传输验证阶段[15]。2019年5月,相关团队联合开展了用微波功率波束驱动无人机飞行的垂直传输试验,地面功率发射天线采用1.2m×1.2m固态相控阵,整流天线采用200mm×186mm轻量化整流表面,无人机在10m和30m高度飞行时整流输出功率分别达到60W和42W,为无人机电池充电的同时点亮LED灯[16]。这次试验利用无人机实现了地对空的微波功率传输,测量了功率方向图,还验证了反向波束控制技术。

2020年,京都大学基于相控电真空微波源和波导缝隙阵列开发了微波功率发射阵列,天线口径尺寸为1.0m×0.58m,发射功率达到1340W,整流输出功率为142W。功率波束指向可以在±3°范围内调控[17]。这项工作为实现地面低成本大功率微波功率传输系统探索了技术途径。

2016年5月,JAXA等机构利用213m高的电梯研究开展了高精度激光无线功率传输试验,1070nm激光器最高输出功率350W,发射望远镜口径为12cm,光束精度达到2.5 μrad,输出电力74.7W,光电转化效率达到21.3%。

中国的微波功率传输研究在空间太阳能电站等应用牵引下迅速开展起来。2020年,中船701所利用35GHz微波功率传输试验验证了微波功率波束的无衍射传输,发射端采用电真空功率源和波导缝隙阵列,接收端采用GaN整流天线,发射功率近1kW,传输距离300m,总体效率达到9.89%。这项工作的意义在于远距离传输条件下提高波束收集效率。四川大学于2020年开展了10m传输距离的微波功率传输试验,总体效率达到18.5%[18]。重庆大学在2014年就开展了基于气球的微波功率垂直传输演示试验,近年来又在微波驱动斯特林发电机技术方面取得一系列进展,可用于大功率微波整流,并基于此提出了新的微波功率垂直传输试验方案。2021年6月,中国空间技术研究院西安分院面向空间太阳能电站应用开展了C频段全功能微波功率传输验证试验,发射端采用1.2m×1.2m固态相控阵,发射功率900W,传输距离30m;接收端采用包络为2m×2m的非均匀序整流表面,整流输出功率37W;还开展了波束指向控制试验,指向精度为0.266°,最高精度优于0.1°[19],该精度指标是见诸报道的最高水平。2022年6月,西安电子科技大学面向空间太阳能电站应用开展了第一次全链路功率转换与传输试验,演示了从太阳光汇聚到微波整流输出的全部功率转换和传输环节,其中微波发射功率达到2081W,传输距离55m,传输效率达到15.5%。

山东航天电子技术研究所在“十二五”期间进行了远距离的激光无线功率传输地面试验,在国际上首次实现两飞艇之间的激光无线功率传输,实现了100W传输功率和16.08%的传输效率[20]。“十三五”期间,开展了无人机激光无线功率传输试验,传输距离约200m,激光发射功率为700W,接收端功率为150W。2020年,上海光机所基于全固态激光器的谐振光束实现了无线充电,输出光功率为10.18W,将2W的电功率最远传输到2.6m的距离,通过进一步提升谐振腔的可移动性,该技术有望广泛应用于手机等电子器件的远程无线充电。

2019年,韩国参加了韩美微波功率传输联合试验,在暗室内用微波功率波束为气球供电[21]。近年来,韩国还开发了X频段微波功率发射端,采用GaN功放MMIC和平面天线阵,发射功率达到1500W。

英国的空间太阳能电站系统直接以微波功率发射天线来命名——恒定口径固态集成在轨相控阵(CASSIOPeiA)。该相控阵采用了具有360°扫描能力的单元,每个单元又包含3个全向天线,通过调整3个天线上电流的相对幅度和相位,可以形成零点在任意位置的心形方向图,从而可以优化大范围扫描时的栅瓣特性[22]。

欧空局月球车项目PHILIP(powering rovers by high intensity laser induction on planets)目标是设计一套激光系统,执行任务的着陆器将携带一个太阳能驱动的500W红外激光器,在15km以上的距离为月球南极陨石坑永久阴影区内的月球车提供能源。2016年10月,俄罗斯能源火箭航天公司对1.5km之外的手机进行了激光充电试验,光电转换效率高达60%。2021年11月,该公司宣布将进行太空能源的激光无线传输测试。

无线能量传输技术的发展在系统验证中表现为传输距离越来越远、效率越来越高,其中微波能量传输系统的规模呈现出逐渐增大的趋势,而且直接面向应用的在轨验证已经逐步开展起来。

3.2 高集成度有源相控阵天线

空间大容量微波功率传输发射端的主体是大口径有源相控阵天线,其主要发展需求是低面密度和高效率,而低面密度的实现途径是高集成度和先进材料应用。当前,多功能结构(MFS)和薄膜天线都得到了快速发展。

多功能结构(MFS)是一种将系统的结构机构、供配电、热控、电子等功能子系统和部件进行集成的设计思想和实现方式,由洛克希德·马丁公司提出[24-26]。多功能结构思想已经用于星载SAR天线的开发,C频段SAR天线阵列的面密度已经达到10kg/m2。该思想同样可用于开发微波功率发射阵列,并继续减小阵列面密度。

加州理工学院在低面密度微波功率发射阵列方面取得了重要进展。2019年他们面向空间太阳能电站开发了有源相控阵样机,其中有源部分是基于CMOS工艺的射频芯片,称为功率同步与控制单元(PSCU),具有信号同步、幅相控制、信号采样、功率放大等功能,为每个辐射单元提供50mW的微波功率。高效辐射阵列采用聚酰亚胺为支撑结构,单元采用独立贴片形式。金属贴片和接地板部分进行了打薄或采用网格结构;贴片天线采用空气基板[27]。通过上述技术手段,微波功率发射阵列的面密度达到1kg/m2,在面密度方面已经满足了空间太阳能电站的要求,但是其功率密度较低。

日本开发了多套微波功率发射阵列试验样机,JAXA从2017年开始着手开展高集成度有源相控阵天线,目标是达到3.3kg/m2的面密度,其中最重的部分是微波电路的基板。这项研究预计在2023年完成,支撑空到地的微波功率垂直传输验证。

3.3 高效直流-微波转换

微波功率器件与电路的转换效率是决定微波功率传输效率的关键因素之一。目前商业化的微波功率器件,对于无线通信应用强调的是带宽、线性度等指标,对于雷达应用强调的是脉冲功率、带宽等指标。对于微波功率传输这种要求窄带、高效的应用,有针对性的研究并不多见,在固态器件方面,第三代半导体已经广泛应用,研究主要体现在效率的提升;在电真空器件方面,研究主要体现在开展低成本器件的相位控制和可靠性提升。

日本电气通信大学基于GaN HEMT器件,利用谐波阻抗调控原理,为微波功率传输研制的5.8GHz功率放大器转换效率已经达到79%,输出功率为21.3W。这样的效率已经接近空间太阳能电站的指标需求。

京都大学立足于电真空器件大功率、低成本的优势,利用注入锁相原理实现磁控管幅相可控特性,取得良好效果,实现了4只功率源锁在同频,单管输出功率可达450W,相位控制精度达到1°,功率波束有效合成和扫描。还探索了磁控管的输出功率和相位同时控制的新原理,已经实现了5.8GHz幅相可控磁控管,单管最大输出功率达1800W,转换效率达61%[17]。另一个重要研究方向是可靠性提升,已有技术途径包括:新型阴极材料、冷阴极等。当前开发的技术途径是电子轨迹调控。

3.4 高效整流器

微波整流器件与电路的转换效率是决定微波功率传输效率的又一关键因素。目前可采用的微波整流器件主要是肖特基二极管和晶体管,但并没有专门针对微波功率传输应用的产品。1974年雷声公司的W.C.Brown研制了一批GaAs肖特基二极管,整流效率达到90.6%,但该技术并未固化下来。

2021年初,京都大学基于GaAs工艺研制出了2.45GHz肖特基整流器,在5W输入下整流效率达到91%,创下了新的效率记录。他们深入分析了二极管串联电阻、结电容等因素对效率的影响权重,通过增大金属-半导体结的面积来减小结电阻,提高击穿电压,同时实现了高效率和高功率容量。GaAs二极管能够满足微波功率传输对效率的要求,可作为主要技术途径。GaN肖特基二极管具有功率容量高的特点,适用于一些传能系统。西安电子科技大学研制了5.8GHz GaN肖特基二极管,基于此设计的整流电路达到了71%的转换效率。

利用时间对偶原理,用晶体管也可以开发微波整流器,从目前的研究成果看,晶体管整流器可以满足单管10W级功率容量的应用,效率接近80%[29]。

还有一类电真空器件可用于微波整流,即快回旋电子束波整流器(回旋波整流器)。这类器件可以实现单管10kW级以上的整流,效率达到85%～90%,最早由莫斯科大学提出并开发,但因需求牵引不足,后续并未开展持续研究,目前俄罗斯Istok公司和电子科技大学具有一定研究基础。

3.5 高精度无线功率反向波束控制

反向波束控制是保证微波功率传输波束收集效率(BCE)的主要技术措施,是远距离无线功率传输的重要技术谱系组成。软件化方向回溯和相位共轭是2种基本的反向波束控制技术。

软件化方向回溯是将导引信号来波方向测量和相控阵波束指向控制结合起来、基于数字信号处理的方法。软件化方向回溯的指向精度取决于相控通道的数量和相位偏差特性,是一种规模随适的技术途径,也就是说随着系统规模增大,波束指向精度的要求越高,实现高精度的条件也容易得到保证。西安分院通过30m传输试验系统验证软件化方向回溯方法,导引信号测向精度达到0.03°,指向控制精度最高优于0.1°[30]。

相位共轭是直接利用导引信号相位信息的方法。该方法不依赖导引信号来波方向解算,适用于远、近场条件下的传输链路。美国西弗吉尼亚大学和南京航空航天大学长期开展相位共轭技术研究,试验验证了基于硬件变换和数字变换的相位共轭方法,利用4通道相位共轭回复反射阵实现了对移动目标的跟踪输电,指向控制精度达到0.5°[30]。

在远距离激光传能中需要进行激光光束控制,确保远端激光光斑尺寸与激光电池板相匹配,并精确对准,满足传输效率要求。对动态目标要进行精确、实时跟踪,进行连续工作。光束控制包括光束的准直、变焦发射、跟瞄对准等[31]。山东航天电子技术研究所采用了复合轴控制、预测跟踪等技术,通过飞艇间、无人机激光传能实验验证,实现了87μrad@3°/s的跟踪精度。同国外合作,研制了贝塞尔光束形成系统[32],大气条件下无衍射距离超过3km,光功率密度是普通高斯光束的2.1倍。

3.6 大功率高效高光束质量激光器

激光器的输出功率、光束质量是决定激光无线功率传输性能的关键因素之一。半导体激光器和光纤激光器是目前常用的激光无线功率传输系统激光源,光谱合束、光纤光栅等激光器技术的进步为激光器的实用化发展奠定了坚实基础。

800nm波段半导体激光器具有的体积小、电光转换效率高、与GaAs光电池响应度高等特点对激光无线功率传输系统提供良好的传输效率基础,进一步通过光谱合束、空间及偏振合束等技术可实现高功率、高光束质量、高亮度激光输出。基于光谱合束技术,美国Teradiode公司开发出功率为百瓦至近万瓦量级的光源样机,Trumpf公司也实现了芯径为200μm的光纤输出连续功率达5kW的半导体激光器系统。

光纤激光器指采用光纤作为增益介质,结构简单、光束质量好、散热性能好,是激光功率传输最具前景的发展方向之一。光谱组束技术的逐步成熟加速了光纤激光器的发展,大大提高了高功率组束光纤激光器的光束质量。美国洛克希德·马丁公司于2014年通过密集阵光谱组束技术实现了30kW近衍射极限的光纤激光输出,达到了世界最先进水平[33]。2017年该公司又向美国陆军交付了一款60kW级激光器,创下了这种激光器的世界纪录。

3.7 高效激光电池

激光光伏电池的转换效率不仅影响激光功率传输系统的效率,而且影响着具有一定输出电功率的功率传输系统中电池组件的面积、组件对散热的要求、对激光器功率的要求等。通过多结层叠激光电池技术的发展,以及液相外延技术、电极图形的优化设计、减反膜的优化设计和制备等激光电池制备关键技术工艺的提升,获得了更高光电转换效率、高功率密度、高开路电压的GaAs光伏电池和InGaAs光伏电池[35-36]。

2020年,俄罗斯约飞物理技术研究所在1064nm激光辐照强度4.2W/cm2下,实现了高达50.8%的InGaAs电池转换效率。2022年,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研制的高压GaAs 激光光伏电池,该六结光电池响应808nm波段激光,激光辐照功率密度为37.75W/cm2,最大光电转换效率达60.23%。电科十八所研制的808nm刚性多结激光电池在62.5W/cm2的强度激光照射下,最大光电转换效率超过60%。

除了上述核心技术,无线功率传输的其他支撑技术也取得重要进展。在微波功率接收天线方面引入电磁超表面的概念,将微波吸收效率提升至96%以上;引入滤波天线的概念,将整流器的滤波功能集成到接收天线单元上,简化了整流器设计;引入差分天线的概念,提高了整流器在低接收功率密度时的效率。这些进展都为微波功率传输的发展提供了动力。

4 远距离大容量连续无线功率传输面临的挑战

尽管远距离连续大功率无线功率传输遇到较好的发展时机,但仍然存在诸多挑战。深刻认识这些挑战,认真面对这些挑战,是突破瓶颈、实现跨越的前提。

4.1 无线功率传输理论亟待完善

麦克斯韦建立了描述电磁场和电磁波的基础理论,它首先推动了无线通信和雷达应用的发展,科学家们分别提出了著名的香农定理、弗里斯传输公式以及雷达方程,阐述无线通信和雷达系统的基本原理。自1964年Brown提出用电磁波进行功率传输以来已经发展了60年,但尚未出现像通信系统的香农理论、雷达系统的雷达方程那样的基础理论。

坡印亭定理从场的角度描述了功率的转移行为,但未能关联起系统的发射、接收和链路特性。截至目前,已经有专家和学者针对无线功率传输讨论了空间匹配、多界面匹配以及无衍射传输等理论[37],都为无线功率传输基础理论做出了有益探索,但还没有发展成为该领域的基本原理。

4.2 空间巨型天线超柔性动力学行为及其控制原理研究极为不足

“如何实现极大口径星载天线在轨展开、组装及建造”入选了中国科协2022年10大工程技术难题,而空间巨型天线的动力学行为也是宇航领域的世界难题之一。空间公里级口径微波功率发射天线是典型的巨型星载天线,它的纵横比将达到10000左右,将表现出超柔性特性。同时,在太阳光压、微重力、空间热循环等环境要素和工作热环境的综合作用下,空间公里级口径微波功率发射天线将表现出怎样的动力学行为,这是远距离大容量微波功率传输面临的重大科学问题。

公里级口径微波功率发射天线动力学特性将导致天线型面产生时域变化,这种变化无疑将引起微波功率波束合成效率和指向精度降低,这是远距离大容量连续微波功率传输系统要尽量抑制的效应,因此超柔性动力学行为的控制自然成为远距离大容量微波功率传输面临的又一个问题。

无论是公里级口径微波功率发射天线动力学行为,还是它的控制,因为存在复杂因素的影响、超常规的结构尺度,研究都极具挑战性,尤其表现在试验验证方面。

4.3 与传输媒质相互作用机制及环境安全性问题研究存在空白

功率波束与传输媒质的相互作用机制是影响功率传输可行性的关键因素,环境安全性尤其是生物安全性问题是影响公众心理和社会接受程度的主要因素,美国、日本在开展空间太阳能电站研究的初期就重点关注了这一问题。在中国,电科集团第22研究所等单位开展相互作用机制研究主要面向通信、雷达等系统的信号,对功率传输这种高功率密度、连续波、长期工作的信号,还没有开展深入研究。国内对环境安全性的研究存在显著空白。

如果功率密度偏低,其结果是总传输功率低,而且也导致整流效率降低;而功率密度超过特定值,则会导致功率波束在电离层发生非线性效应,既增加功率波束的损耗,也影响传输媒质的物理特性。开展功率波束与传输媒质相互作用研究的工程目的是确定功率密度的可行范围,有如下要求:

首先是要全面覆盖电离层、大气层等传输媒质。星地无线功率传输的功率波束将通过星地链路全部媒质,这些媒质的分布范围超过1000km,核心部分也超过数百公里。在发射功率需求高,而近期平台能力不足的条件下,一次性进行全链路实验研究的挑战非常大。通过短距离无线功率传输分段进行研究是可能的解决途径。

其次是要关注国土内重点区域上空传输媒质。世界各国上空的传输媒质互不相同,因此有志于发展星地无线功率传输的国家,都需要着眼于国土范围内接收的前提,针对重点区域上空传输媒质进行专门研究,而其他国家的研究结果并不具备直接参考价值。

另外还要关注传输媒质的长期演化情况。地球大气层、电离层特性是时变的,全面掌握各种媒质条件下功率波束与其相互作用是必要的。

环境安全性及生物安全性问题涉及远距离大容量连续无线功率传输应用前的可行性论证、应用中的法律法规等问题。对这一问题的关注反映了对空间太阳能开发与利用的认知。这一综合了自然科学、社会科学的问题是无线功率传输面临的巨大挑战。

综上所述,功率波束与传输媒质的相互作用机制研究、环境安全性问题也是极具挑战性的工作,尤其是在试验研究方面。

4.4 系统资源极大限制着无线功率传输应用

从无线功率传输系统工作原理考虑,高效率的功率传输对大容量无线功率传输系统规模提出了极高要求。而按照当前的技术水平评估,各种应用平台都对大容量无线功率传输系统的规模施加了苛刻的限制,克服这一矛盾难度巨大。

(1)系统工作原理的要求

在工作波长和传输距离确定的情况下,微波功率传输系统主要依靠增大收发口径积来保证高的波束收集效率。同时考虑发射功率、热管理等内在制约因素,那么微波功率发射阵列和接收整流阵列的口径尺寸都要比通信、雷达等无线系统的天线大2～3个数量级。

以空间太阳能电站为例,波束收集效率应该达到95%以上。表1所列是3种传输距离的空间太阳能电站和平流层太阳能电站的系统参数,通过对比可见,对于36000km、400km和20km的传输距离和5.8GHz工作频率,微波功率发射阵列口径分别达到1000m、110m和22m以上。与之对应,空间微波功率发射阵列总质量分别为10000t、120t和4.8t以上(面密度按10kg/m2计)。

(2)平台的限制

无论卫星平台还是平流层平台,承载能力都非常有限。目前国际上的卫星平台载荷承重能力有限,如中国静止轨道卫星平台东方红5号的载荷能力为2t,与微波功率传输系统对平台的需求之间存在巨大鸿沟。空间太阳能电站可能突破传统的“平台+载荷”这样的构建思路,而是采用分布式构建模式和控制方式。近年来发展起来的“天线卫星”的概念或许将为建设空间大规模微波功率传输系统提供重要的启示。

对于平流层太阳能电站的微波功率传输系统,则必须考虑飞艇或飞艇阵平台。目前见诸报道的平流层飞艇载荷能力最强的是美国空军和国防高级研究规划局提出的“传感器与结构一体化(ISIS)”飞艇,它长度达305m,直径100m,最大载重达到17.6t。因飞艇结构研制难度太大,该项目已经暂停。法国计划开发的Stratobus飞艇长度超过100m,直径为33m,承载能力可达450kg。可见,目前已实现的平流层飞艇平台承载能力距离微波发射阵列的要求存在1个数量级以上的差距。

4.5 先进集成技术与工艺短板明显

如前所述,高密度集成微波功率发射阵列是实现空间大规模功率传输系统的前提,目前具有潜质的先进集成思想如多功能结构、薄膜集成相控阵等还存在技术困难。

多功能结构思想应用于大规模微波功率发射阵列时面临的问题是:连续波工作模式引起热管理条件更为严苛,阵列口径尺寸增大后,阵面形状保持难度急剧增大,等等。对于SAR系统,发射信号的占空比一般为5%～20%,平均发射功率密度并不高,以美国的SRTM为例,仅有48.3W/m2,而功率传输的微波发射功率密度达到1000W/m2,可知后者的发热密度也比前者高1～2个数量级,这对热管理是巨大的挑战。目前SAR天线的口径尺寸已达20m,中国的高分三号天线也达到15m[38],但空间微波功率发射阵列口径尺寸将达1000m,在如此大的尺度上保持阵列型面,而且采用分布式控制,这是又一个挑战。同时多功能结构有源相控阵本身的支撑技术,如多功能综合背板的开发、结构内三维互连,也存在一些挑战。

采用薄膜相控阵设计方案开发微波功率发射阵列地面样机已经取得重要成功,性能指标非常优异。但进一步结合空间应用系统还存在如下挑战。首先是与聚光、光伏集成后,模块的剖面显著增大,阵列的折展难度显著提高,同时折叠后体积增大,也对运载提出更高要求。其次是薄膜结构的柔性更强,构建的大口径天线阵列表现出更明显的形面不稳定性,对阵列姿态控制提出更高要求。最后,适应薄膜有源阵列的柔性电子技术发展还存在明显差距,对薄膜相控阵的集成工艺提出了挑战[39]。

4.6 高效功率转换器件需根本突破

如上所述,无线功率转换器件已经取得重要进展,甚至接近满足应用系统要求,但要最终满足应用需求,仍需不同层面的突破。

首先是高效固态微波功率放大器。距离应用系统要求的80%～85%的转换效率还有不小差距,虽然当前国际水平已经达到79%,但该指标仅指末级功放的转换效率,而非整个功率通道的效率。一方面需要继续提升末级功放的效率,另一方面驱动功放也进行效率增强,此外还要尽量降低微波功率通道的损耗。

其次是电真空功率器件。这类器件实际达到的效率也仅有60%～80%,而且因为需要注入功率信号,表现出较低的增益。另一方面,目前这类器件工作寿命仅为数千小时,对于地面应用系统也不够长,大幅度延长寿命是这类器件面临的技术挑战。

再次是微波整流器件。当前国际水平91%的转换效率可以满足应用系统要求。但需要进一步开展的工作,一是提高工作频率,上述效率是在2.45GHz获得的,但该频率对于大多微波功率传输系统是不够的,C频段、X频段甚至毫米波功率传输都要求在更高频率上获得同样的效率。二是向产业化发展,对成功的设计方案需要固化下来,进一步与工业界合作,实现批量制造,并提高成品率。大功率整流的回旋波整流器也需要投入一些研究,但国内研究基础都不够,试验验证条件高,这是对研究提出的重要挑战,需要开展对俄等国际合作[40]。

激光功率传输功率转换器件的挑战首先体现在激光器上。对于空间激光器,目前的主要挑战是如何把高能激光器集成进对质量、体积敏感的空间飞行器平台上,并能够在空间环境中正常运转。研制具有足够大功率、光束质量好、适于激光功率传输使用的小型化、轻质化高能激光器,是空间激光功率传输装备的关键。

激光功率传输功率转换器件的挑战还体现在激光电池上。单片激光电池经封装、内部连接形成激光电池阵列组件,面临的挑战是:1)组件中电池占空比偏低。目前采用的密集封装激光电池组件制备工艺,电池片占空比约为75%,照射到激光电池组件上的激光能量有25%无法参与光电转换,大大降低激光功率传输系统转换效率。2)组件的散热能力不足。照射到激光电池上的激光能量约有一半的激光转换成热量,造成激光电池组件温度升高,若不采取有效的散热措施,温度升高引起光电转换效率下降,产生更多热量,恶性循环,极易引起器件损坏。

4.7 频率资源申请任重道远

频谱资源是推动无线功率传输进入工程化或产业化的前提。目前与无线功率传输相关的频谱研究属于国际电信联盟(ITU)的无线电通信部分(ITU-R)第1研究组的范畴,但目前该子工作组力量相当薄弱。尽管2022年7月ITU发布了关于波束式无线功率传输应用效应的报告ITU-R SM.2505-0,但到目前为止,尚没有频谱资源分配给无线功率传输应用。而在国际无线电科学联合会(URSI)框架下的工作仍停留在2006年的《空间太阳能电站白皮书》修订的状态。

在中国发展远距离大容量无线功率传输,还需要接受国家频谱管理机构的监管,申请远距离大容量无线功率传输频谱资源还任重道远。

除上述组织外,发展远距离大容量无线功率传输涉及的国际组织还包括国际电工委员会(IEC)、国际无线电干扰特别委员会(CISPR)、国际标准化组织(ISO)等,在这些组织机构框架下协同开展工作,也是远距离大容量无线功率传输发展面临的一大挑战。

5 远距离连续大功率无线功率传输的发展建议

5.1 加强远距离大容量连续无线功率传输发展规划论证及实施

远距离连续大容量无线功率传输尤其是空间无线功率传输必定是长期发展、分步实施的,中国空间太阳能电站已经提出了“两大步三小步”的发展思路,星地无线功率传输也有与之协调的发展设想,后续要持续开展星地无线功率传输发展规划滚动研究及实施。

近年来,中国连续大容量无线功率传输技术发展速度快,成果多,影响大,受到国际同行的关注。但也因为从事相关研究的团队多、支持渠道多,同时外延广,显得发展的协调性不够,衔接性不足。因此需要在2014年论证工作的基础上,及时关注支撑条件的进步,继续加强发展规划滚动研究,修订发展路线。同时,还要切实执行发展规划。

除了星地无线功率传输之外,远距离大容量连续无线功率传输还要面向其他应用系统和应用环境进行拓展规划,并注意技术的可移植性、应用背景的独特性。

5.2 找准短板,促进科学和技术问题全面进步

在远距离大容量连续无线功率传输系统验证方面,已经开展了水平传输和固定点对点垂直传输试验,建议未来2-3年内开展基于浮空平台的垂直传输试验,可以先进行地对空功率传输,再进行空对地功率传输;2025-2028年,开展低轨无线功率传输试验,可以先进行星间传输,再进行星地传输;2030年前后,开展GEO轨道星地微波功率传输试验;到2035年前后,开展GEO轨道MW级微波功率传输验证与应用,为2050年前后实现空间GW级太阳能电站做好准备。

自2014年“空间太阳能电站发展的机遇与挑战”香山科学会议召开以来,远距离无线功率传输已经取得长足进步,但如前所述,远距离大容量连续无线功率传输在科学和技术问题上都面临重大挑战,某些方面甚至仍然存在明显空白。对于短板问题,需要组织或引导优势团队增大投入,以期取得快速进展;对于研究较好的问题,需要注意结合应用带来的特殊约束,开展更有针对性的研究。对这些问题的现状和具体发展建议列在表2中。

5.3 持续向商业化应用推广

在和平与发展的国际背景下,商业化应用是科学技术发展最为活跃的领域。如上所述,远距离大容量连续无线功率传输还面临多方面的挑战和多层次的困境,为了快速取得突破,促进技术创新、应用和推广,需要广泛集合社会的智力、物力,充分利用商业化领域中最敏感、最活跃、最强力的因素,不断提升技术基线水平。可借鉴国际社会的成功实践,结合通信基站、商用无人飞行器、特殊地区等供电应用场景,早日推出商业化、型谱化无线功率传输产品及其广泛应用。

5.4 加强远距离连续大容量无线功率传输国际合作

近年来,虽然国际局势发生一些重要变化,但我们始终要认识到:空间太阳能开发利用这样的远距离大容量连续无线功率传输系统解决的是全球共同面对的挑战,其科学探索难度和工程实施难度都是空前的,因此要积极探索新形势下国际合作架构。

前已论及,有志于发展空间太阳能电站的国家必须关注国土内重点区域上空传输媒质与功率波束的相互作用。建议与这些国家的技术团队合作开展电离层与功率波束相互作用试验研究,共同开发低轨平台和无线功率传输的收发载荷,利用低轨卫星的轨道性能,研究本国上空传输媒质与功率波束的相互作用,以此作为进一步开发空间太阳能电站的依据。

进一步建议各国技术团队联合开展LEO轨道星地无线功率传输试验验证。可以充分发挥各国互补优势,共同验证星地无线功率传输技术。

6 结论

本文结合全球能源和环境问题,介绍了远距离大容量连续无线功率传输的发展需求及其带来的新机遇,总结了远距离大容量连续无线功率传输的新进展和所面临的科学、技术挑战,并对中国远距离大容量连续无线功率传输发展提出了具体建议。

远距离大容量连续无线功率传输是不仅涉及多项关键技术,而且涉及深刻的科学问题,还与产业界相关联,从事相关方面工作、相关方向研究的单位、部门、专家、学者都可以在其中找到巨大的发展空间和发展机遇。

发展空间远距离大容量连续无线功率传输将直接推动空间太阳能开发利用,将引领航天强国建设,有望将空间太阳能电站建成中国航天实现第二个百年奋斗目标的标志性工程。远距离大容量连续无线功率传输将从根本上改变人类利用和获取能源的方式,提供社会基础能源新的支柱,助力中国实现“碳达峰碳中和”国家战略目标,为科学技术融合发展、国家能源安全战略和解决全球环境问题作出巨大贡献。