在綠色能源技術(shù)的探索中，最雄心勃勃的想法之一，是利用微波或激光將能量從軌道衛(wèi)星無線傳輸?shù)降厍颉?
隨著能源需求不斷攀升，以及對可持續(xù)解決方案的呼聲日益強烈，工程師們正將太空視為尚未開發(fā)的前沿領(lǐng)域。在綠色能源技術(shù)的探索中，最雄心勃勃的想法之一，是利用微波或激光將能量從軌道衛(wèi)星無線傳輸?shù)降厍?。這個曾經(jīng)只存在于科幻小說中的概念，如今正在變?yōu)楝F(xiàn)實。
太空供電。(來源：Enel Green Power)
無線輸電背后的物理原理
無線輸電基于電磁波無需物理介質(zhì)即可在自由空間中傳輸能量的能力。
本質(zhì)上，無線輸電由麥克斯韋方程組控制，這是人類智慧最偉大的成就之一。它利用電磁場，在某些情況下還借助電磁輻射和共振現(xiàn)象，將能量高效地從源頭傳輸?shù)浇邮斩恕?/p>
傳輸方式
根據(jù)傳輸距離和頻率的不同，無線輸電有三種實現(xiàn)方式：近場、中場和遠場。
在無線充電板等短距離應(yīng)用中，采用近場方式，基于線圈或極板之間的磁場或電場耦合。這種方式受限于緊密對準，其效率會隨著距離的增加而迅速下降。
在中場方式中，利用發(fā)射器與接收器電路之間的諧振頻率。由于能夠容忍一定的對準誤差，并實現(xiàn)更遠距離的傳輸，因此非常適合為植入式醫(yī)療設(shè)備或移動機器人供電。
遠場方式涉及遠距離傳輸電磁能量，通常使用高度定向的波束。在接收端，整流天線捕獲這些能量并將其轉(zhuǎn)換為直流電，用于為無人機、衛(wèi)星和能量收集器供電。
一個實際的例子是天基太陽能發(fā)電(SBSP)，其中配備太陽能電池板的衛(wèi)星將陽光轉(zhuǎn)化為電能，并通過微波或激光將其傳輸?shù)降厍颉Ｔ诘孛嫔?，整流天線接收發(fā)射能量并將其轉(zhuǎn)化為可用電能。
地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星是位于赤道上方約35,786km的圓形地球同步軌道的特例，它通過與地球自轉(zhuǎn)同步保持相對于地面的固定，從而能夠?qū)⑽⒉芰窟B續(xù)傳輸?shù)降孛娼邮掌鳌?/p>
GEO衛(wèi)星在春分和秋分前后大約三周內(nèi)，每天都會經(jīng)歷長達75min的軌道午夜附近的可預(yù)測日食。
此類系統(tǒng)中的發(fā)射天線通常為相控陣或高增益定向天線，并經(jīng)常使用拋物面反射器來聚焦能量。整流天線通常由接收天線、低通濾波器、整流二極管和直流濾波器組成。
影響無線輸電效率的參數(shù)
高效的無線輸電取決于頻率、波束發(fā)散度、轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境干擾。頻率越高，波束越聚焦，方向性越好，但大氣衰減也越強。
在自由空間中，弗里斯傳輸公式可計算出最大接收功率：
該公式將接收功率與發(fā)射功率、天線增益、波長λ和距離d聯(lián)系起來。
實際上，該公式給出了自由空間的基線，但現(xiàn)實世界中的因素——氧氣和水蒸氣的吸收、雨水或霧的散射——會進一步降低波束質(zhì)量，尤其是在長距離傳輸中。
微波與激光在無線功率傳輸中的對比
遠距離能量傳輸有兩種選擇：微波和激光。
微波工作在吉赫茲范圍內(nèi)，為無線能量傳輸提供了一種靈活且成熟的方法。其在惡劣天氣條件下(例如多云和下雨)具有較強的穿透力，并且由于能量密度相對較低而具有較高的安全容差。微波已通過整流天線陣列用于空對地(S2E)能量傳輸，但仍需大型天線，且在波束聚焦和帶寬方面存在局限。
激光器使用紅外或可見光，具有較高的光束精度，并具有能量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p重功能。
雖然激光器在S2E能量傳輸中具有較高的光束精度，但它們更容易受到大氣干擾，并且需要復(fù)雜的安全和熱系統(tǒng)。在非理想條件下，效率也會受到影響。
選擇合適的方法取決于任務(wù)：
- 微波適合從衛(wèi)星向地球傳輸能量。
- 激光更適合為無人機或深空設(shè)備供電。
無線輸電實驗
無線輸電始于海因里希·赫茲，隨后是尼古拉·特斯拉的無線能量實驗。但直到1964年，威廉·C·布朗展示了一架僅由微波驅(qū)動的模型直升機，這項技術(shù)才真正起步。20世紀70年代，美國國家航空航天局(NASA)探索利用微波將太陽能從太空傳到地球，由此催生了整流天線的發(fā)明——這種裝置可將微波能轉(zhuǎn)換為直流電。早期測試效率達到54%，這一構(gòu)想至今仍在推動無線電力系統(tǒng)的創(chuàng)新。
5GW SBSP的要求
SBSP能實現(xiàn)持續(xù)、不受天氣影響的太陽能收集。軌道平臺在大氣層外運行，可接收約1.36kW/m²的恒定太陽輻射通量，約為地球表面長期平均值(約0.34kW/m²)的4倍。
向電網(wǎng)輸送5GW電力，需要龐大的軌道陣列。一個典型構(gòu)想包括：面積約50－60km²的太陽能收集器、直徑約1km的發(fā)射器，以及寬度約10km的地面整流天線。數(shù)十億個高效光伏電池將為微波發(fā)生裝置(如固態(tài)功率放大器、行波管或速調(diào)管)供電，單個轉(zhuǎn)換效率超過70%。
在5.8GHz(λ≈52mm)頻率下，要確保安全的功率密度和低損耗，需將波束發(fā)散度控制在約100μrad，并保持約10μrad的指向精度。這一精度已超出當前星載通信硬件的常規(guī)能力。
面臨的挑戰(zhàn)包括高昂的發(fā)射成本、大規(guī)模在軌機器人組裝，以及環(huán)境問題，如對天文觀測的光學污染、射頻干擾，以及低強度微波輻射的潛在生物效應(yīng)。盡管SBSP技術(shù)門檻高、資金投入大，但中試系統(tǒng)有望在2030年代出現(xiàn)，大規(guī)模商業(yè)部署可能在2040年代實現(xiàn)。
太空太陽能計劃
多個國家(日本、中國、韓國、美國、英國)正在積極研究SBSP系統(tǒng)。其中，由歐洲航天局(ESA)、NASA和加州理工學院主導(dǎo)的三個項目，有望在未來幾年推動該技術(shù)的發(fā)展。
ESA的Solaris項目
ESA的Solaris計劃正在評估SBSP系統(tǒng)的可行性，目標是在2040年左右實現(xiàn)商業(yè)部署。概念設(shè)計提出，在地球靜止軌道(GEO)部署千米級衛(wèi)星，最大直徑可達2km，重量約11,000t。這些巨型平臺需通過約100次重型火箭發(fā)射，在軌組裝而成，旨在提供與核電站相當?shù)募呒夒娏Α?/p>
計劃于2030年代初實現(xiàn)的近期里程碑，是一座約1MW的軌道驗證機。該驗證機可通過自動化模塊化擴展，最終升級至吉瓦級容量。
一項關(guān)鍵技術(shù)是III-V族多結(jié)光伏技術(shù)(如InGaP/GaAs/Ge或基于InGaAs的材料)。通過堆疊不同帶隙的子電池，每個子電池可捕獲太陽光譜的不同部分，從而提升整體轉(zhuǎn)換效率。預(yù)計商業(yè)化部署后，效率將在十年內(nèi)從目前的30%提升至40%，而這些進步很可能惠及主流地面光伏技術(shù)。
NASA對太空能量傳輸?shù)脑妇?/h3>
與ESA不同，NASA更側(cè)重于實驗驗證、模塊化原型和尖端組件開發(fā)，涵蓋航天器間的能量傳輸。
在測試了用于探索波束控制、傳輸效率和接收器優(yōu)化的低功率傳輸模塊(包括用于激光接收的小型速調(diào)管型微波振蕩器陣列和高效光伏轉(zhuǎn)換器)之后，NASA的長期目標是使SBSP具備可擴展性、靈活性和韌性——不僅服務(wù)于民用，也能增強未來能源補給困難的任務(wù)。盡管NASA尚未制定類似ESA的吉瓦級系統(tǒng)部署時間表，但其工作為許多理論和技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
加州理工學院的開創(chuàng)性太空太陽能測試
2023年初，加州理工學院將太空太陽能演示器搭載SpaceX獵鷹9號火箭發(fā)射升空，以驗證軌道太陽能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。該任務(wù)成功測試了三大子系統(tǒng)：輕型可展開結(jié)構(gòu)、高效光伏陣列，以及MAPLE——一種用于無線輸電的實驗性微波陣列。MAPLE實現(xiàn)了兩項突破：首次將能量從軌道傳回地球，并在航天器內(nèi)部實現(xiàn)了整流天線之間的能量傳輸。其最終目標是商業(yè)化部署一系列模塊化航天器，將太陽能持續(xù)發(fā)射到地球。
未來展望
無線輸電已從理論構(gòu)想發(fā)展為經(jīng)過驗證的技術(shù)，為獲取未開發(fā)能源提供了新路徑。在軌道太陽能平臺中，電磁物理學與精密工程技術(shù)深度融合，開辟了新的前沿。
隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蠹ぴ?，以及太空基礎(chǔ)設(shè)施日益完善，無線輸電有望成為21世紀的基石技術(shù)。建造并部署一座1MW的軌道電站，并最終擴展至數(shù)百MW甚至更高，可能需要一個國際聯(lián)盟，其規(guī)?？氨葰W洲核子研究中心(CERN)在基礎(chǔ)物理領(lǐng)域或國際熱核聚變實驗堆(ITER)在核聚變研究中的合作。但這一次，我們的目標不是發(fā)現(xiàn)短暫的粒子，而是充分利用恒星與宜居行星之間恰到好處的距離這一天然優(yōu)勢。
(原文刊登于EE Times姊妹網(wǎng)站Power Electronics News，參考鏈接：Beaming Power Across the Void: Can Satellites Help Fuel the Planet?，由Franklin Zhao編譯。)
本文為《電子工程專輯》2025年11月刊雜志文章，版權(quán)所有，禁止轉(zhuǎn)載。免費雜志訂閱申請點擊這里。
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