№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.3
© 2008 г. САВВИН В.Л.
МИКРОВОЛНОВАЯ ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ - СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ,
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Проведен анализ современного состояния исследований в развивающейся области энергетики - микроволновой передаче энергии. Обсуждаются проблемы повышения эффективности передачи, снижения уровня фонового излучения и переизлучения кратных гармоник рабочей частоты. Анализируются перспективы проектов микроволновой передачи энергии наземного и космического базирования.
Введение. Идея передачи энергии с помощью электромагнитного излучения была впервые высказана Н. Тесла в начале XX века. Развитие радиолокации и интенсивные работы по освоению дециметровых и сантиметровых диапазонов микроволн заложили основу для использования СВЧ-энергетики и вызвали интерес к беспроводной передаче энергии с помощью направленного микроволнового излучения [1]. Микроволновый диапазон (2,4-5,8 ГГц) дает возможность существенно уменьшить размеры передающих и приемных антенн и отличается высоким уровнем эффективности устройств генерации и преобразования энергии электромагнитного излучения.
Идея масштабной микроволновой передачи энергии, вырабатываемой космическими солнечными электростанциями, наземным потребителям принадлежит П. Глезеру [2] и интенсивно разрабатывалась в 70-х годах прошедшего столетия. Проблемам солнечных космических электростанций и микроволновой передачи энергии посвящен ряд публикаций в отечественной научной печати [3, 4]. В последние годы ряд перспективных проектов микроволновой передачи энергии наземного и космического базирования, рассчитанных на меньшую мощность, разрабатывается в США, Японии и ЕС.
В настоящей публикации обсуждается современное состояние микроволновой передачи энергии, технологических, экологических проблем и перспектив развития микроволновых систем передачи энергии наземного и космического назначения.
Эффективность, масс-габаритные и стоимостные характеристики передающих устройств
При анализе потенциальных возможностей микроволновой передачи энергии важно учитывать как эффективность передачи, так и достигнутый уровень переданной мощности. Общая эффективность системы может рассматриваться как произведение эффективности составляющих компонент - КПД систем генерации микроволн, КПД передачи микроволнового излучения от передающей антенны к приемной антенне и КПД обратного преобразования микроволн в электрический ток для энергоснабжения потребителей.
В настоящее время высшее значение результирующей эффективности микроволновой передачи энергии в промышленном диапазоне частот (2,4-2,5 ГГц) продемонстрировано в эксперименте В. Брауна и Р. Дикинсона при передаче энергии на расстояние 1,55 км [5]. КПД передачи энергии микроволн достиг 54 ± 1%, при этом измерялось отношение мощности, выделенной в нагрузке постоянного тока на приемном конце линии
передачи, к мощности питания магнетрона в передающей антенне. Необходимо отметить, что этот уровень достигнут при использовании магнетрона с КПД <72%, единственного "наиболее неэффективного" звена во всей цепочке микроволновой передачи энергии. Если бы этот эксперимент можно было повторить с современным магнетроном, имеющим КПД —83%, то результирующая эффективность передачи энергии достигла бы 64%. Уровень переданной мощности микроволн и преобразованной в мощность постоянного тока в нагрузке приемной системы достигал 34 кВт. Приемная система, содержавшая ректенны с ОаАз-диодами, продемонстрировала КПД приема и преобразования микроволн в постоянный ток на уровне 82,5%.
При использовании частоты 5,8 ГГц в качестве рабочей наибольший уровень мощности постоянного тока в нагрузке 450 Вт зафиксирован для микроволновой передачи на расстояние 60 м.
Для систем передачи космического базирования эффективность генерации микроволн имеет особое значение в связи с требованиями уменьшения масс-габаритных характеристик передающих устройств. Среди наиболее эффективных вакуумных устройств для генерации микроволн следует выделить магнетроны, клистроны и гиро-троны. Самое высокое значение КПД генерации в настоящее время получено на магнетронах (83% на частотах >2 ГГц), хотя для более низких частот КПД вакуумных СВЧ-устройств и твердотельных генераторов может превышать этот уровень.
В дополнение к масс-габаритным характеристикам передающих устройств космического базирования одним из основных параметров генерирующих устройств является уровень их рабочей температуры. Масса охлаждающего радиатора резко возрастает с уменьшением его рабочей температуры, однако повышение последней ведет к сокращению срока службы генерирующих устройств. Для заданного срока службы генератор с более высоким уровнем рабочей температуры будет иметь меньшую массу. В результате вакуумные СВЧ-генераторы предпочтительны для космического применения по сравнению с твердотельными устройствами из-за более низких тепловых потерь. Геометрическая конфигурация космических передающих систем также может оказывать влияние на выбор генерирующего устройства. Для снижения относительной массы генератора при повышении его мощности вакуумное устройство нуждается в высоковольтном источнике питания. Если для питания генератора предполагается использовать распределенные низковольтные источники (солнечные батареи), то необходимо принимать во внимание увеличение их массы и омические потери в коммутирующих сетях.
В большинстве вакуумных СВЧ-генераторов (за исключением магнетронов) для повышения результирующего КПД используется рекуперация энергии отработанного электронного пучка в многосекционном коллекторе с депрессией потенциала. Это предполагает использование усложненных многосекционных источников питания и преобразователей напряжения, что ведет к усложнению и возрастанию массы передающей системы, сокращению срока службы и усложнению охлаждающих устройств. Если твердотельные низковольтные генерирующие устройства могут быть термически согласованы с фотоэлектрическими преобразователями, то необходимость в длинных коммутирующих цепях и преобразователях напряжения может отпасть. Тем не менее, следует принимать во внимание разницу в ориентации фотопреобразователей (на Солнце) и передающей СВЧ-антенны (на наземную или космическую ректенну).
Стоимостные характеристики энергетических систем космического базирования очень важны с точки зрения их конкуренции с наземной солнечной энергетикой. Относительная стоимость мощных вакуумных генераторов (за исключением магнетронов для микроволновых печей) —1 долл./Вт. За счет массового производства магнетронов для микроволновых печей их относительная стоимость может быть снижена до 0,02 долл./Вт. Стоимость твердотельных генераторов (полевых транзисторов на ОаАз) с непрерывной мощностью 60 Вт в диапазоне 10 см снижена до 17 долл./Вт.
1 2-
Рис. 1. Ректенный элемент с однополупериодным выпрямителем на диоде с барьером Шоттки: 1 - полуволновой диполь; 2 - отражающая поверхность; 3 - встроенный фильтр нижних частот; 4 - диод Шоттки; 5 - выходной фильтр; 6 - нагрузка в цепи постоянного тока
Рис. 2. Зависимость КПД ректенны (PBbIX/PBX), потерь на диоде (Рпд/Р„х) и потерь в фильтре от уровня входной мощности (P„x) для экспериментального образца ректенны с диодом Шоттки
Распространенным типом преобразователя микроволн в постоянный электрический ток является ректенна с полупроводниковым диодом Шоттки (рис. 1). Наивысшее значение КПД преобразования ректенны было получено в лабораторных условиях - 91,4% при входной мощности микроволн до 10 Вт на единичном экземпляре диода Шоттки (рис. 2) для рабочей частоты 2,45 ГГц [6]. На частоте 5,8 ГГц КПД преобразования рек-тенн с диодами Шоттки достигает 82% при входной мощности 50 мВт [7].
Плотность мощности падающего излучения может заметно изменяться на апертуре приемного комплекса микроволновой линии передачи (до 10 дБ). Для крупномасштабных проектов солнечной энергетики плотность мощности уменьшается от 230 Вт/м2 в центре приемного комплекса до 23 Вт/м2 на краю ректенны (для проекта NASA). При оптимальных значениях плотности диполей (150-200 диполей/м2) нагрузка на один диод в центре приемной ректенны будет близка к номинальной мощности диодов Шоттки (12 Вт), при которой реализуется максимальный КПД преобразования микроволн в постоянный ток. Однако уменьшение уровня входной мощности приводит к росту потерь на диоде и значительному снижению КПД преобразования. Так при значениях PBX 100 мВт и ниже КПД преобразования не превышает 60% (см. рис. 2). Таким образом, использование однотипных ректенн на всей площади приемного комплекса приведет к заметному уменьшению КПД всей системы.
Рациональным решением для поддержания оптимального уровня входной мощности ректенны, близкого к номинальной мощности диода, может быть использование ректенн с многодипольными антеннами [8]. В таких ректеннах мощность микроволн, при-
©
Обратное преобразование микроволн в постоянный ток
Рис. 3. Циклотронный преобразователь
нятых каждым диполем, суммируется и направляется на один общий диод. Суммирование мощности дает возможность реализовать оптимальный режим работы диода Шотт-ки с высоким КПД преобразования.
Альтернативным типом устройства для обратного преобразования микроволн в постоянный ток могут быть различные вакуумные приборы, работающие в обращенном режиме (клистроны, магнетроны и др.). Следует выделить циклотронный преобразователь (см. рис. 3) с КПД до 83%, входной мощностью микроволн 10 кВт на частоте 2.45 ГГц и выходным напряжением 15-20 кВ [9]. В отличие от ректенных систем он имеет высокую радиационную стойкость, не боится перегрузок по высокочастотным и низкочастотным цепям, при этом практически полностью исключается переизлучение гармоник рабочей частоты.
Мощные вакуумные преобразователи с высоким выходным напряжением легче могут быть интегрированы в существующие энергосистемы, чем низковольтные ректен-ны, которые придется коммутировать в большое число последовательно-параллельных цепочек для передачи энергии на киловольтном уровне.
Проблемы безопасности микроволновой передачи
Среди основных требований к микров
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.