基于微波無線電能技術在電力傳輸領域的探討

石博 崔雅嵩

摘要：隨著科技的發展，微波輻射式無線電能傳輸技術已經在在太空領域和軍事領域有了很大的發展，但是在民用上卻始終未能成功。利用微波輸電可以實現遠距離的電能輸送，但是功率較小，無法達到正常供電的需求，如果能提高它的傳輸功率，那么電力傳輸領域將迎來一個新的時代，告別有線傳輸，對于邊遠地區的供電問題也有了新出路。因此，本文根據實際情況，對微波無線電能技術在電力傳輸領域進行了探討。

關鍵詞：微波輻射式;電力傳輸;無線電能技術

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0064-02

0 引言

無線電能傳輸與無線通信技術一樣都是要擺脫有形介質的束縛，實現百年來人類對于無線傳輸的美好追求。微波無線電能傳輸可以不受自然條件限制而且是性能優良的新型能源傳輸技術。因此我們研究利用它進行地面電能傳輸、解決邊遠地區的供電問題，這對于未來的供電具有重要的理論意義。然而微波無線電能傳輸在電力傳輸領域一直存在很大問題，主要是由于微波發射端和整流接收端轉換效率低等問題。所以，本文基于微波無線電能技術在電力傳輸領域的應用，主要研究了如何提高微波輻射式傳輸技術的發射端和整流接收端的效率問題。

1 微波無線電能傳輸技術的分析

微波輻射式無線電能的傳輸技術，它是以300MHz～300GHz頻率的電磁波進行傳輸，這些微波通過發射端定向發射之后，微波可以在空間中自由轉換，經過一定距離的傳輸，然后通過整流天線接收端接受微波，最后把接受的微波通過整流電路將微波轉換為直流功率輸出，之后就可以對負載充電，或者供給后級電路使用。微波輻射式無線電能傳輸它在空間長距離的傳輸過程中損耗較少，因為傳輸過程中是利用空間中的各種物質進行傳輸，所以損耗的只是這些物質，但自身能量并無較大損耗。

2 微波無線電能傳輸技術的應用

目前，微波無線電能傳輸技術主要應用在太陽能衛星電站、低軌道和同步衛星運輸、空間飛行器等領域。太陽能衛星電站是依托衛星技術，在太空把太陽能轉化成電能，再通過微波無線電能傳輸方式傳輸到地面的電力系統以供人類使用。

隨著國際上對太陽能衛星站建設的高度重視和新的世界能源形勢和航天發展形勢下，微波無線電能傳輸技術發展的戰略機遇正在來臨。我國地域遼闊，高原、山地和丘陵占有很大比重。為了給這些地方輸送電能，目前只能通過架設高壓線路來輸電。截至2019年1月8日，我國的電能已經覆蓋88%的國土面積，供電人口超過10億人;雖然我們已經在輸送電能方面在世界上做到了首屈一指。但我們為此付出了很大的代價，并且對于后續輸電線路的檢修，也將是我們面臨的一大難點和困擾。而如果微波無線電能傳輸技術能在這方面應用，將使這類問題不復存在，也將開啟人類電力傳輸領域的新紀元。故研究電力系統中無線電能傳輸技術對于我們未來的輸電有極大的意義。下面表格是國際上對微波無線電能傳輸技術應用的幾個舉例，如表1。

3 微波無線電能傳輸的難點

微波無線電能傳輸主要由能量傳輸和能量轉換兩部分組成，其中直流電源經微波功率發生器將直流變成微波，達到了電能到微波能量的轉換;接收端經過整流天線將微波能量轉換為直流功率輸出，則達到了微波能量到電能的轉換。能量傳輸對能量的損耗很少，并且這類問題也無從解決，所以我們的關鍵就是能量轉換，結合實際研究，只有提高發射端的定向發射能力和接收端的整流效率才是最佳選擇。

在發射端微波的定向發射能力對系統有較大影響，微波通常采用天線陣作為發射裝置，但是存在定向輻射差的缺陷。整流接收端作為將自由空間接收到的能量轉換成直流電能的重要部件，它的整流效率將大大影響整體微波傳輸的效率。接受部分的通用結構如圖1所示，其中二極管整流電路的損耗占整流變換單元總損耗的絕大部分。此外，二極管整流電路的效率會隨入射微波功率和負載阻抗的變化而變化，因此該整流電路通常只能針對特定的輸入微波功率和負載阻抗進行優化設計。當外界環境變化，整流電路的工作狀態會偏離初始設計的效率最優狀態，造成整流效率的下降，二極管的結電容也會隨著二極管兩端電壓變化而變化，因而也會影響整體工作效率。另外二極管的非線性會在整流過程中產生譜波，這些諧波成分會通過天線輻射出去，降低整流效率。

4 提高微波無線電能傳輸效率的方法

解決傳輸效率低的問題，我們根據上面提出的難點，給出了以下解決方案。

（1）針對發射端，我們一般使用天線陣作為發射端裝置。微波的定向發射能力對系統整體效率有較大影響，而微波輻射的方向與輸入天線的電壓相位差有直接聯系。對于固態功率放大器，天線可以等效為50Ω的負載，故對固態功率放大器提出輸出電壓相位可控的要求。為控制固態功率放大器輸出電壓相位實現微波的定向輻射，我們基于天線陣列定向輻射微波的固態功率放大器，提出一種PLL移相器控制輸出電壓相位。PLL移相器適用于高頻場合，其輸出電壓和給定參考信號的相位差與控制電壓呈線性關系，適用于于天線陣列定向輻射微波的場合。PPL移相器圖如圖2所示。

（2）針對二極管整流存在的以上問題，為了穩定天線工作狀態，需要保持輸入阻抗不變來提高微波無線電能傳輸的效率，并且由于后級負載電阻不同，所以需要降低整流電路對后級負載電阻的敏感性。對于維持輸入阻抗，我們可以采用基于Class E整流電路的兩級式AC-DC同步整流電路，將整個同步整流電路分成了前級整流電路和后級阻抗匹配電路，整流電路主要對前級輸入交流電進行整流，阻抗匹配電路主要起到在負載電阻變化情況下，使輸入阻抗穩定維持的作用。對于負載電阻可調，因為整個變換器要工作在輸入阻抗50Ω恒定，則可以計算出對應的前級電流型Class E整流電路的輸出阻抗，而后級Buck變換器只要滿足輸入阻抗維持在前級輸出阻抗不變的狀態，就能夠使得在變負載電阻條件下，兩級式AC-DC同步整流電路輸入阻抗維持在50Ω恒定。整個兩級式AC-DC同步整流電路主功率如圖3所示。

參考文獻

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