从宇宙向地面送电,JAXA等公开无线供电实验

  • 松浦 晋也
  • 发表于: 2015/03/19 09:52:40 来源:日经BP社

JAXA和J-spacesystems此次全球首次在供电和受电两方面都采用了由小型天线元件呈平面排列组成的相控阵天线。

日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)和日本宇宙系统开发利用推进机构(J-spacesystems)于2015年3月8日在日本兵库县的三菱电机试验场实施了无线供受电系统实验,实验过程同时向媒体公开。太空光伏发电是指将在宇宙空间利用太阳能电池发的电通过微波方式输送到地面。因此,必须准确控制微波的发射方向。另外,在阳光照射面与非照射面存在摄氏100度以上温差的宇宙空间,需要防止天线热变形导致的供电效率下降。过去,地面上的无线供电实验使用抛物面天线进行供电,而用抛物面天线则难以补偿热变形。

JAXA和J-spacesystems此次全球首次在供电和受电两方面都采用了由小型天线元件呈平面排列组成的相控阵天线。采用了利用受电方发出的引导信号,供电方以微波形式沿正确方向送回电力的形式。另外,有意错开由4块面板构成的供电天线各面板的安装位置,再现了发生热变形的状态,通过控制向天线发送的微波的相位,验证了即使存在热变形也可以防止供电效率下降的结果。

相距55m供电340W

实验中,将供电天线和受电天线相隔约55m相向设置,利用5.8GHz的微波传输了电力(图1)。供电方的驱动电力是普通的200V三相交流电。受电方会产生50V直流电。此次实验中,演示了利用50V直流电通过逆变器转变成普通家庭使用的100V交流电,并利用这个电供业余无线电通信(图2)。


图1:实验装置的概要。
左侧文字标注,从左到右:微波供电天线、供电部分、飞船信号接收天线。
右侧文字标注,从上到下:受电部分、光束方向控制装置(受电控制)。
红色箭头:高功率微波5.8GHz频带。
绿色箭头:飞船信号2.45GHz频带。


图2:演示利用无线供电的电力进行通信当天由业余无线团体进行了演示。

相控阵天线通过控制向构成天线的各元件发送的微波的相位,可以控制发射电波的方向。天线中央部分有收发其他用途2.45GHz微波的天线(图3~5)。首先,受电装置向供电装置发射引导用的2.45GHz微波。供电装置朝着2.45GHz微波到达的方向返回5.8GHz的供电微波。JAXA负责研究引导机构,J-Spacesystem负责研究无线供电机构。引导机构和供电装置由三菱电机制造,受电装置由IHI Aerospace公司制造。


图3:受电天线的外观(左)和引导用微波发送天线的放大图(右)
在受电天线中央有发送引导用2.45GHz微波的天线。正在解说的是JAXA研究开发本部未踏技术研究中心尖端任务研发组长大桥一夫。


图4:设在高5.5m土堆上的供电天线
为避免地面反射,设在土堆上。另外,在电波通过部分的地面上设置了电波吸收材料。


图5:供电相控阵天线(左)和引导用微波接收天线的放大图(右)
供电天线由4块面板构成,在各面板的中心有接收引导用微波的天线。

供电电力为1.8kW,其中,340W被受电装置转换成电力(图6)。虽然乍看上去传输效率不高,但“天线越大,无线供电效率越高。在太空光伏发电实用阶段,宇宙与地表都将架设方圆2km左右的天线,因此即使采用现有技术也能够实现90%以上的效率”(JAXA研发本部未踏技术研究中心尖端任务研发组长大桥一夫)。


图6:供电实验时的输出功率监控画面
上面显示通过控制微波的相位,基本以额定的326.52W供电。

增大天线时,由温差引起的天线面上的热变形会影响天线的效率。相控阵天线通过由各天线元件发射适当控制相位的电波,会向一个方向发射强烈的电波。天线面发生变形时,相位会发生位移,因此电波强度减弱。5.8GHz微波的波长为6cm左右,但天线面位移3cm(相当于半波长)时,位移部位的天线元件发射的电波与未位移部位的元件所发射的电波发生干扰,相互减弱,最坏的情况下不再发射电波。

为避免这种情况,需要测量位移,提前补偿发送给各天线元件的微波的相位,以防止天线效率下降。此次实验已经证实,构成发送天线的4块面板中,将下面2块面板有意错开3cm设置,通过相位控制可以确保天线效率(图7)。


图7:模拟天线面热变形的供电天线
从侧面看,4块供电天线面板,上面2块和下面2块前后错开配置。只错开了3cm,相当于传输使用的5.8GHz微波的半波长。如果在这种状态下,不控制微波的相位,上下面板发出的微波将发生干扰而相互减弱,导致微波功率降低。

无线供电的想法早就有,现在研究的中心在日本

无线供电的想法最早可以追溯到19世纪。20世纪初确立了交流供电和感应马达等原理的工程师尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)提出了通过无线供电在世界范围内供应电力的“世界无线系统(World Wireless System)”。在摩根财团的支持下,他在纽约州长岛市建成了大型实验设备“沃登克里弗塔”,进行了无线供电实验,但以失败告终。

后来,处理适合供电且指向性好的微波的技术取得进步,1964年美国雷神公司(Raytheon)利用无线供电将模型直升飞机送上了天,全球首次成功实现向移动物体无线供电。

最先想到可以在宇宙中使用无线供电的是科幻作家艾萨克·阿西莫夫。在他于1941年发表的短编科幻小说《推理》(Reason,收录在短编小说辑《我是机器人》早川书房刊中)中,出现了一个收集太阳能并输送到行星表面的宇宙空间站。

将宇宙空间利用太阳能电池发的电通过无线供电传输到地面的“太空光伏发电系统”于1968年由美国工程师Peter E.Glaser首次提出。Peter E.Glaser的设想被美国能源部(DOE)和美国宇航局(NASA)采纳,1975年NASA喷气推进实验室(JPL)在加利福尼亚州金石(Goldstone)地面站的沙漠上实施了相距1.6km、供电450kW、受电30kW的大规模供电实验。这是迄今为止最大规模的无线供电实验。但是,后来美国政府因财政困难大幅削减预算,导致美国的无线供电研究衰退。

后来,太空光伏发电的研究中心逐步转移到了日本。首先,以日本京都大学、神户大学、日本文部省宇宙科学研究所(现JAXA宇宙科学研究所)为中心,日本于1983年使用“S-520”火箭,实施了测量供电用微波与电离层之间的干扰的实验。1992年,日本京都大学及神户大学等成功利用无线供电将模型飞机送上天空,1994年,日本京都大学、神户大学、关西电力实施了继JPL实施5kW供电、1kW受电实验之后的世界第二大规模地面试验。1995年,日本神户大学、日本邮政省通信综合研究所〔现日本信息通信研究机构(NICT)〕、日本通产省机械技术研究所(现日本产业技术综合研究所)等利用无线供电发送了无人小型飞船。2008年,日本神户大学等在日美合作体制下,成功实施了从夏威夷诸岛的毛伊岛(Maui)到夏威夷岛相距140km、供电20W的实验。

极短距离已实用化,要想实现太空光伏发电,输送系统成本有待降低

现在,无线供电在极短距离内已实现实用化。以JR东日本的SUICA为代表的非接触式IC卡内部没有电池,接触时利用由检票机通过电磁感应供应的电力工作。采用同一原理,放在充电座上充电的便携式信息终端也已上市。

利用磁场共振的距离几十cm的无线供电也在进行技术开发。家电的无线化将成为一大市场,业内已开始着手评估无线供电对人体的影响以及制定统一标准。更大功率用途方面,已提出了只要将纯电动汽车停在固定位置就可以充电的“可充电停车场”、甚至在行驶中也可以充电的“可充电道路”等。

使用微波的太空光伏发电需要在宇宙空间内设置大面积的太阳能电池。另外,为提高传输效率,必须增大供受电天线的面积。目前,要想兼顾发电量和供电效率,需要在宇宙空间设置方圆2km~3km的发电供电设施并在地面上设置同等规模的受电设施。现在,火箭发射成本还很高,因此无法以可与其他发电方式竞争的成本建设大规模宇宙设备。

要想以有竞争力的成本建设太空光伏发电设备,宇宙输送系统的成本要比现在低两个数量级。要想实现太空光伏发电,需要稳步推进技术开发,同时降低宇宙输送系统的成本。

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