李維 劉勛 阮寧娟 蘇云 楊秉新

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

空間太陽能電站是人類開發(fā)利用空間資源的宏偉空間工程，是航天領(lǐng)域與能源領(lǐng)域完美的結(jié)合點，它將可能成為人類在 21世紀(jì)解決能源問題的重要途經(jīng)之一?？臻g太陽能電站不僅是一項重大的科技工程，還具有重要的政治、軍事意義，是國家政治、經(jīng)濟(jì)、科技和軍事實力的體現(xiàn)[1]。

1968年，美國的Peter Glaser博士首次提出建立空間太陽能電站的構(gòu)想，是指在空間將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過無線方式傳輸?shù)降孛骈g的電力系統(tǒng)，主要由高效太陽能收集與發(fā)電系統(tǒng)、空間無線能量傳輸系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)3部分組成。無線能量傳輸技術(shù)是太陽能傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)空間太陽能電站運行的核心關(guān)鍵技術(shù)。國際無線電科學(xué)聯(lián)盟于2007年正式發(fā)表了《空間太陽能電站白皮書》，對于空間太陽能電站的發(fā)展進(jìn)行了廣泛的分析，并重點從無線傳輸?shù)慕嵌葘臻g太陽能電站的可行性和可能造成的影響進(jìn)行了評估[2]。美國、日本和歐洲相繼將發(fā)展空間太陽能電站納入到國家重大計劃中，特別在無線能量傳輸技術(shù)方面重點開展研究工作[3]。

隨著微波和激光技術(shù)的進(jìn)步，各國開展了基于微波與激光的空間太陽能無線能量傳輸技術(shù)方案論證。在 DOE/NASA衛(wèi)星動力系統(tǒng)方案研究和論證計劃中，太陽能發(fā)電衛(wèi)星將電力通過微波波束傳輸?shù)降孛娴墓枵鞫O管天線。此計劃提出后許多國家開始驗證微波無線能量傳輸技術(shù)。2012年，NASA的SPS-ALPHA計劃再次將微波無線能量傳輸技術(shù)作為空間太陽能的傳輸方式。美國利弗莫爾國家實驗室2009年報道使用半導(dǎo)體泵浦激光器作為太陽能無線傳輸?shù)男问?；歐洲及日本的研究人員也相繼開展激光無線能量傳輸研究，重點開展基于太陽能直接泵浦激光的無線能量傳輸技術(shù)，并在各自的空間太陽能電站路線圖中將這一部分作為重要內(nèi)容寫入發(fā)展規(guī)劃[4]。

但是微波和激光無線能量傳輸技術(shù)應(yīng)用于空間遠(yuǎn)距離傳輸時都存在一些難以解決的問題。微波無線能量傳輸技術(shù)中波束發(fā)散角較大，由在靜止軌道運行的空間太陽能電站傳輸至地面接收天線時，微波輻照面積巨大，造成接收設(shè)備龐大，造價很高，降低了空間太陽能電站的經(jīng)濟(jì)可行性；大功率微波無線能量傳輸?shù)纳鷳B(tài)安全性也是必須考慮的問題[4]。激光無線傳輸技術(shù)的能量集中度更高，地面接收設(shè)備小，造價相對便宜。但激光穿過大氣層時有很大能量損耗，降低了空間太陽能的利用效率，并且大功率的激光技術(shù)目前還有很多難點，比如直接泵浦固態(tài)激光器的轉(zhuǎn)換效率、激光系統(tǒng)可靠性，消除熱量等，需要進(jìn)一步研究才能得以應(yīng)用[5]。

微波與激光無線能量傳輸技術(shù)所存在的問題是由目前傳輸模型的局限性造成的，只有分析空間到地面?zhèn)鬏斶^程中不同階段的環(huán)境特性，找到適合的傳輸方式，才能解決這些問題，為空間太陽能的傳輸提供合理高效的技術(shù)途徑。

1 基于等離子體通道的無線能量傳輸技術(shù)

鑒于微波與激光無線能量傳輸技術(shù)所存在的問題，提出利用飛秒脈沖激光產(chǎn)生的等離子體通道實現(xiàn)無線能量傳輸。在大氣傳輸階段利用等離子體通道直接傳輸電能至地面接收設(shè)施，從根本改變傳輸環(huán)節(jié)的設(shè)計思想，提出了創(chuàng)新性的解決方案，避免了單純依靠微波及激光無線能量傳輸方式的不足和可能引發(fā)的負(fù)面影響，同時提高系統(tǒng)的能量傳輸效率。

1.1 等離子體通道的形成

基于超強(qiáng)超快物理機(jī)制的空間太陽能傳輸技術(shù)利用了超快激光在大氣傳輸時的非線性效應(yīng)。超強(qiáng)超快激光脈沖在大氣環(huán)境中傳輸時，由于非線性克爾自聚焦效應(yīng)和產(chǎn)生的等離子體的散焦作用的動態(tài)平衡，激光在空氣中自導(dǎo)引傳輸[6-7]，激光脈沖在時間空間的分布上達(dá)到了相對穩(wěn)定，形成了數(shù)百米、上千米的等離子體通道，其物理過程可以由圖 1形象地表現(xiàn)出來。這一復(fù)雜物理過程可以用自引導(dǎo)模型進(jìn)行解釋[8]。

圖1 等離子體通道的形成原理Fig.1 The principle of plasma channel

當(dāng)超短脈沖強(qiáng)激光束在空氣中傳輸時，基于三階非線性電極化效應(yīng)，引起了與入射光強(qiáng)I成正比的介質(zhì)折射率n的感應(yīng)變化，如式（1）所示：

式中 n0為線性折射率； Re(χ(3))為三階非線性極化率 χ(3)的實部。如將記為n2，則式（1）可表示為

式中 n2為非線性折射率系數(shù)。當(dāng)橫向分布為高斯函數(shù)的激光光束在空氣中傳輸時，光束軸與邊緣處的場強(qiáng)不同，因而在光束的傳輸過程中就造成了介質(zhì)折射率的非均勻分布。這樣在空氣中就形成了中心折射率高、邊緣折射率低的傳輸通道，具備這種特點的通道如同具備匯聚作用的光學(xué)元件凸透鏡，可以使光線匯聚，產(chǎn)生了自聚焦現(xiàn)象。

激光的自聚焦過程會使激光的強(qiáng)度不斷增加，當(dāng)其強(qiáng)度達(dá)到空氣電離閾值時，空氣被電離，產(chǎn)生低密度的等離子體，對折射率的影響可通過式（3）表示

式中 ωp=[4πe2ne(I) me]12為等離子體頻率，其中ne為電子密度，me為電子質(zhì)量；ω為激光頻率?？梢?，產(chǎn)生的等離子體對折射率的貢獻(xiàn)相對于克爾非線性自聚焦效應(yīng)來說是負(fù)的，類似于一個負(fù)透鏡，使激光光束散焦。激光束的自聚焦和等離子體的散焦作用同時存在，當(dāng)這兩種效應(yīng)達(dá)到一個動態(tài)的平衡時，激光束就可以在空氣中形成很長的等離子體通道[9]。

1.2 等離子體通道的電學(xué)特性及應(yīng)用

超強(qiáng)超快激光產(chǎn)生的等離子體通道由直徑 100~200μm的單根等離子體細(xì)絲或多根等離子體細(xì)絲構(gòu)成。由于超強(qiáng)超快物理機(jī)制的獨特，較低的激光注入能量就可以產(chǎn)生通道，并在通道內(nèi)將光強(qiáng)維持在1013~1014W/cm2之間，由此可以進(jìn)一步電離通道內(nèi)的空氣分子[10]。已有研究人員對不同超強(qiáng)超快激光條件下產(chǎn)生的等離子體通道的電阻率、接觸電阻、電子密度進(jìn)行細(xì)致研究，證實等離子體通道具有良好的電學(xué)特性，見表1[11]。

表1 等離子體通道電學(xué)特性Tab.1 The electrical characteristics of plasma channel

按照電阻率劃分，導(dǎo)體的電阻率<10–5Ω·m，絕緣體的電阻率>1010Ω·m，半導(dǎo)體的電阻率在兩者之間。由表1明顯看出，30.0mJ和36.0mJ激光能量產(chǎn)生的等離子體通道具備導(dǎo)體的電學(xué)性能。

基于穩(wěn)定的電學(xué)特性，等離子體通道首先被應(yīng)用于人工引導(dǎo)雷電的研究中[12-13]。2000年，加拿大Comtois等人和歐洲Teramobile[14]研究小組分別利用等離子體通道在高壓下引導(dǎo)了2.8m和3.2m的放電間隙。2008年，在位于美國新墨西哥州的高度約為3 200m的南伯帝峰頂端，Teramobile向經(jīng)過的雷暴云發(fā)射激光脈沖，結(jié)果成功地制造了云中電流的小型局部放電（如圖2所示）。

圖2 超強(qiáng)超快激光引導(dǎo)雷電示意Fig.2 The lightning induced by femtosecond laser

與此同時，各國紛紛開展了基于超強(qiáng)超快物理機(jī)制的電能傳輸技術(shù)的研究，并在理論及實驗兩方面取得了重要進(jìn)展[15]。2007年，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所利用電學(xué)探測法，在不同激光能量和不同極性外加電壓條件下對空氣中等離子體通道的電阻率進(jìn)行測量；同年，歐洲的研究小組利用等離子體通道作為電力傳輸線開展了對法國高速列車提供電力的探索性實驗研究，實驗結(jié)果顯示等離子體通道能夠傳導(dǎo)直流電或交流電的時間大于1s，見圖3[16]；2009年，F(xiàn)riedman等人對飛秒激光等離子體單絲通道傳輸電磁能開展了實驗研究；俄羅斯Bogatov等人設(shè)計了“絲的傳輸線結(jié)構(gòu)”，并基于傳統(tǒng)的雙導(dǎo)體傳輸線傳導(dǎo)電磁波機(jī)理，開展了傳導(dǎo)射頻電磁能的實驗研究。同年，中國科學(xué)院物理研究所的研究小組開展了不同等離子體通道電學(xué)特性的研究，在實驗室中利用激光通道誘導(dǎo)空氣放電，揭示了激光、高電壓及能量傳輸過程的物理機(jī)制和內(nèi)在關(guān)聯(lián)[11]。

圖3 等離子體通道傳導(dǎo)直流電實驗結(jié)果Fig.3 The electrical current transmission by plasma channel

2 基于等離子體通道的空間太陽能無線能量傳輸系統(tǒng)

空間太陽能經(jīng)歷從空間真空環(huán)境向地球大氣環(huán)境傳輸?shù)倪^程，微波與激光在大氣傳輸時存在的問題直接影響了空間太陽能電站系統(tǒng)的整體效率。所以，提高大氣階段的能量傳輸效率是空間太陽能利用的關(guān)鍵所在?；诘入x子體通道的無線能量傳輸技術(shù)充分利用大氣環(huán)境，為完善與發(fā)展空間太陽能電站無線能量傳輸系統(tǒng)提供了新穎的技術(shù)途徑。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

在空間太陽能電站和地基接收裝置間增加中間的轉(zhuǎn)化平臺，實現(xiàn)對傳輸區(qū)域的劃分，構(gòu)成非大氣-大氣兩區(qū)域傳輸模型，具體構(gòu)成及功能如下：1）大口徑太陽能收集裝置部署在衛(wèi)星平臺上，收集空間太陽能；2）微波轉(zhuǎn)換與發(fā)射裝置部署在衛(wèi)星平臺上，將太陽能收集后轉(zhuǎn)換成微波發(fā)射；3）微波接收裝置部署在駐留平臺上，將接收到的微波能量轉(zhuǎn)化為電能存儲；4）飛秒激光發(fā)生裝置部署在駐留平臺上，用來在大氣層內(nèi)激發(fā)等離子體電離通道，形成電能傳輸媒介；5）電能由等離子體通道傳輸至地面電力接收設(shè)施。整個系統(tǒng)構(gòu)成參見圖4。

圖4 空間太陽能新型傳輸技術(shù)示意Fig.4 The new concept of wireless energy technology in SSPS

2.2 特點分析

相比較于微波和激光傳輸技術(shù)，基于等離子體通道的無線能量傳輸技術(shù)在傳輸機(jī)制上有明顯不同，最顯著的特點就是該技術(shù)改變了能量的傳輸形態(tài)。微波與激光傳輸技術(shù)中，微波與激光既是能量傳輸?shù)拿浇?，又是能量本身。而基于等離子體通道的無線能量傳輸技術(shù)構(gòu)造一條類似虛擬導(dǎo)線的傳輸通道，直接傳輸由太陽能轉(zhuǎn)換的電能，這種傳輸機(jī)制上的創(chuàng)新使得空間太陽能電站傳輸系統(tǒng)較之前的設(shè)計方案有著明顯優(yōu)勢，具體如下：

（1）避免微波傳輸中的問題

真空—大氣兩區(qū)域模型，將微波無線能量傳輸作為第一階段的傳輸方式，由于是在空間段完成，沒有進(jìn)入到近地區(qū)域，有效解決了微波能量傳輸帶來的安全性問題，可運用大功率的微波傳輸，又可進(jìn)一步提高微波的傳輸效率。這樣，在駐留平臺上可以使用較之地面更小的設(shè)備接收高功率微波，降低了系統(tǒng)造價。

（2）最大程度降低大氣影響

該技術(shù)在大氣環(huán)境中才能通過電離空氣分子的外層電子形成等離子體通道，是一種利用大氣環(huán)境的思想，可以最大程度降低大氣環(huán)境對能量傳輸?shù)挠绊憽＝?jīng)過研究發(fā)現(xiàn)垂直距離上大氣密度變化對能量傳輸?shù)挠绊懞苄?，適用于大氣環(huán)境各個階段。

（3）巧妙地解決波束定向的難題

較小能量的等離子體細(xì)絲可作為先導(dǎo)，準(zhǔn)確接觸地基接收裝置后再傳輸電能；整個過程細(xì)絲與電能是獨立的兩個部分，細(xì)絲既是電能傳輸?shù)妮d體，又是定位的工具，從原理上為解決能量束定向問題提供了技術(shù)途徑。

（4）高效率的能量傳輸過程

該技術(shù)通過電離構(gòu)造等離子體通道。該通道具有良好的電學(xué)特性，可以將電能耦合進(jìn)行傳輸。等離子體通道具有較低的電阻率，因此通道耗能低，其電能傳輸能力良好。

3 結(jié)束語

空間太陽能的利用可以最大限度避免外部因素，提高太陽能利用效率。無線能量傳輸技術(shù)是空間太陽能利用的必經(jīng)途徑，是空間太陽能電站的核心關(guān)鍵技術(shù)。除了空間太陽能電站，無線能量傳輸技術(shù)還可以應(yīng)用于臨近空間飛行器、空中通信中繼站、衛(wèi)星電力中繼、惡劣環(huán)境的電力供應(yīng)等領(lǐng)域。基于等離子體通道的無線能量傳輸技術(shù)可以發(fā)展成為一種新型載荷，平流層飛艇配置該種載荷將成為一個懸浮在空中的能量來源，即“空基能量提供者”，進(jìn)一步擴(kuò)展飛艇的功能與應(yīng)用領(lǐng)域。在地面應(yīng)用方面，對于地形復(fù)雜、難以架設(shè)輸電線路的地區(qū)，如島嶼、荒山、沙漠等，可以采用基于等離子體通道的無線能量傳輸技術(shù)進(jìn)行電能補給，作為傳統(tǒng)的輸電線路的補充。

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