В. Л. САВВИН
Московский государственный университет им.
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ МИКРОВОЛНОВОЙ
ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
Проведен анализ современного состояния исследований в развивающейся области СВЧ-энергетики – микроволновой передаче энергии. Обсуждаются проблемы повышения эффективности передачи, снижения уровня боковых лепестков и переизлучения микроволн на кратных гармониках рабочей частоты. Анализируются перспективы проектов микроволновой передачи энергии наземного и космического базирования.
Идея передачи энергии с помощью электромагнитного излучения была впервые высказана выдающимся электротехником Николой Тесла в начале XX века. Развитие радиолокации и интенсивные работы по освоению дециметровых и сантиметровых диапазонов микроволн заложили основу для широкого использования СВЧ-энергетики и вызвали растущий 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.
В докладе обсуждается современное состояние в области микроволновой передачи энергии, возникающие при этом технологические и экологические проблемы, а также перспективы развития микроволновых систем передачи энергии наземного и космического назначения.
При анализе потенциальных возможностей микроволновой передачи энергии важно учитывать как эффективность передачи, так и уровень переданной мощности, достигнутые на сегодняшний день. Наивысший уровень КПД и переданной мощности был зафиксирован в эксперименте Дикинсона – 54% и 34 кВт постоянного тока в нагрузке приемной системы при передаче энергии на расстояние 1,55 км на частоте 2,4 ГГц. Приемная система, содержавшая ректенны с GaAs-диодами, продемонстрировала КПД приема и преобразования микроволн в постоянный ток на уровне 82,5%.
Наиболее распространенным типом преобразователя микроволн в постоянный электрический ток является ректенна с полупроводниковым диодом Шоттки. Наивысшее значение КПД преобразования ректенны было достигнуто в лабораторных условиях (91,4%) для рабочей частоты 2,45 ГГц. На частоте 5,8 ГГц КПД преобразования ректенн с диодами Шоттки достигает 82% при входной мощности 50 мВт. Однако плотность мощности падающего излучения может заметно изменяться (до 10 дБ) на приемной апертуре микроволновой линии передачи. Уменьшение уровня входной мощности на ректенне приводит к росту потерь на диоде и значительному снижению КПД преобразования. Так при уровне 100 мВт и ниже КПД преобразования не превышает 60%.
Альтернативным типом устройства для обратного преобразования микроволн в постоянный ток могут быть различные вакуумные приборы, работающие в обращенном режиме (клистроны, магнетроны и др.). Следует особо выделить циклотронный преобразователь с эффективностью до 83%, входной мощностью микроволн 10 кВт на частоте 2,45 ГГц и выходным напряжением 15-20 кВ [2]. Мощные вакуумные преобразователи с высоким выходным напряжением легче могут быть интегрированы в существующие энергосистемы по сравнению с низковольтными ректеннами, которые придется коммутировать в большое число последовательно-параллельных цепочек.
Среди основных требований к микроволновой передаче энергии следует выделить достижение высокой эффективности при одновременном обеспечении безопасности, экологической чистоты и электромагнитной совместимости системы. Уровень излучения боковых лепестков передающих антенных систем на основной частоте должны соответствовать требованиям стандартов безопасности. Особое внимание следует уделять проблеме переизлучения микроволн приемной системой с полупроводниковыми преобразователями (ректеннами) на кратных гармониках рабочей частоты.
Среди разнообразных предложений по использованию микроволновой передачи энергии следует особо выделить два проекта, активно разрабатываемые в последние годы. Это – проект энергоснабжения населенного пункта, расположенного в труднодоступном районе острова Реюнион (Франция) и проект космической спутниковой системы для роста полупроводниковых кристаллов.
Список литературы
1. СВЧ-энергетика: теория и практика, М., 2003.
2. Vanke V., Savvin V. Cyclotron-Wave Converter For SPS Energy Transmisson System//Proc. SPS-91, Paris, p.515, 1991.
