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美国开发基于微波或激光的无线充电技术

网络 2020-04-01

无线电力传输(Power Beaming)是一种无需电线为电子设备充电或供电的方法。对于民用行业,该技术可以使人们不再需要适配器和电线进行充电;对于军事应用,该技术可减少电池使用方面的限制和对发电设备的需求

一、发展背景

通常情况下,下车士兵依靠电池为从夜视镜到战术无线电台等电子设备供电;上车后,部分设备和电池必须插入车辆电源进行充电,这会增加发动机负担,影响发动机为遥控武器站、火控设备和作战管理系统供电。对于步兵来说,减少携带的电池数量可以减轻身体负担,使其更为敏捷并减缓疲劳。此外,大规模军事部署也对电力有巨大需求。美军在阿富汗的部署过程中,建造了多个发电站,以便为美国在阿富汗各地的军事基地提供电力。其中包括一座5兆瓦发电厂,为美国在阿富汗北部昆都士的前方作战基地供电;在阿富汗西南部赫尔曼德省的美国海军陆战队德威尔(Dwyer)前方作战基地也有类似的发电厂。这些设施在前期建设、人员和设备维护以及后续燃料供应等方面成本很高。无线充电技术可以为这些问题提供解决方案。

▲美国海军激光能量传输技术演示

二、技术原理

无线充电的技术原理相对简单:首先将电能转换为电磁辐射,然后以激光束或微波束的形式通过大气传输,需要充电的接收设备接收到激光束或微波后再将其转换为电能。其中,微波无线充电技术使用整流天线将传输到接收设备上的射频能量转换为直流电。整流天线通常由偶极天线阵列构成。偶极天线收集形成微波的电子,并将这些电子传输到二极管中。电子通过二极管进入接收设备的电路中为其供电。激光无线充电技术采用的方法略有不同:首先利用直流电产生近红外波段(800~2500纳米)的激光束,激光束经整形和定向后,通过大气传输到接收设备上,接收设备上的光伏阵列接收器将激光辐射转换为直流电。光伏阵列接收器类似于太阳能电池板,但仅接收激光辐射。

三、研究项目

一是美国海军水面作战中心的激光能量传输(PTROL)技术项目。该技术使用两座4米高的塔,一座塔上装有光伏接收器,另一座塔上装有2千瓦激光器。激光器发射400瓦的光束击中325米外的光伏接收器,光伏接收器将激光转换成交流电和直流电,这些电能可以为几台笔记本电脑充电。2019年5月,美国海军水面作战中心对激光能量传输技术进行了演示,演示中使用的激光器具有内置安全系统,任何人或物体接近光束轴时,这些安全系统都会自动切断激光,避免人眼损伤,克服了该技术广泛应用的主要障碍;而且,激光不受雨、雪、烟等大气污染物的影响。

二是美国空军研究实验室的空间太阳能增量演示与研究(Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research,SSPIDR)项目。该项目利用放置在太空中的大型太阳能电池板收集太空中的太阳能,然后将其转换为微波能量再发射到地球上。这样的过程零排放,不会破坏环境。诺斯罗普•格鲁曼公司是该项目的主要承包商。

▲微波能量传输技术概念图

四、存在的技术问题

短期内,天线尺寸是微波无线充电技术广泛应用的主要障碍。因为距离发射源越远,微波越宽。这意味着直径为1千米的天基发射源需要地面上10千米宽的天线才能接收2.4吉赫兹的波束。解决这一问题的方法之一是使用较高的发射频率,频率越高,所需的天线越小,但是由于它们的波长较窄,在到达大气层时会受到降水(雨或雪)的干扰。因为降水会吸收较高频率的射频能量。

此外,发射射频和接收天线的航天器需要精确对准,以确保可靠接收微波能量束。雷声公司在2019年指出,该公司正在考虑使用毫米波进行微波无线充电技术开发,使用的是30吉赫兹以上的频率。雷声公司认为,与相对较低的频率相比,使用这种频率可以产生更高的功率密度,所需的发射器和接受天线尺寸较小,并且利用机械式或电子式波速操控系统可以保持狭窄的毫米波束在发射器和接收天线之间的有效连接。这也有助于降低安全风险。

北方科技信息研究所 李雅琼 李静

注:原文来源网络,文中观点不代表本公众号立场,相关建议仅供参考。

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