电磁场与电磁波理论与应用之微波输电

电磁场与电磁波理论与应用之微波输电自从1882年法国人德普勒首次实现第一条直流输电线把电力送到57km远的慕尼黑国际博览会驱动水泵电动机，1891年第1条三相交流高压输电线在德国法兰克福竣工以来，开始了电力系统的传统直流和交流输电一个世纪的应用和发展，至今已形成较完善的高压输电技术。但随着各种新能源的开发、不同负荷对电力需求的多样化和技术、经济、环境等多方面的要求不断增长，传统输电方式的种种缺陷开始日益凸显。于是多种新型输电方式的概念和技术被提出并得到积极地研究。微波输电就是其中一种。微波输电就是把直流或者交流电能，同过一定的方式转化成电磁波束，再由接收装置接收这束电磁波并将其转换成直流或交流电，然后再进一步传输或者使用。理论上来说，电磁波的波长越短，其定向性越好，弥散越小，因此现阶段主要将微波作为无线输电的主要方式。最早产生微波输能设想的事尼古拉·特斯拉，因而有人称之为微波电能传输之父。1890年，特斯拉就做出了微波电能传输实验。特斯拉构想的微波电能传输方法是把地球作为内导体，把地球电离层作为外导体，通过放大发射机以径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，利用环绕地球表面电池来传输能量。最终因财力不足，特斯拉的大胆构想没能实现。其后，古博、施瓦固等人从理论上推算了自由空间波束导波可达近100%的传输效率，并随后在反射波束导波系统上得到了验证。传统意义上的输电方式，即使用金属导线输电，有着种种缺陷。一是需要使用大量的铜，铝，甚至银等金属，而这些金属大多都较为昂贵。另外架设输电线路势必需要大量的金属导线及配套的铁塔、电杆，而这些工程则会消耗大量的资源。二是在金属导线传输过程中会造成大量的能量损失，电能在输送过程中一部分转换成热量浪费掉。三是架设输电线路需要大量的人力物力，并且会浪费许多宝贵的土地资源。四是随着人类活动空间的不断拓展，在一些极端环境下不适合架设金属电缆进行传统意义上的输电。而使用微波进行输电不同于传统的输电方式，也有着传统方式所不具有的优势。电磁波可以自由的在空间中进行传播，无需任何介质，这样一来，就可以不用耗费资源沿途架设铁塔和电缆；这样一来，不仅可以节省资源，利用电磁波的这一特性，甚至可以在宇宙空间中进行输电，这是传统的输电方式所无法企及的。在能源日益紧张的今天，人们不断的致力于开发新型能源。在这种趋势下，不断的有人将目光放在我们同的太阳上——这个正在不断进行着氢核聚变的几乎永恒的巨大天体。从阳光中获得的能源自然是取之不尽，用之不竭。但是在地球表面建造太阳能电站受到下列因素的限制：(a)地球表面的日照受到昼夜、季节、天气和气候的影响特别大；(b)要占用大面积的土地；(c)难以使大面积的定向镜跟踪太阳；(d)易受到的污染和风、霜、雨、雪的侵蚀；(e)太阳光穿过大气层时一部分能量被吸收掉，没有被地面的太阳能电站充分利用。如此一来，将太阳能电站建在宇宙空间自然是理想的选择。当然这也会带来其他的困难。而最大的困难，莫过于如何将电能输送到地面。而发展微波输电技术，则可以很好的解决这一难题。微波输能是一个综合性的课题。它不仅包括与此直接有关的高功率微波产生、发射和接收等问题，而且还包括生态、环境、电磁兼容等许多相关学科。1968年皮得·格拉泽提出的SSPS计划对微波输电技术的发展产生了深远的影响，并立即启动了有关课题的研究，经过40多年的努力，微波输能在技术上已趋成熟。当前人们还在对高功率微波的产生、高效率传输、聚焦发射等核心课程进行研究。从目前的发展水平与趋势来看，微波输能必将成为本世纪的主要输能方式。国外成立了国际空间大学，其主要科学活动是研究如何利用空间太阳能。我国是一个人口大国，人均资源占有量很少，人均电量居世界第80位，如果不发展自己的产业，会在能源危机中步入困境。这是一项涉及到国家政府决策机关、科学技术领域和工业生产等部门的浩大的系统工程，需要各方鼎力相助、共同努力奋斗才能实现这一宏伟蓝图。它的大规模实施不仅解决了未来世界范围的能源供给问题，而且也是建立未来宇宙工业和人类超越地球的先决条件，同时也将极大地带动和促进相关高科技产业的发展，可能带来的社会经济效率是不可估量的。至于建造卫星太阳能电站技术上的难点，现在正在逐步努力地攻克。总之，微波输电技术与卫星太阳能电站是客观现实，而不是科学幻想。尽管具体实施起来要耗费巨大的资金，但从它所带来的社会经济效益和所具有的战略意义上分析是值得研究探讨的。另外，它与高功率微波技术密切相关，也许将来时高功率微波技术非常重要的研究方向和应用领域。