基本信息
- 项目名称：
- 行星表面探测器的微波无线能量传输装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 设计制作一个微波无线能量传输装置，依靠接收太空能源站的发射天线定向发射大功率微波能量，经微波无线能量传输装置的接收天线阵列和整流电路把微波能量高效率地转换为可用的直流电能，为行星表面探测器的动力和搭载设备提供能源。
- 详细介绍：
- 在人类近代历史发展过程中，能源的开发、利用和输送起着极其重要的作用，已构成现代国民经济的主要支柱之一。目前能源运输主要依赖交通工具或高压送电设备，需耗费大量人力和物力，在运输过程中还存在大量的能源浪费问题。因此，人们就开始系统的研究用微波输送能量。 本发明设计制作一个应用于行星表面探测器的微波无线能量传输装置，依靠接收太空能源站的发射天线定向发射大功率微波能量，经微波无线能量传输装置的接收天线阵列和整流电路把微波能量高效率地转换为可用的直流电能，为行星表面探测器的动力和搭载设备提供能源。该装置具有重量轻、工作时间长、安全性和稳定性高、灵活等特点。并为解决能源的不间断补给提供了一种新的解决方案。 特点：1、重量轻。动力来自燃料的探测器工作时间短、装置体积大和有效载荷小，使用微波无线输能装置，可以减轻探测器的自身重量，并且可以提供稳定的能源供应；2、工作时间长。来自太阳能供能的探测器受到太阳辐射角度、灰尘和行星大气环境的影响很大，而且太阳能板会出现老化现象，装配微波无线能量传输装置的行星表面探测器几乎不受天气影响、长时间工作和成本低。3、安全性和稳定性高。微波无线输能装置能更好的解决行星上能源补给和稳定持续的供应问题；4、灵活性高。该微波无线能量传输装置采用无线方式，可应用于移动性的载体，并且能够实现一对一或一对多的能量传输。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：为了减轻行星表面探测器的负载重量和解决行星上的能源的不间断供应问题，设计和实现了一种应用于行星表面探测器的微波无线能量传输装置，实现行星表面探测器无需携带能源，并能保持长时间工作。 思路：设计制作一个微波无线能量传输装置，依靠接收太空能源站的发射天线定向发射大功率微波能量，经该装置的接收天线阵列和整流电路把微波能量高效率地转换为可用的直流电能，为行星表面探测器的动力和搭载设备提供能源。 创新点：1、行星表面探测器自身携带能源过重，使用无线输能，可以减轻探测器的自身重量，并且可以提供稳定的能源供应；2、太阳能供电会受到太阳辐射角度、行星大气环境和灰尘的影响，而微波的传输不受气候环境的影响，并且可靠稳定的工作；3、微波无线输能装置能更好的解决行星上能源的补给和持续性供应的问题；4、该装置可应用于移动性的载体，能够实现一对一或一对多的能量传输。 技术关键：1、微波整流天线阵列技术，转换效率高；2、可靠的电磁兼容系统设计；3、高定向性高增益的辐射天线，使微波能以很窄的波束形式发射，集中微波能量定向传输；4、高功率微波源，以保证能量供给充足和保持微波波束的稳定；5、太空能源站与行星表面探测器一对一或一对多的能量传输。 主要技术指标：1.微波输能工作频率2450MHz；2.微波发射功率不低于700W；3.发射天线增益不低于24dBi； 4.接收整流天线面积不低于1平方米；5.微波整流电路效率高于50%；6.转换后输出的直流功率可以用于驱动行星表面探测器和通信。
科学性、先进性
- 科学性：行星表面探测器的微波无线能量传输装置是微波输能技术、自动控制技术和通信技术等多学科的交叉研究成果。随着技术的发展，行星表面探测器的微波无线能量传输装置的高定向性、高效性和大功率传输等功能的越来越完善，能够满足未来更多的发展。 先进性：1、重量轻。动力来自燃料的探测器工作时间短、装置体积大和有效载荷小，使用微波无线输能装置，可以减轻探测器的自身重量，并且可以提供稳定的能源供应；2、工作时间长。来自太阳能供能的探测器受到太阳辐射角度、灰尘和行星大气环境的影响很大，而且太阳能板会出现老化现象，装配微波无线能量传输装置的行星表面探测器几乎不受天气影响、长时间工作和成本低。3、安全性和稳定性高。微波无线输能装置能更好的解决行星上能源补给和稳定持续的供应问题；4、灵活性高。该微波无线能量传输装置采用无线方式，可应用于移动性的载体，并且能够实现一对一或一对多的能量传输。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- ■实物、产品 ■录像 ■图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：1、该装置采用无线方式，可应用于移动性载体，可实现一对一或一对多的能量传输；2、微波输能几乎不受天气影响、长时间工作；3、解决行星能源补给和持续性供应问题。 适用范围：1、应用于空间太阳能发电站（空对地）。将空间太阳能发电站的电能，经该装置输送到地球上；2、应用于高空飞行平台（地对空）。依靠接收地面的微波能源来驱动无人机或飞艇，实现长时间的侦察或作为高空中继站用于通讯；3、微波输电（地对地）。传统的高压输电线的架设，耗费人力物力，而蓄电池能量携带有限需要充电，太阳能电池易受天气环境影响，而且转换效率低。应用微波输电能更好的解决上述问题；4、太空供能（空对空）。太空能源站通过该装置实现对近距离太空卫星群的大规模能源供应。 市场分析与经济效益预测：该装置可长时间应用于行星表面探测器在行星上进行监视、通信中继和遥感探测等活动，为持久稳固地情报搜集、监视侦察、通信任务和实现太空飞行器的群体能源供应提供了宽广的潜力；应用该设备将太空中的能源输送到地球，能更好的解决地球能源危机。
同类课题研究水平概述
- 传统的高压输电线的架设，耗费人力物力，对地理环境较为复杂的山区、荒漠、孤岛更是如此。而蓄电池能量携带有限需要充电，太阳能电池受天气环境的影响很大，而且转换效率不高。用先进的微波无线输电手段代替高压输电线是欧美日等发达国家正在努力的方向。 1975年美国国家喷气推进实验室JPL在加州演示了收发两端相距1英里的微波功率传输系统，该系统接收端整流天线得到了30Kw的直流功率。 1987年，加拿大成功的让机翼长为4.5 m的飞机在2.45 GHz的微波功率驱动下，在低空飞行了20分钟。 1994年—1995年日本也进行了地面上两点间的微波无线传输能量实验，接收装置是一个3.2米×3.6米的大型整流天线阵，整个整流天线阵的微波—直流转换效率达到了46%。 1996年12月，法国在美国、俄罗斯、日本等国支持下，成功研制了一个微波无线供能系统，此系统在留尼旺岛冈巴桑峡谷，将电能以微波波束的形式从峡谷的项端传送到底部，解决了峡谷内小村庄的生活、通信用电问题。 2000年6月美国科学家利用微波将一小型飞行器成功地运入太空，标志着人类利用微波能量取得突破性进展。 利用微波将太空太阳能传输到地面来使用，成为微波无线供能的一个重要趋势。加州最大电力公司—太平洋天然气与电力公司已经宣布，计划向欲打造世界上首座轨道太阳能发电厂的Solaren公司购买电量。根据计划，Solaren将利用绕地球轨道运行的太阳能电池板发电，而后将电量转换成微波加以传送，位于弗雷斯诺的地面接收站则负责接收微波。然后微波将转换成电量并输入电网。 日本航空宇宙开发中心（JAXA）也在研究类似的太空太阳能发电系统(SSPS)，有望于2030年前启动。在北海道的研究基地，日本科学家用直径2.4m的仪器装置进行了地面接收太空微波的实验。JAXA的最终目标是要建立一个约3平方公里的地面接收站，生产100万千瓦的电力，给50万个家庭供电。 目前，微波无线功率传输在国外已经开展了大量研究，但是微波无线功率传输的研究在国内尚处于起步阶段。我们结合自身微波技术研究的特点，在微波无线输能方面开展了大量的研究，具有较好的研究基础。我们前期设计实现的微波无线供能动力小车，已经成功完成了演示。
