[發明專利]一種基于激光誘導等離子體的空間太陽能無線傳輸方法

有效

• 申請號: 201310263773.4
• 申請日: 2013-06-27
• 公開（公告）號: CN103326478A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 李維;劉勛;楊秉新;蘇云;阮寧娟
• 申請（專利權）人: 北京空間機電研究所
• 主分類號: H02J17/00
• 分類號: H02J17/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明屬于空間太陽能領域，涉及無線能量傳輸技術，特別涉及激光等離子體相互作用。

背景技術

隨著科學發展，各國在空間太陽能傳輸方面有著類似的發展軌跡，目前的空間太陽能電站計劃都是采用基于微波或者激光的無線能量傳輸方式，主要工作為試驗無線電力傳輸技術，著重于電離層和大氣層的影響評估，驗證波束控制技術及安全性，涉及無線能量傳輸技術的各個方面。

第一種方法是基于微波的無線能量傳輸方式。微波無線能量傳輸是指將位于地球同步軌道上的太陽能電池獲得的電力轉換為微波傳輸到地面。在地面微波使用接收整流天線將微波重新轉換為電能，實現太陽能發電的功能。為了在大氣中實現高效率的微波傳輸，一般采用不受云、雨等氣象條件影響的工業、科學和醫療（ISM）頻帶中的2.45Hz或者5.8GHz（波長0.12-0.05m）的微波頻率。微波無線能量傳輸技術涉及三個關鍵性問題，第一個是微波能量高效傳輸，第二個是微波傳輸的安全性問題，第三個是地面接收陣列的面積與造價。這三個問題相互影響，彼此制約。提高微波傳輸功率，可以有效降低地面接收系統的面積，進而降低系統造價，但是必須考慮大功率微波傳輸的安全性及可能引起的生態問題。

第二種方法是基于激光的無線能量傳輸方式。此方法是指在地球同步軌道上的太陽能發電衛星利用電激勵的方式或者太陽能直接泵浦激光的方式將太陽能轉換為激光，再傳輸至地面接收裝置，進而利用光電轉換裝置將接收到的激光轉換為電力，或者直接利用激光分解海水制造氫氣。激光無線能量傳輸技術開展得相對較晚，但是由于激光本身特性，使得這種無線能量傳輸方式顯現出獨特優勢。相比較微波無線能量傳輸方式，激光無線能量傳輸方式可以利用更窄的光束，使用更小的發射裝置，允許更高的能量密度；在可見光與近紅外波段具有大氣傳輸窗口，多采用1064nm的激光頻段進行傳輸；激光無線能量傳輸所需地面接收設備面積小，造價相對便宜。但是，激光穿過大氣層時，有能量損耗，在惡劣氣候條件下不能使用，而且大功率的激光技術目前還有很多難點，需要進一步研究才能得以應用。

空間太陽能電站無線能量傳輸技術的發展，一方面希望從現有的無線能量傳輸方案中尋求突破，另一方面也需要分析傳輸鏈路，建立新型傳輸模型，提出新技術與新方案。

發明內容

本發明的技術解決問題是：提供一種基于激光誘導等離子體的新型空間太陽能無線傳輸方法，該方法在空間太陽能電站和地基接收裝置間增加了駐留平臺，實現對傳輸區域的劃分構成了真空-大氣兩區域傳輸模型，在真空區域使用現有的基于激光的無線能量傳輸方式，在大氣區域利用等離子體通道將電能直接傳輸至地面接收裝置，實現高可靠性高效率的空間太陽能傳輸。

本發明的技術解決方案是：

一種基于激光誘導等離子體的空間太陽能無線傳輸方法基于的系統包括空間太陽能電站、駐留平臺、地面接收裝置，空間太陽能電站又包括空間控制裝置、太陽能收集裝置、太陽能發電及激光產生裝置和激光發射裝置1；駐留平臺又包括光電轉換板、激光發生裝置2、電能耦合接入裝置和駐留平臺控制裝置，具體步驟如下：

（1）空間控制裝置向太陽能收集裝置發送收集太陽能的指令，太陽能收集裝置完成空間太陽能的收集并將其傳輸給太陽能發電及激光產生裝置；

（2）太陽能發電及激光產生裝置在空間控制裝置指令的驅動下將太陽能收集裝置收集到的太陽能轉化為電能存儲，然后泵浦產生半導體激光并通過光纖輸送到激光發射裝置1；

（3）激光發射裝置1接收空間控制裝置指令將多路光纖輸送的半導體激光合成一束激光后經過真空區域傳輸到駐留平臺；

（4）駐留平臺的光電轉換板將激光發射裝置1傳輸來的1064nm的激光頻段的光能量轉換存儲為電能并向駐留平臺控制裝置發送信號通知其電能存儲完畢；

（5）駐留平臺控制裝置向激光發射裝置2發送指令向大氣區域發射激光脈沖構建絲狀等離子體通道；

（6）絲狀等離子通道與地面接收裝置建立連接后，地面接收裝置向駐留平臺控制裝置發送信號通知通道建立完畢，駐留平臺控制裝置觸發電能耦合接入裝置將光電轉換板存儲的電能引入等離子體通道定向傳輸到地面接收裝置；

（7）地面接收裝置接收并存儲電能完成空間太陽能傳輸。

所述駐留平臺位于大氣區域邊沿，將傳輸區域劃分為真空區域和大氣區域。

所述激光發射裝置2是一種能夠輸出太瓦級高功率的激光產生裝置，采用基于啁啾脈沖放大原理的摻鈦藍寶石飛秒激光器。

本發明與現有技術相比優點在于：