CN103326478A

CN103326478A - 一种基于激光诱导等离子体的空间太阳能无线传输方法

Info

Publication number: CN103326478A
Application number: CN2013102637734A
Authority: CN
Inventors: 李维; 刘勋; 杨秉新; 苏云; 阮宁娟
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-27
Also published as: CN103326478B

Abstract

一种基于激光诱导等离子体的空间太阳能无线传输方法，在空间太阳能电站和地面接收装置间增加中间的驻留平台，将传输区域划分为真空-大气两个传输区域。根据不同传输区域的特性分别采用不同的传输方法，在真空区域使用现有的激光无线能量传输方式，在大气区域引入超强超快物理机制，利用超强超快激光大气传输时的非线性效应，形成等离子体通道，将电能直接传输至地面接收装置，实现高可靠性高效率的空间太阳能传输。

Description

一种基于激光诱导等离子体的空间太阳能无线传输方法

技术领域

本发明属于空间太阳能领域，涉及无线能量传输技术，特别涉及激光等离子体相互作用。

背景技术

随着科学发展，各国在空间太阳能传输方面有着类似的发展轨迹，目前的空间太阳能电站计划都是采用基于微波或者激光的无线能量传输方式，主要工作为试验无线电力传输技术，着重于电离层和大气层的影响评估，验证波束控制技术及安全性，涉及无线能量传输技术的各个方面。

第一种方法是基于微波的无线能量传输方式。微波无线能量传输是指将位于地球同步轨道上的太阳能电池获得的电力转换为微波传输到地面。在地面微波使用接收整流天线将微波重新转换为电能，实现太阳能发电的功能。为了在大气中实现高效率的微波传输，一般采用不受云、雨等气象条件影响的工业、科学和医疗（ISM）频带中的2.45Hz或者5.8GHz（波长0.12-0.05m）的微波频率。微波无线能量传输技术涉及三个关键性问题，第一个是微波能量高效传输，第二个是微波传输的安全性问题，第三个是地面接收阵列的面积与造价。这三个问题相互影响，彼此制约。提高微波传输功率，可以有效降低地面接收系统的面积，进而降低系统造价，但是必须考虑大功率微波传输的安全性及可能引起的生态问题。

第二种方法是基于激光的无线能量传输方式。此方法是指在地球同步轨道上的太阳能发电卫星利用电激励的方式或者太阳能直接泵浦激光的方式将太阳能转换为激光，再传输至地面接收装置，进而利用光电转换装置将接收到的激光转换为电力，或者直接利用激光分解海水制造氢气。激光无线能量传输技术开展得相对较晚，但是由于激光本身特性，使得这种无线能量传输方式显现出独特优势。相比较微波无线能量传输方式，激光无线能量传输方式可以利用更窄的光束，使用更小的发射装置，允许更高的能量密度；在可见光与近红外波段具有大气传输窗口，多采用1064nm的激光频段进行传输；激光无线能量传输所需地面接收设备面积小，造价相对便宜。但是，激光穿过大气层时，有能量损耗，在恶劣气候条件下不能使用，而且大功率的激光技术目前还有很多难点，需要进一步研究才能得以应用。

空间太阳能电站无线能量传输技术的发展，一方面希望从现有的无线能量传输方案中寻求突破，另一方面也需要分析传输链路，建立新型传输模型，提出新技术与新方案。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种基于激光诱导等离子体的新型空间太阳能无线传输方法，该方法在空间太阳能电站和地基接收装置间增加了驻留平台，实现对传输区域的划分构成了真空-大气两区域传输模型，在真空区域使用现有的基于激光的无线能量传输方式，在大气区域利用等离子体通道将电能直接传输至地面接收装置，实现高可靠性高效率的空间太阳能传输。

本发明的技术解决方案是：

一种基于激光诱导等离子体的空间太阳能无线传输方法基于的系统包括空间太阳能电站、驻留平台、地面接收装置，空间太阳能电站又包括空间控制装置、太阳能收集装置、太阳能发电及激光产生装置和激光发射装置1；驻留平台又包括光电转换板、激光发生装置2、电能耦合接入装置和驻留平台控制装置，具体步骤如下：

（1）空间控制装置向太阳能收集装置发送收集太阳能的指令，太阳能收集装置完成空间太阳能的收集并将其传输给太阳能发电及激光产生装置；

（2）太阳能发电及激光产生装置在空间控制装置指令的驱动下将太阳能收集装置收集到的太阳能转化为电能存储，然后泵浦产生半导体激光并通过光纤输送到激光发射装置1；

（3）激光发射装置1接收空间控制装置指令将多路光纤输送的半导体激光合成一束激光后经过真空区域传输到驻留平台；

（4）驻留平台的光电转换板将激光发射装置1传输来的1064nm的激光频段的光能量转换存储为电能并向驻留平台控制装置发送信号通知其电能存储完毕；

（5）驻留平台控制装置向激光发射装置2发送指令向大气区域发射激光脉冲构建丝状等离子体通道；

（6）丝状等离子通道与地面接收装置建立连接后，地面接收装置向驻留平台控制装置发送信号通知通道建立完毕，驻留平台控制装置触发电能耦合接入装置将光电转换板存储的电能引入等离子体通道定向传输到地面接收装置；

（7）地面接收装置接收并存储电能完成空间太阳能传输。

所述驻留平台位于大气区域边沿，将传输区域划分为真空区域和大气区域。

所述激光发射装置2是一种能够输出太瓦级高功率的激光产生装置，采用基于啁啾脉冲放大原理的掺钛蓝宝石飞秒激光器。

本发明与现有技术相比优点在于：

（1）本发明构建了高效可靠的新型太阳能无线传输模型，将原来从空间太阳能电站到地面接收装置的整个传输区域划分为真空与大气两个区域。本发明根据不同传输区域的空间特点采用不同的传输方式，充分发挥了激光无线能量传输方式的优势，减小了能量消耗，提高了传输效率，降低了系统造价。

（2）本发明在大气区域利用具有稳定电学特性的等离子体通道作为传输媒介来传输电能，相当于在大气中构造了一条人造导线，将电能耦合后传输至地面接收设施，改变了传输的能量状态，保证了电能的高效率传输。

（3）本发明采用的激光脉冲持续时间非常短，不容易造成介质因雪崩电离而被击穿，因此等离子体通道在传播过程中的能量损耗很小，是一种高效率的无线传输方式。

（4）本发明中等离子体通道既是电能传输的载体，又是定位的工具，使得电能能够准确传输到地面接收装置，提高传输的准确性，增强了对能量波束的控制。

附图说明

图1为本发明基于的系统组成原理框图；

图2为本发明等离子体通道形成与传输机制图；

图3为本发明空间太阳能无线传输示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，本发明是一种基于激光诱导等离子体的空间太阳能无线传输方法，该方法所基于的系统包括空间太阳能电站、驻留平台、地面接收装置三个部分。其中，空间太阳能电站又包括空间控制装置、太阳能收集装置、太阳能发电及激光产生装置和激光发射装置1；驻留平台又包括光电转换板、激光发生装置2、电能耦合接入装置和驻留平台控制装置。空间控制装置用于空间太阳能电站的收集和传输太阳能的控制，太阳能收集装置用于实现大聚能比（聚焦后的功率密度与空间太阳能常数的比值即为聚能比）的空间太阳能收集，空间太阳能的功率密度为1366W/m²（空间太阳能常数），太阳能收集装置将空间太阳能汇聚至小面积光电转换板上实现高能量密度太阳能收集。太阳能发电及激光产生装置用于将太阳能收集装置收集到的太阳能转化为电能存储，然后泵浦产生半导体激光并通过光纤输送到激光发射装置1；激光发射装置1用于将多路光纤输送的半导体激光合成（激光强度的叠加）为一束激光后发送出去。

驻留平台采用平流层飞艇，平流层飞艇要在20km的高空长期、稳定和可靠地定点停留。在该高度上，大气密度仅为海平面的1/13，温度长年在-56℃左右，风速范围在15-50m/s，平流层飞艇承载的重量可以达到2000kg。同时平流层飞艇内部携带充有氮气的气囊，以提供静浮力作为升力。平流层飞艇能够在空中长期保持定点（同时平流层飞艇也可以以极慢的速度飞行，相对地面设备静止即可）。平流层飞艇上的能源一部分用于机载设备能耗，约为10kW左右；另一部分用于驱动推进平流层飞艇动力系统，平衡高空大气风力，实现飞艇定点控制；光电转换板用于对激光发射装置1发送的特定激光频段的光能量转换存储为电能，光电转换板面积较大（激光本身具有一定发散角，在传输过程中激光光斑会不断增大，所以光电板面积需要尽可能的大），对激光传输频段具有高响应的特性；激光发射装置2用于在大气区域构建等离子体通道；电能耦合接入装置把电能引入等离子体通道中传输到地面接收装置；同步控制装置用于控制激光发射装置2产生等离子体通道和电能耦合接入装置将电能引入等离子体通道。

如图2所示，等离子体通道产生过程如下：激光发射装置2是一种基于啁啾脉冲放大原理的掺钛蓝宝石飞秒激光器，激光发射装置2产生超短激光脉冲（激光脉宽<10^-12s），激光脉冲通过具有色散延迟功能的光栅使其脉冲宽度得到10³-10⁵倍的展宽，然后注入激光放大器中进行放大，以得到能量提高。在大气区域形成等离子体通道所使用的飞秒激光脉冲能量通常在几十毫焦，所以能量提高约为10⁷量级。经过激光放大器之后的激光脉冲通过一个具有共轭色散补偿功能的光栅后被压缩回到原来的脉冲宽度，这样产生的激光聚焦后产生超过10²⁰W/cm²的光强，其在大气环境中产生等离子体，从而形成丝状等离子体通道。

激光发射装置2发射激光脉冲在大气区域形成丝状等离子体通道，所述的等离子体通道采用空间动态补偿模型进行解释：

\frac{&PartialD; E}{&PartialD; z} = \frac{i}{2 k_{0}} (\frac{{&PartialD;}^{2}}{&PartialD; r^{2}} + \frac{1}{r} \frac{&PartialD;}{&PartialD; r}) E - \frac{i k^{''}}{2} \frac{{&PartialD;}^{2} E}{&PartialD; r^{2}} + i k_{0} n_{2} {| K |}^{2} E - \frac{i k_{0} ρ}{2 ρ_{c}} E - \frac{β^{(K)}}{2} {| K |}^{2 K - 2} E - - - (1)

从上述模型可知，由于非线性自聚焦，激光脉冲的前沿超过电离阈值时，会造成小范围的电离，这种电离将对激光脉冲后沿具有散焦作用，即等离子体散焦。激光脉冲前沿的强度会由于产生等离子体而不断降低，产生的等离子体也不断减弱，激光脉冲后沿的克尔自聚焦作用逐渐增强，从而形成了周期性的聚焦和散焦。这样，强激光束就可以不断地衰减、被补偿，从而传输很长的距离，而不受瑞利距离的限制。

其中（1）式右边分别描述横向衍射、群速度色散、克尔非线性自聚焦、等离子体散焦和多光子吸收。（2）式描述的是由于多光子电离引起电子密度的变化。式中ω为光频率，|E|²为光强，k"=0.2fs²/cm，ρ为电子密度，σ为逆韧致辐射截面，τ为电子碰撞弛豫时间，β^(K)为K个光子的吸收系数。通过上述方法形成的等离子体通道通常是由直径在百微米量级的多根等离子体细丝组成，其内部分布着大量自由电子，量级在10¹⁵-10¹⁷cm^-3。这些自由电子的存在使得等离子体通道具有稳定的电学特性，电阻率<10^-5Ω·m，属于导体范畴。

如图3所示，等离子体通道在大气中连接至地面接收装置，当地面接收装置收到等离子体通道的光信号时，驻留平台与地面接收装置相连通，地面接收装置向同步控制装置发送连通信号，然后同步控制装置驱动电能耦合接入装置将电能引入进等离子体通道中，定向传输至地面接收装置。超强超快激光是脉冲形式的激光，在大气环境中产生的等离子体通道具有一定寿命，在通道寿命内将驻留平台存储的电能导入，需要同步控制系统的指令，以保证电能的高效率耦合。

本发明将传输区域划分构成了真空-大气两区域传输区域，在真空区域使用现有的基于激光的无线能量传输方式，在大气区域利用等离子体通道将电能直接传输至地面接收装置，本方法的具体步骤如下：

（4）驻留平台的光电转换板将激光发射装置1传输来的激光频段的光能量转换存储为电能并向驻留平台控制装置发送信号通知其电能存储完毕；

（6）丝状等离子通道与地面接收装置建立连接后，地面接收装置向驻留平台控制装置发送信号通知通道建立完毕，驻留平台控制装置触发电能耦合接入装置将光电转换板存储的电能引入等离子通道定向传输到地面接收装置；

（7）地面接收装置接收并存储电能完成太阳能传输。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种基于激光诱导等离子体的空间太阳能无线传输方法，所述方法基于的系统包括空间太阳能电站、驻留平台、地面接收装置，空间太阳能电站又包括空间控制装置、太阳能收集装置、太阳能发电及激光产生装置和激光发射装置1；驻留平台又包括光电转换板、激光发生装置2、电能耦合接入装置和驻留平台控制装置，其特征在于步骤如下：

（7）地面接收装置接收并存储电能完成空间太阳能传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导等离子体的空间太阳能无线传输方法，其特征在于：所述驻留平台位于大气区域边沿，将传输区域划分为真空区域和大气区域。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导等离子体的空间太阳能无线传输方法，其特征在于：步骤（4）中所述激光频段为1064nm的激光频段。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导等离子体的空间太阳能无线传输方法，其特征在于：所述激光发射装置2是一种能够输出太瓦级高功率的激光产生装置，采用基于啁啾脉冲放大原理的掺钛蓝宝石飞秒激光器。