Физические проблемы экологии № 19 419

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ НАЗЕМНОЙ МИКРОВОЛНОВОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

В.Л. Саввин, Ю.А. Пирогов, Г.М. Казарян, Д.А. Михеев

Физический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Проведен анализ современного состояния исследований в развивающейся области СВЧ энергетики – микроволновой передачи энергии. Обсуждаются проблемы снижения уровня фонового излучения и переизлучения кратных гармоник рабочей частоты. Анализируются перспективы наземной микроволновой передачи энергии.

1. Введение Идея передачи энергии с помощью электромагнитного излучения была впервые высказана выдающимся электротехником Николой Тесла в начале XX века.

Развитие радиолокации и интенсивные работы по освоению дециметровых и сантиметровых диапазонов микроволн заложили основу для широкого использования СВЧ энергетики и вызвали растущий интерес к беспроводной передаче энергии с помощью направленного микроволнового излучения [1-2]. Микроволновый диапазон (2,4-5,8 ГГц) дает возможность существенно уменьшить размеры передающих и приемных антенн и отличается высоким уровнем эффективности устройств генерации и преобразования энергии электромагнитного излучения.

Идея широкомасштабной микроволновой передачи энергии, вырабатываемой космическими солнечными электростанциями, наземным потребителям принадлежит П. Глезеру [3] и интенсивно прорабатывалась в 70-х годах прошедшего столетия. Проблемам солнечных космических электростанций и микроволновой передачи энергии посвящен ряд публикаций в отечественной научной печати [4,5]. В последние годы ряд перспективных проектов микроволновой передачи энергии наземного и космического базирования, рассчитанных на меньшую мощность, разрабатываются в США, Японии и ЕС.

Целью настоящей публикации является обсуждение экологических и физических проблем микроволновой передачи энергии, а также перспектив развития микроволновых систем передачи энергии наземного назначения.

2. Обратное преобразование микроволн в постоянный ток Наиболее распространенным типом преобразователя микроволн в постоянный электрический ток является ректенна с полупроводниковым диодом Шоттки (см.

рис.1). Наивысшее значение КПД преобразования ректенны было достигнуто в лабораторных условиях – 91,4% при входной мощности микроволн до 10 Вт на единичном экземпляре диода Шоттки (см. рис. 2) для рабочей частоты 2,45 ГГц [6]. На частоте 5,8 ГГц КПД преобразования ректенн с диодами Шоттки достигает 82% при входной мощности 50 мВт [7].

Физические проблемы экологии № Плотность мощности падающего излучения может заметно изменяться на апертуре приемного комплекса микроволновой линии передачи (до 10 дБ). Для крупномасштабных проектов солнечной энергетики плотность мощности уменьшается от 230 Вт/м в центре приемного комплекса до 23 Вт/м2 на краю ректенны Рис. 1. Ректенный элемент с диодом (для проекта NASA). При Шоттки, 1- полуволновой диполь, 2- отоптимальных значениях ражающая поверхность, 3- фильтр нижплотности диполей (150- них частот, 4- диод Шоттки, 5- выходной диполей/м ) нагрузка на один фильтр, 6- нагрузка.

диод в центре приемной ректенны будет близка к номинальной мощности диодов Шоттки (1-2 Вт), при которой реализуется максимальный КПД преобразования микроволн в постоянный ток.

Однако уменьшение уровня входной мощности приводит к росту потерь на диоде и значительному снижению КПД преобразования. Так при значениях Рвх 100 мВт и ниже КПД преобразования не превышает 60% (см. рис. 2). Таким образом, использование однотипных ректенн на всей площади приемного комплекса приведет к заметному уменьшению КПД всей системы.

Наиболее рациональным решением для поддержания уровня входной мощности ректенны, близкого к номинальной мощности диода, может быть использование ректенн с многодипольными антеннами. В таких ректеннах мощность микроволн, принятых каждым диполем, суммируется и направляется на один общий диод. Суммирование мощности даст возможность реализовать оптимальный режим работы диода Шоттки с высоким КПД преобразования.

Рис. 2. Зависимость КПД ректенны (Рвых/Рвх), потерь на диоде (Рпд/Рвх) и потерь в фильтре от уровня входной мощности (Рвх) для экспериментального образца ректенны с диодом Шоттки Альтернативным типом устройства для обратного преобразования микроволн в постоянный ток могут быть различные вакуумные приборы, работающие в обращенном режиме (клистроны, магнеФизические проблемы экологии № 19 троны и др.). Следует особо выделить циклотронный преобразователь с эффективностью до 83%, входной мощностью микроволн 10 кВт на частоте 2,45 ГГц и выходным напряжением 15-20 кВ [8].

Мощные вакуумные преобразователи с высоким выходным напряжением легче могут быть интегрированы в существующие энергосистемы по сравнению с низковольтными ректеннами, которые придется коммутировать в большое число последовательно- параллельных цепочек.

4. Экологические проблемы микроволновой передачи Среди основных требований к микроволновой передаче энергии следует выделить достижение высокой эффективности при одновременном обеспечении безопасности, экологической чистоты и электромагнитной совместимости системы.

Уровень фонового излучения и боковых лепестков передающих антенных систем на основной частоте должны соответствовать требованиям стандартов безопасности. Особое внимание следует уделять проблеме переизлучения микроволн приемной системой с полупроводниковыми преобразователями (ректеннами) на кратных гармониках рабочей частоты.

Эксперименты по применению ректенн с полуволновыми диполями показали достаточно высокую эффективность – до 80-90%. Однако дипольная антенна способна переизлучать значительную долю высших кратных гармоник частоты f принимаемого микроволнового излучения, которые возникают при его выпрямлении полупроводниковым диодом. Относительный уровень мощности высших кратных гармоник может достигать нескольких процентов (2-5% на удвоенной частоте) и уменьшается с номером гармоники. Однако при высоком уровне передаваемой мощности и без принятия специальных мер по подавлению высших гармоник приемные наземные системы микроволновых линий передачи энергии могут создавать серьезные помехи существующим системам передачи информации и радиосвязи. С этой целью в конструкцию полуволнового ректенного элемента вводят фильтры низких частот, предназначенные для уменьшения уровня высших кратных гармоник рабочей частоты, излучаемых ректенной (см. рис. 1).

Помимо полуволновых диполей в ректенных элементах предложено использовать дисковые микрополосковые антенны. Микрополосковые антенны имеют ряд привлекательных свойств, таких как малый профильный размер, малый вес, компактная и простая конструкция, Рис. 3. Дисковая микрополосковая ан- сравнительная легкость интегратенна (вид спереди и сбоку), 1- металли- ции с твердотельными устройческий диск, 2- диэлектрическая под- ствами, возможность использоваложка, 3- металлический отражатель, 4- ния техники фотолитографии для коаксиальный вывод. промышленного изготовления и Физические проблемы экологии № др. Применение круглых дисковых микрополосковых антенн дает также дополнительные возможности решения проблемы переизлучения высших кратных гармоник рабочей частоты.

Дисковая микрополосковая антенна (ДМА) представляет собой двухслойную композицию круглой формы из тонкого металлического диска и диэлектрической подложки, нанесенную на плоскую металлическую поверхность (см. рис. 3).

Радиус диска выбирается из условия резонанса для основной моды ТМ 11 на рабочей частоте. При этом резонансные частоты круглой ДМА для других мод не совпадают с частотами кратных гармоник рабочей частоты, возникающих в процессе выпрямления на диоде. Поэтому интенсивность переизлучения на частотах кратных гармоник у ректенн с ДМА будет существенно ниже, чем у ректенн с полуволновыми диполями. При достаточно узких резонансах подавление кратных гармоник может быть настолько эффективным, что ректенный элемент с ДМА может и не содержать дополнительных фильтров низкой частоты.

5. Проект наземной системы микроволновой передачи энергии Среди разнообразных предложений по использованию микроволновой передачи энергии следует выделить проект, разрабатывавшийся в последние годы с участием сотрудников МГУ. Это – проект энергоснабжения населенного пункта, расположенного в труднодоступном районе острова Реюньон (Франция). Этот проект предполагает снабжение электроэнергией небольшой деревни, расположенной в глубоком кратере потухшего вулкана, где монтаж обычных силовых кабелей затруднен из-за сложности рельефа и высокой стоимости работ [9].

Крайне важно, чтобы уровень фонового излучения за пределами приемнопреобразующего комплекса наземной микроволновой линии передачи не превышал экологически безопасного уровня. По западным стандартам микроволновое излучение считается безопасным в течение рабочего дня при плотности мощности менее 100 Вт/м2. Этот уровень фонового излучения может быть достигнут путем реализации оптимальных амплитудно-фазовых распределений поля на поверхности передающей антенны.

Передающую антенну наиболее рационально заменить фазированной решеткой стандартных излучателей в виде N концентрических колец. Амплитудное распределение будет иметь вид :

где E n и rn - амплитуда и радиус n-ой ступеньки; N – число ступенек дискретного амплитудного распределения; EN 1 0 ; r0 0. Тогда распределение поля в плоскости приема принимает вид:

где Emax max En ; n n n 1 ; n En / Emax и xn rn / R1 относительные амплитуда и радиус n-ой ступеньки, где n ( z ) - лямбда-функция первого рода 1-го порядка.

КПД микроволновой передачи энергии зависит от величины волнового параметра R1R2 ( D )1, где - длина волны, на которой ведется передача энергии, R1 и R2 - радиусы передающей и приемной антенны, D – расстояние между антеннами.

для анализируемой линии передачи представлеРис.4. Передающая антенна из ны в таблице 1. Как видно, оптимизированное 19 квадратных модулей с двух- двухступенчатое распределение характеризуется распределением оптимальным Гауссовым распределением, и выгодно отличается от него простотой конструкцию передающей антенны, которую можно представить в виде системы однотипных излучающих блоков (см. рис. 4).

Таблица 1. Характеристики микроволновой линии передачи энергии кового лепестка Как видно из табл. 1 фоновое излучение за пределами зоны центрального лепестка для проанализированного варианта наземной микроволновой линии передачи может быть доведено до уровня, соответствующего требованиям стандарта РФ (0.1 Вт/м2). С точки зрения западных стандартов микроволновая линия передачи энергии такого масштаба является абсолютно безопасной даже в области центрального лепестка.

6. Заключение Выбор оптимальных параметров наземной микроволновой линии передачи энергии (уровня передаваемой мощности, профиля поля на передающей антенне, параметра передачи tau и др.) даст возможность обеспечить эффективную (с КПД 70% и более) и экологически безопасную передачу энергии направленным микроволновым излучением.

При низких значениях плотности потока микроволнового излучения и его значительной неоднородности в плоскости приема наиболее рационально использовать ректенны с многодипольными антеннами, обеспечивающие оптимальный уровень входной мощности на диоде Шоттки.

Применение ректенн с дисковой микрополосковой антенной (ДМА) снижает опасность переизлучения кратных гармоник рабочей частоты, возникающих на полупроводниковом диоде в процессе выпрямления, из-за несовпадения их частот с резонансными частотами круглой ДМА.

Литература 1. Mankins J. Space-Based Solar Power. Inexhaustible Energy from Orbit //Ad. Astra, №1, 2. Диденко А. Н. СВЧ-энергетика.- М.: Наука, 2003.

3. Glaser P.E. Power from the Sun: its future//Science, 162, p.857, 1968.

4. Ванке В.А, Лопухин В.М., Саввин В.Л. Проблемы солнечных космических электростанций//УФН, т.104, №4, с.879, 1977.

5. Грихилес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная космическая энергетика.М.: Наука, 1984.

6. Brown W. History of Power Transmission by Radio Waves//IEEE Trans., v. MTTNo.9, 1984.

7. McSpadden J., Fan L., Chang K. High Conversion Efficiency 5,8 GHz Rectenna//IEEE MTT Digest, p.547, 1997.

8. Vanke V., Savvin V. Cyclotron-Wave Converter For SPS Energy Transmisson System//Proc. SPS-91, Paris, p.515, 1991.

9. Celeste A., Jeanty P., Pignolet G. Case study in Reunion Island //ACTA Astronautica, № 2004-54, p. 253, 2004.

РОЛЬ ВОЛНОВЫХ ПОТОКОВ В СИСТЕМЕ СТРАТИФИЦИРОВАННЫХ

ТЕЧЕНИЙ

Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова Выполнен анализ систем стратифицированных течений с волновыми потоками на двух полигонах: Иваньковском водохранилище и Волховской губе Ладожского озера. Выявлена связь волновой и струйной компонент скорости течений. Предложен механизм их взаимодействия. Получены выражения для траекторий струй в зависимости от продольного распределения средней по глубине температуры и рельефа дна. Разработана и проверена математическая модель течений.

Введение Изучение стратифицированных потоков, которые, взаимодействуя между собой, образуют системы течений, в последнее время ведется с нарастающей интенсивностью. Это обусловлено необходимостью учета систем течений при разработке методов экологических прогнозов распространения примесей в природных водоемах и в программах по использованию энергетических и сырьевых ресурсов морей, озер и водохранилищ [5, 6, 7, 9, 12]. Несмотря на активные исследования, данные структурных гидрофизических измерений параметров систем градиентных стратифицированных течений в высокопроточных бассейнах, в том числе в проливах и долинных водохранилищах, уникальны.

Результаты исследований эволюции такого течения в Иваньковском водохранилище приведены в данной статье. По параметрам течения интересна аналогия с морскими проливами, в которых могут существовать градиентные стратифицированные потоки, подверженные влиянию внутренних волн [11].

Наряду с течениями Иваньковского водохранилища рассматривается система течений с волновыми потоками в Волховской губе Ладожского озера.

Исследования течений в подобных заливах крупных озер и морей дают возможность получения данных о процессах обмена, в значительной степени определяющих распределения параметров состава воды. По результатам измерений на выявляются закономерности развития течений и проверяется предлагаемая модель, учитывающая влияние волновых потоков на стратифицированные струи.

Объекты и методика исследований.

Обсуждаемые результаты получены экспедициями физического факультета МГУ при изучении структуры и динамики стратифицированных течений в Иваньковском водохранилище на р. Волга в июле 1999 г и в Волховской губе Ладожского озера в августе 2011г.

Стратифицированное течение в Иваньковском водохранилище характеризуется протяженностью до 70 км при толщине до 18 м со скоростью – 6см/с. Длина водохранилища по фарватеру – 100 км, глубина – до 20 м, максимальная ширина – 4 км. Средний уклон дна – is = 4·10-4. Коэффициент водообмена - 8 год-1. Плотностное расслоение вод обеспечивалось преимущественно термической стратификацией [6]. Исследования проводились на разрезах по всей области действия течения и в сериях зондирований на срочных станциях. В ходе измерений одновременно регистрировались детальные профили скорости потока, температуры воды, концентрации взвеси, а также скорость ветра на высоте 2 м над поверхностью воды.

Ладожское озеро ( Ленинградская область, Карелия) - крупнейшее пресноводное в Европе, а Волховская губа – самая большая эстуарная бухта этого озера. Важнейшее свойство губы – ее открытость в сторону озера и мощная техногенная нагрузка за счет промышленных стоков [2]. В Волховскую губу впадают один из самых мощных притоков озера - р. Волхов. Период условного водообмена Волховской губы – 4,5 месяца. Динамика и структура циркуляционных, струйных, плотностных течений и апвеллинга изучалась в ходе выполнения плановых съемок, разрезов и срочных станций [1, 8].

В исследованиях на Иваньковском водохранилище применялся специально сконструированный комплекс аппаратуры для градиентных измерений в режимах донных постановок и непрерывного зондирования [4, 5]. В комплекс входили погружаемые системы, оснащенные роторными измерителями скорости течения U для е синхронной регистрации одновременно на 4-6 уровнях, полупроводниковыми датчиками температуры T и фотоэлектрическими прозрачномерами, по показаниям которых (на основании калибровки) определялась концентрация взвеси Cs. Калибровки и интеркалибровки датчиков проводились непосредственно в изучаемых течениях. Погрешности измерений Cs и U в характерных для данного полигона (в период исследований) диапазонах изменения этих параметров составляли 2·10-6 г/см3 при Cs =(6 - 30)·10-6 г/см3, 0,02C при и 1см/с при U до 20 см/с.

В Волховской губе регистрировались профили вектора скорости течения U, температуры T, электропроводности воды С и концентрации взвеси C s.

Применялся зонд RCM 9 (Aanderaa) с допплеровским регистратором скорости, датчиками T, Cs и C. Точности измерений U, T, Cs и С: 0,5 см/с, 0,02C, 0,