DARPA创下无线电力传输新纪录：实现800瓦电力传输，距离达8.6公里
美国国防高级研究计划局（DARPA）最近在远距离能量传输方面创下了一项新纪录。在新墨西哥州进行的测试中，“持久光学无线能量中继”（POWER，Persistent Optical Wireless Energy Relay）项目团队通过激光束，在8.6公里的距离上实现了超过800瓦功率的传输，持续时间约30秒。
在为 PRAD 设计的光能传输接收器中，激光从中心孔进入，照射到抛物面镜上，然后反射到装置内部排列的数十个光伏电池上，这些电池将能量重新转换为可用的电力
美国国防高级研究计划局（DARPA）最近在远距离能量传输方面创下了一项新纪录。在新墨西哥州进行的测试中，“持久光学无线能量中继”（POWER，Persistent Optical Wireless Energy Relay）项目团队通过激光束，在8.6公里的距离上实现了超过800瓦功率的传输，持续时间约30秒。
PowerLight 技术公司开发的一种能量传输系统在 2019 年于西雅图港的一次演示中传输了数百瓦的功率
此前的最远传输纪录为：在1.7公里距离上以230瓦的平均功率传输25秒，以及在3.7公里距离上传输了未公开的功率（https://spectrum.ieee.org/power-beaming?utm_medium=inbody_related）。
这一成就标志着这个三阶段项目的第一阶段圆满完成。
“功率接收阵列演示”（PRAD）系统在光功率传输的功率和传输距离方面创下了纪录；该图表展示了其与以往重要成果的对比情况
POWER项目团队负责人Paul Jaffe表示，接收器的预估效率约为20%。在其他研究中，一些工业激光器的插墙效率（指设备从电网获取能量到输出有用能量的转换效率）已超过50%。更高的接收器效率是可以实现的，尤其是当使用针对特定波长优化的光伏电池时 —— 但这类电池的生产通常成本高昂且耗时。
Jaffe称，本次项目并未采用这种高成本方案。团队在接收器中使用的是商用现成的太阳能电池。当接收器接收激光束时，锥形反射镜会将红外辐射反射到光伏电池上，而光伏电池则将光束转化为可用电力。Jaffe表示，在这个阶段，项目的目标并非效率，而是速度。“我们做出的多项设计决策，都是为了快速造出设备，而非追求高效率，” 他说道。
接收器的研发方Teravec技术公司创始人Raymond Hoheisel表示，这里所说的 “快速”，指的是从规划到执行仅用了三个月时间。“此次突破在于证明了这项技术能够具备经济性，” 他说。
尽管DARPA并未披露总传输功率的具体数值，但结果显示，最终输出的能量约为800瓦。Hoheisel表示：“而且我们成功完成了接收器长时间运行的测试（时长超过报告中提到的30秒）。”
高能激光系统测试设施的测试场地位于美国陆军的白沙导弹靶场内，正是在这一天，PRAD 团队创下了光功率传输距离的纪录
电力传输中的光波与无线电波
许多远距离无线电力传输项目侧重于无线电（或微波）频率，这意味着需要使用大型发射器来实现传输距离的提升。对于这类电力传输而言，一种名为 “波束成形” 的技术至关重要。
伦敦帝国理工学院控制与电力研究组的电能转换教授Paul Mitcheson是这样描述的：在广播电视或无线电广播中，目标是让信号尽可能广泛地传播，以便更多人能收听到特定频道。“但在进行电力传输时，我们恰恰不希望这样，” 他说。此时的目标是让信号直射接收器，且损耗尽可能小。“因此，我们需要一种不同的结构：天线需要具备我们所说的‘高增益’，以便能向特定方向传输，具有高度的指向性。” Mitcheson补充道，正是这种波束成形技术，让我们的手机能向基站发送信号，而非向四面八方广播。
2021年PowerLight 技术公司团队在华盛顿特区以南的美国陆军博斯沃姆点试验场进行了演示时使用的 5.4 米直径抛物面碟形天线的发射器（ 可发射9.7 千兆赫的微波）
但即便如此，仍存在信号损耗。格拉斯哥大学副校长兼科学与工程学院院长Eric Yeatman表示，在这方面，红外激光（或光波）束相比无线电频率具有一定优势。“与无线电相比，激光的可聚焦性强得多 —— 在理想条件下，几乎可以形成一束没有任何扩散的窄波束，” 他说。
但Jaffe表示，由于光频信号仍会因雾和云层发生散射，微波在大气传输中通常更具优势。不过，激光不需要无线电所必需的大型天线。Jaffe曾参与美国海军研究实验室的一项测试，他介绍说，在该测试中，通过微波频率在1公里距离上传输1.6千瓦功率时，需要用到5米长的发射器和2米长的接收器。
“POWER”团队通过利用部分传输过来的能量来制作爆米花，以此来庆祝其能量传输方面的创举，此举是对电影《真正的天才》中经典场景的一种致敬
无线电波的波长比红外线长得多，因此波束成形难度更大。Yeatman解释道：“我们需要的是一种柱状波。（在任何特定传输中）输出直径必须远大于波长，这决定了能否将信号聚焦。” 红外线的波长更短，这意味着形成聚焦波束要容易得多。
由于激光技术具有高精度、远距离传输能力，且所需设备更轻便小巧，因此更适合构建空中电力中继网络。Jaffe表示：“如果光学技术行不通，（对于DARPA的目标而言）那这项技术就根本行不通。”
“尽管激光传电的想法并不新鲜，但他们所取得的成就是令人瞩目的。” Yeatman说道。
2021年PowerLight 技术公司团队使用的2 米* 2 米的整流器
Jaffe表示，这一纪录的达成实属意外，因为这并非团队的目标。自2023年项目启动以来，意外之喜不止这一个。衍射光学的应用便是其中之一。他说：“人们想到改变激光束方向时，通常会想到镜子或透镜。但我们发现，衍射光学或许非常适合这项工作，尤其是因为它能高效处理单色光波长。这是我们一开始并不知道的，是在项目推进过程中才逐渐明晰的。”
此外，带有集成冷却系统的增材制造光学器件，也是项目启动时未列入计划的内容。Jaffe称，他们成功实现了这一点，“这揭示了一些新颖且有趣的方法来解决某些问题，而这些方法的应用很可能会远远超出我们在POWER项目中所做的工作。”
文章转自：IEEE电气电子工程师学会
问 迈向“太空电网”商业化 - 太阳能无线传输电力 怎么实现？