用于无线能量传输的高效率半导体激光器设计

激光无线能量传输在无人机、卫星空间站和探月机器人供电等方面具有潜在应用前景,其系统效率成为了其应用的关键瓶颈。为了提高激光无线能量传输系统发射端激光器的电光转换效率、接收端光斑均匀性和有效窗口收光比,提出了用于激光无线能量传输发射端的高效率半导体激光器设计方案。基于合束效率较高的空间合束设计了一套高功率高效率半导体激光系统,接收端光斑不均匀度可优化至0.207,有效窗口内收光比大于94%。搭建了千瓦级激光无线能量传输实验装置,发射端半导体激光系统直接输出矩形光斑,与矩形光电池匹配,提高了电池阵布片率。利用多光束指向性可调节特点,优化了接收端光斑均匀度,有利于提高接收端电池的转换效率及简化电源管理。该设计与研究为激光无线能量传输的实际应用提供了借鉴意义。     

用于激光无线能量传输的MPPT集成仿真系统

在激光无线能量传输（LWPT）中,传能激光波长、光功率和光电池温度对光电池的输出特性有显著影响,最大功率跟踪（MPPT）技术可解决上述等因素造成的功率失配问题,提升系统的DC-DC效率。构建了针对LWPT的MPPT集成仿真系统,耦合了波长、光功率和温度对GaAs光电池输出特性的综合影响,可以同时分析光电池在功率匹配、功率失配和MPPT调制等多种条件下的输出特性。基于该仿真系统,研究了光电池在不同波长、光功率和温度条件下的物理规律。波长增大时,在850 nm左右转换效率η_max达到最大值为50%,波长继续增大,光子能量小于GaAs禁带宽度导致η_max迅速下降。功率增大时,η_max基本不变,最大功率匹配电阻R_Lmax减小。温度升高时,η_max和R_Lmax均持续下降。此外,研究了光电池在功率失配时的输出特性,此时光电池的转换效率对比功率匹配时均有不同程度的下降。根据光电池的输出特性在仿真系统设计了MPPT电路,利用时间扰动算法进行最大功率跟踪。光电池在MPPT系统调制后均可工作在功率匹配时的最大功率点,且光电池能源利用率达到99.93%。研究结果对用于激光输能有重要指导意义。     

连续激光供能单结GaAs光电池输出特性仿真

为了研究808 nm连续激光供能对单结GaAs光电池输出性能的影响,利用COMSOL和MATLAB软件构建了相应物理模型,通过数值仿真研究了激光功率密度、等效串并联电阻和减反膜对热稳态时光电池伏安特性、开路电压、短路电流、光电转换效率、填充因子和稳态工作温度的影响。结果表明:随着激光功率密度增大,开路电压和短路电流不断增大,且转换效率和填充因子都具有最大值;减小等效串联电阻和增大等效并联电阻是提高光电池输出性能的有效方法;减反膜结构对提高光电池转换效率非常重要,但也使光电池热稳态工作温度较高。当入射功率密度为62.4 mW/cm2时,光电池热稳态输出效率达到最高为50.13%。该数值模拟结果与相关实验结果基本相符,对连续激光供能光电池输出特性研究提供一定的理论依据。     

激光无线能量传输接收端光束匀化装置设计

激光无线能量传输中,激光光强分布不均匀和激光光斑与光电池形状不匹配会导致系统光电转换效率降低,局部温度过高,极端条件下甚至对光电池造成损伤。基于分布式匀化思想设计了一种激光接收装置,首先用光学整形扩散片在光电池各子区域进行光束初次匀化,然后用光学漏斗进行二次匀化和整形。针对1 cm×1 cm光电池,分析了光学整形扩散片的扩散角度和光学漏斗的高度对光束匀化效果的影响,优化后的激光接收装置的耦合效率η_c>95%,光强不均匀度Δ<0.05。此外,该激光接收装置对激光入射角不敏感,入射角为20°时,η_c>80%。搭建了3×3光电池芯片阵列的激光无线输能系统,采用分布式匀化激光接收装置,光强不均匀度由0.34降到0.12,光电池转换效率提升了65%。与正入射时相比,入射角为18°时,系统转换效率变化小于20%。结果表明,该分布式匀化激光接收装置有效提高了接收端的光强均匀性和系统光电转换效率,且对激光入射角不敏感,在激光无线能量传输中有重要作用。     

激光辐照单结砷化镓光伏电池的输出特性

选取单结砷化镓光伏电池和工作波长为808 nm的半导体激光器,开展激光无线能量传输的研究,实验测试了光伏电池性能参数与激光功率和电池温度的关系。结果表明,光伏电池效率随激光功率的增大呈单峰曲线,激光平均功率密度为67.5 mW/cm2时效率最大为49.7%。温度升高,开路电压线性下降,从而导致效率线性降低。激光功率越大,开路电压和效率的温度系数越小。     

光强均匀度对GaAs电池组光电转换效率的影响

为了研究激光光强均匀度对GaAs电池转换效率的影响,基于单结GaAs电池的工作原理,利用等效电路对其在受到不同光强激光照射时的光电转换效率进行分析,并通过实验测量不同光强均匀度情况下GaAs串联电池组的光电转换效率。结果表明,光强均匀度对GaAs电池组的光电转换效率有很大影响。在极限条件下,由光强不匀均性引起的热斑效应还会造成电池片的损毁。     

微型蚂蚁激光供能系统设计

基于微型蚂蚁的太阳光供能技术，设计了一种微型蚂蚁激光供能系统，有效地克服了使用引线和电池供能所带来的不足以及太阳光供能方式对阳光的依赖．对激光供能系统的整体结构与部件进行分析，研究了能量转换装置的转换效率，讨论了传输过程中的能量损耗问题，论证了系统供能的可行性．实验采用半导体激光器提供能量，经透镜准直后照射到微型蚂蚁携带的光电池上转换成电能．激光对微型蚂蚁供能比太阳光有更高的供能效率。     

非均匀激光照射下光伏电池组合方式对输出特性的影响

为了探索光强均匀性对光电池组件整体光电转换效率的影响,采用波长为808 nm、输出光强可调的半导体激光束照射两片单结砷化镓电池,实验测量光电池在串联、并联组合方式下不同光功率密度激光照射时的输出特性,结果表明,当照射到两光电池上的激光功率密度相同时,两种连接方式下组件的光电转换效率基本相同,都在46％左右;当照射到两光电池上的激光功率密度不同时,串联方式下组件的光电转换效率低于并联时的效率.该结果可由光电池的等效电路理论得到解释.因此,在光强分布复杂的情况下,对光电池的组合方式进行合理选择,可以有效地保证光伏组件整体的光电转换效率.     

高功率半导体激光器光束整形的设计和实现

为了使线阵半导体激光器光束能更好应用于激光远程无线电力传输,设计了基于光楔-曲面镜-棱镜组的线阵半导体激光束整形系统,采用数值计算方法,取得了系统中各元件的参量及理论整形效果。在此基础上加工出实物元件,搭建整形系统。实验中测得整形后的激光光斑尺寸为9.9cm×9.6cm,能量均匀度为68.9%,系统能量传输效率为71.3%,光束质量可满足接收端的光电池对激光空间均匀性的要求。最后分析了仿真系统与实验系统间产生差异的原因。结果表明,该系统可同时实现激光束阵列快轴和慢轴方向的扩束与准直,并能够调节输出光斑的形状及光强均匀度,且采用光学元件数量较少。光电池组件是激光无线电力传输过程的关键元件,该设计对激光转换效率的研究有较重要的实用价值。     

激光无线能量传输接收系统二次聚光研究

为了克服激光无线能量传输接收系统中聚焦光斑能量分布不均匀、光斑形状不匹配的缺陷,设计并加工了一种梯形二次聚光器。依据边缘光线理论分析了梯形二次激光器的设计原理,利用Tracepro软件进行了仿真,采用直角梯形拼接的方法加工成梯形二次聚光器。在激光无线传能系统中对梯形二次聚光器进行了实验研究,对比了菲涅耳透镜单次聚光和与梯形二次聚光器组合聚光时对激光电池效率的影响。实验得出,在激光电池接收功率一致的情况下,菲涅耳透镜与梯形二次聚光器组合产生的聚焦光斑能使激光电池的转换效率值提高6%~7%;在计入二次聚光器损耗后,激光电池的转换效率值提高2%~3%。结果表明:梯形二次聚光器的使用可以提升激光无线传能系统接收端的性能。     

三波长激光照射下砷化镓聚光电池光电转换效率的研究

三结砷化镓叠层电池(InGaP/GaAs/Ge)耐强光、光电转换效率高且温度特性好,是激光无线电能传输系统中光电转换组件的理想材料.基于三结砷化镓叠层电池的光谱响应曲线,以532、808和980 nm三种波长激光组合入射,在保证入射总功率密度为2 W/cm2的条件下,研究了三种波长入射激光的不同功率配比对其光电转换效率的影响.结果表明,在532、808和980 nm三种波长入射激光功率配比为7:8:5时,光电转换效率最高,为33.549％.该研究对提高三结砷化镓电池的转换效率有一定的应用价值.     

激光传能协同信号传输下的太阳能电池性能测试

激光无线能量传输在为远距离设备供能方面有着潜在的应用前景,在激光无线传能的同时进行激光无线通讯,具有重要的应用价值。针对砷化镓太阳能电池,对激光传能系统在无线能量传输时激光无线通讯性能进行了测试。实验采用波长808 nm激光实现砷化镓太阳能电池的能量传输,采用波长650 nm激光作为信号的传输,分别对单能量传输、单信号传输以及能量和信号同步传输三种情况下的砷化镓太阳能电池的输出特性进行了测试。结果表明:当单能量传输时,太阳能电池的性能与激光功率密度的大小密切相关,激光功率密度在54.9~90 mW/cm2范围内光电转换效率最大值为46.6%;当单信号传输时,通过测量系统的频率响应得到砷化镓太阳能电池的3 dB带宽约为3.7 kHz,并通过设计放大电路提高系统的通信性能,优化输出波形,使得系统的通信速率从10 kbps提升至240 kbps,输出电压峰峰值达到7.2 V。最后实验测量了不同激光强度下可实现的通信速率,当激光功率密度为59.5 mW/cm2时可实现140 kbps的通信速率,使得激光充电系统在无线能量传输下可以进行信号的传输。     

高效率激光无线能量传输系统闭环控制研究

为了实现高效率激光无线能量传输系统的研究,基于Simulink建立了激光无线能量传输系统的闭环控制仿真模型,实现了激光光伏阵列的最大功率点追踪、降压电路搭建和锂电池智能充电控制,并结合激光光伏阵列的输出特性和锂电池多阶段恒流充电方法的特性,提出了一种基于激光功率密度闭环信号控制的新型锂电池多阶段恒流充电方法。结果表明,该方法不仅可以实现传统锂电池多阶段恒流充电效果,而且节省了62.9%的光能,系统转换效率提高了62.96%。该结果对研究高效率激光无线能量传输系统是有帮助的。     

A Ga0.51In0.49P/GaAs-based photovoltaic converter for two-directional optical power and data transmission

A GaAs-based photovoltaic converter for optical-to-electrical power conversion and for data transmission was developed. the device structure is based on a modified GaAs solar cell structure having a lattice-matched Ga_0.51In_0.49P window layer. the converter consists of an array of series-connected photovoltaic cells. the input optical laser power is transmitted via a single optical multimode fibre and distributed homogeneously to the separate cells. One of the cells has separate connections for acting as a light-emitting diode for data transmission in the opposite direction. the conversion eficiency of the individual cells was measured to be 49%, and the array conversion efficiency was 41%.     

空间热辐射对激光输能光电池特性影响研究

从激光辐照功率密度、光电池温度和光电转换效率的相互关系出发,基于热辐射平衡原理,建立了空间热辐射环境下光电池热辐射稳态平衡模型,根据该模型可以分析激光辐照功率密度、光电转换效率和光电池温度的相互影响。对已有的光电转换效率模型做温度上的修正,得到温度修正后的转换效率模型,将上述两个模型结合,即得到空间热辐射环境下激光辐照功率密度、光电池温度和转换效率的关系。通过MATLAB软件对模型进行仿真,仿真结果表明,随着激光辐照功率密度增加,光电池温度不断上升,光电转换效率和输出功率密度先上升后下降,但最大光电转换效率对应的激光辐照功率密度远小于最大输出功率密度对应的激光辐照功率密度,且日照区光电池温度高于地影区,日照区转换效率低于地影区。