激光输能光电池温度场数值模拟

温升效应是影响激光输能光电转换效率的重要原因。为了分析温升效应对光电转换效率的影响,采用基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件和MATLAB软件联合仿真的数值模拟方法,建立了光电池的物理模型和热模型,得到了激光辐照时间、功率密度、光斑面积、入射角以及热辐射和热对流对温度场的影响结果。结果表明,2000W/m2激光功率密度辐照下,光电池温度随辐照时间先快速上升,20s后缓慢增加,100s达到热平衡态后温度稳定在343K;随着激光功率密度增大,电池温升速度越快,达到热平衡态时的温度值越高;激光光斑全部覆盖电池表面时,电池表面温度差值最小;入射角通过影响有效激光辐照功率密度来影响电池温升;热辐射和热对流对降低光电池温度十分有利;当激光入射角为0°、激光功率密度辐照约为2000W/m2、激光光斑面积近似为电池表面面积时,光电池能获得最佳的光电转换效率。可见对光电池温度场进行仿真分析为研究提高激光输能光电转换效率的方法提供了理论参考。     

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。     

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。     

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。     

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.     

多波长激光无线能量传输功率匹配与后级储能问题研究

设计并构建了一套多波长的激光无线能量传输(LWPT)的实验平台,该平台的光电池采用三结砷化镓电池叠层结构,并以525 nm、808 nm、980 nm三种波长激光组合射入光电池,实现能量转换,采用CN3791芯片对后级锂电池进行储能管理。根据三种激光对光电池易影响程度的不同,采用改进的控制变量法对光电池激光照射下输出特性进行探究,三种波长的入射激光采用不同功率配比对光电转换效率有明显的影响,在配比为2.1∶0.9∶1时光电转换效率最高可达42.6%。之后以输出特性为依据进行后端储能环节设计以CN3791芯片为核心的外围电路,实现了光电池的最大功率点追踪,能够在入射激光不稳定的情况下进行在光电池最大效率输出点进行储能,验证了该方案的可行性。     

激光无线能量传输效率的实验研究

为了提高激光无线能量传输系统的转换效率,基于单结GaAs光电池的工作原理,用调节照射光电池的激光参量的方法,从理论上对激光无线能量传输系统的有关部分进行了优化设计,并通过实验研究了激光波长、激光强度等因素对光电池能量转换效率的影响。结果表明,单结GaAs光电池对单色激光的光电转换效率远高于传统的单晶硅电池,最高转化效率可达61.2%。该结果对于激光无线能量传输技术的应用具有一定参考价值。     

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。     

激光供能无人机光伏接收器效率优化方法

激光供能无人机(LPUAV)通过激光无线能量传输进行实时能量补给,大幅提升无人机续航时间。但激光束能量分布不均匀,导致光伏接收器效率低下。通过推导串并联光伏组件在不均匀光照条件下的输出方程,针对I-V、P-V曲线、光伏电池效率及组件整体效率进行对比研究,着重分析了串并联组件效率与光照不均匀度的关系及内在机理。研究表明,并联旁路二极管的串联组件在不均匀光照下存在多峰现象,且光伏电池易受影响而偏离最大功率点,导致组件整体效率降低,而并联组件受不均匀光照影响较小,但组件电压较低。其次搭建激光无线能量传输的实验装置,进行了不均匀激光辐照下激光无线能量传输的初步研究,并对比了串并联组件的输出特性。研究结果验证了通过优化电路连接方式以提高光伏接收器效率的可行性。     

激光辐照单晶硅电池转换效率的研究

为了研究激光照射下单晶硅电池的转换效率,在理想电池太阳光照射下极限转换效率研究方法的基础上,提出激光照射下理想电池转换效率的计算方法,并推导出解析表达式,通过计算和实验测量研究了激光波长、激光强度、环境温度等因素对转换效率的影响。结果表明,相对太阳光,单晶硅电池对单色激光的光电转换效率明显提高,最高转换效率可达27.7%。该结果对激光电力传输应用的研究具有一定的参考价值。     

连续激光辐照三结GaAs太阳电池温度场仿真

为了研究真空环境下1070nm连续激光辐照对三结GaAs太阳电池输出性能的影响,利用COMSOL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、光斑半径、减反膜和热辐射热对流对温度场的影响。结果表明,吸收系数、热导率和光电转换效率是温度演变的3个主要因素;温升幅度随激光功率密度增大而增大;光斑半径越小使得电池表面温差越大;拥有减反膜结构可有效地提高太阳电池转换效率,但也使电池温度较高;热对流散热在电池较低温度（300K~400K）情况下占据主导作用;当入射功率密度为16.7W/cm2、光斑半径与电池半径相同时,经20s后,电池中心温度达到501.521K,导致光电转换效率为0。该数值模拟结果与实验结果基本相符,对激光损伤太阳电池机理研究提供一定的理论依据。     

基于ATmega128的光伏并网发电系统设计

光伏并网发电已成为目前发展最快、应用面最广的光伏能源应用技术。在光伏系统中,由于电池光电转换效率过低,导致其不能以最大功率输出,最大功率点跟踪（MPTT）是光伏并网发电系统中的核心技术。系统采用单片机ATmega128作为核心芯片输出SPWM信号,实现最大功率点跟踪功能、频率相位跟踪功能、输入欠压保护功能以及输出过流保...     

激光供能无人机接收端的光伏阵列重构方案

激光供能无人机是以激光作为能量载体,对无人机进行实时无线能量传输,提升无人机续航时间。由于激光束能量分布不均匀,导致光伏接收器效率低下。为提高接收器转换效率,针对全交叉连接结构优化问题,提出一种基于最小均衡差的重构方案。首先对激光高斯分布情况进行数学建模,获取光伏电池单体的辐照度。然后利用最小均衡差原则对全交叉连接结构进行优化,并对各种连接结构进行仿真。仿真结果表明：阵列重构后具有更高的输出功率、转换效率和填充因子,更低的功率损耗,且相较于重构前最大输出功率分别提升了29.13%、32.25%。     

基于BOOST电路的光伏阵列最大功率点跟踪仿真研究

太阳能电池作为光伏逆变系统最重要的器件之一,其光电转换效率的高低直接影响整个系统的性能以及成本。光伏电池的输出特性受光照强度及其工作环境影响很大,具有明显的非线性特点,因此需要对其最大输出功率点进行跟踪（MPPT）。基于光伏电池的直流物理模型,在MATLAB7．6的simulink平台下建立光伏模块模型,并基于Boost电路利用该模型对常见的三种MPPT控制方案进行仿真研究,仿真结果证明了这些方案的有效性及其优缺点。