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。     

基于分离模块航天器的激光输能技术研究

随着航天任务的日趋复杂化,航天器能源需求越来越高,将激光输能技术运用于航天器能源供给越来越受到重视。针对当前地基激光输能技术的发展现状和不足,本文从分离模块航天器的设计理念出发,研究了一种基于模块化航天器的天基激光输能技术。介绍了这种天基激光输能的输能模式和输能过程,分析了其相对于地基激光输能的优势。根据当前激光技术和航天技术的发展现状,分析了实现天基激光输能方式需要解决的五个关键技术,为分离模块航天器的能量供给提供了一种新的解决方案。     

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.     

纳秒激光与硅电池片光电转换效率变化及机理初步分析

描述了用6 ns波长为1 064 nm的激光在SF6中作用于硅表面产生的锥形微观结构过程,测试了经激光处理及未经激光处理之硅晶片制成的硅电池光电转换效率的变化。实验显示,激光处理后的晶片所制电池其光电转换效率提高,其增加量为未经激光处理的电池效率的10%~15%,对这种变化进行了初步机理分析,认为可能与硅逾量电子结合能和Fermi能级有关。激光处理硅晶片的应用,也会进一步改善硅电池制作工艺。     

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。     

激光辐照下光电电池的极限能量转化效率研究

采用激光输能技术解决临近空间飞行器的能源供给问题的研究正在广泛开展。为研究激光辐照下的光电电池的极限性能,基于细致平衡理论,分析了激光辐照条件下光电材料禁带宽度与最佳激光波长的关系,得到了光电电池各类输出性能参数的计算方法。通过计算,得到了激光波长、激光功率密度和电池温度对能量转化效率等参数的影响规律。结果表明对于特定材料的光电电池存在最佳的激光波长使其获得极限能量转化效率;激光功率密度的增加可以提高光电电池的能量转化效率,但达到一定数值后提高不再明显;对于电池温度的影响,不同的输出性能参数具有不同的温度系数。     

一种近场无线激光携能通信系统的研究与设计

介绍了一种综合利用无线激光通信技术、无线激光传能技术设计的无线激光携能通信系统,给出了系统结构和原理,结合光电信号转换、光电能量转换电路,设计了通信、传能一体化的硬件电路和光路结构,能实现近距离无连接、非接触的双向通信、传能,为无连接、无供电条件设备接入提供了分离脱落连接器(又称脱插连接器)之外的解决方案,最后指出系统继续研究发展面临的问题和挑战。     

纳秒脉冲激光处理后硅电池光电转换效率研究

为了研究纳秒激光于硅晶片改性的可能性,对飞秒及皮秒激光在SF6气体中与硅表面作用形成锥形微观结构及其作用过程进行了分析。通过在SF6气体氛围中采用6ns激光脉冲辐照硅片表面的方法,以获得硅片表面峰状结构,并对此种作用下微观结构形成过程及结果进行了分析。将激光处理后的硅片与未经激光处理的硅片同时放入到硅电池片生产线的适当工序中制成硅电池片,通过对比测试两种硅电池的光电转换效率,从硅表面状况等因素对实验结果进行了初步分析。结果表明,激光处理后的硅片制成硅电池片的光电转换效率与未经激光处理的相比有一定程度的提高,可达15%～25%。     

脉冲激光引信光电转换系统的设计

为了应对脉冲激光引信回波信号弱、脉宽窄的特性,获得目标尽量多的不失真信息,对光电探测器的特性和放大电路的带宽进行了分析,设计了一套实用的光电转换系统,包括PIN探测电路、前置放大电路和主放大电路。经过TINA和MULTISIM软件模拟仿真和实验验证,设计的光电转换系统的带宽为61.089MHz,增益为72.14dB。结果表明,该系统对于脉宽为十几纳秒的回波脉冲信号进行了很好的低噪声、不失真放大,满足了设计要求,回波信号经光电转换系统后输出的信号与应用需要相匹配,为激光引信的后续信号处理提供了稳定可靠的信号。     

分光谱太阳能光电转换系统研究

单种类光电子器件的光电响应特性难以获得与太阳能全光谱匹配的高效率光电转换,突破其物理限制的努力方向是研制高转换效率的“第三代”分光谱多结电池。在本工作中,采用分光谱技术,将太阳光谱分成4个子光谱区,分别为400－630nm;630－800nm;800-900nm;900-1800nm;与这些子光谱区的范围相对应,分别采用能隙值与子光谱区相匹配的4个不同种类的具有较高光电转换效率的高性能单结光电器件,实现将太阳光高效率转换成电能。在太阳能电池辐照测试的0.5－6.0个SUN(AM1.5G)变化条件下,对多光谱组合的太阳能电池的光电转换效率进行了测试,获得了在2.8个SUN(AM1.5G)辐照条件下37.7％的实测光电转换效率。在此基础上,给出了利用单结电池组合制备高效率组合型分光谱太阳能光电转换系统的途径,具有较低成本和实际推广应用价值。     

激光远距离无线传能系统效率的分析与提高方法

激光具有亮度极高、方向性好的特殊优势,因此有可能被用于远距离无线传能、发挥特殊的作用。为了延长高空无人机的飞行时间,使用激光对高空无人机进行无线传能是一种理论上可行的方法。通过对激光无线传能技术的现状进行调研,发现目前激光无线传能的距离不够远、传输功率和传输效率均不高。为解决这些问题,首次提出了以掺Yb光纤激光器为光源、InGaAs光伏电池为光电转换模块,同时使用激光中继技术以实现激光远距离无线传能的技术路线。根据激光无线传能的工作流程,调研了激光产生、传输、接收和光电转换等流程的效率,在忽略天气状况、跟踪瞄准误差和激光强度不均匀等因素的前提下推算出使用激光对相距60 km的高空无人机进行无线传能的系统效率(电-激光-电的转换效率)可达11%~14%。目前,尚未发现有对激光远距离无线传能的系统效率进行定量计算的公开文献。同时,对提高激光远距离无线传能系统效率的技术途径进行了初步的探讨,为未来开展高功率激光远距离无线传能技术研究和设计激光无线传能系统提供了参考。

     

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.     

神光装置倍频激光能量测量

给出了监测倍频激光的能量计的技术参数，在神光装置中实测了倍频激光能量及其转换效率。并对监测倍频激光的能量计对标方法进行了讨论。     

激光传能系统用激光能量转换器的研究与设计

针对远距离激光传能及光电转换问题,通过对传输过程中光纤损耗、波长选择、光电转换材料匹配等影响系统传输效率的各环节因素进行分析,采用在半绝缘InP衬底上外延生长InGaAs PIN的方式设计了光电转换芯片,并对芯片结构及互联工艺进行了优化,最终成功研制出了高效激光能量转换器。试验结果表明,在1550 nm激光照射的条件下,该激光能量转换器的光电转换效率能够达到28%。     

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。     

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。     

基于光纤的红外图像高速远距离传输研究

针对现有红外系统中电传输数据容量小、距离近的问题,提出了一种基于光纤通讯技术的高速、远距离红外图像传输方法。该方法结合现有红外传感器的数据输出方式,利用成熟的光电转换模块,设计了一种红外图像的光传输系统;对设计原则和核心模块进行了讨论。实际工程应用结果表明,该方法是稳定可靠的,不仅有效地解决了传统电传输中数据容量小和距离近的问题,并且在稳定性、误码率、线缆数量等方面,有了一定的提高和改善。     

一种超小型光纤收发器的设计和测试系统

文章基于现有光纤收发器的现状和工作机理,介绍一种满足千兆位以太网应用的超小型光纤收发器的设计架构,通过可测试性设计,采用直插式RJ-45公头连接器、小尺寸低功耗物理层转换器方案和光电转换方案,显著减小产品的尺寸,非常利于客户端采用高密度组装方式和即插即用的实际应用需求。详细描述各单元的测试系统和测试内容,以及网络测试系统架构,并附上相应测试结果,针对一些问题进行总结,给出优化的方向。