激光无线能量传输技术的发展

无线能量传输技术包括微波无线能量传输与激光无线能量传输(LWPT)两种技术途径。介绍了LWPT技术的基本概念,综述了LWPT技术的国内外发展历史和现状,分析了LWPT技术的主要研究内容,预测了LWPT技术的发展方向和可能的应用。对比国内外情况可知,国内LWPT研究还处于理论和应用初期,需要更多地投入推动其发展进步。     

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。     

激光无线能量传输储能应用实验研究

设计、搭建了一套激光无线能量传输(LWPT)实验平台,它以808 nm的激光照射硅电池实现无线电能传输,以CN3791芯片进行后级储能电源管理,将LWPT应用于锂电池储能.对光电池激光照射下输出特性探究发现,随着入射激光功率密度增大,短路电流线性增大,开路电压缓慢趋近饱和,光伏转换效率增加到峰值10.98％后出现下降趋...     

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,...     

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。     

微波无线能量传输的空间匹配理论

微波无线能量传输,即采用微波为载体形式,将能量无线传输到负载端。微波无线能量传输中效率和功率是衡量传输系统的重要指标。目前,仍然缺乏微波无线能量传输系统整体效率的设计方法。文章提出了微波无线能量传输系统的空间匹配理论,即场匹配、功率匹配和阻抗匹配。根据这一理论设计的传输系统,其传输-转换效率得到显著提高。     

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。     

无线传感器网络中增加协作传输及其能量效率研究

该文研究了无线传感器网络中增加协作传输及其能量效率,解决了何时协作和协作的能效两个关键问题。导出了直接传输与协作传输的能效表达式,讨论了主要参数对协作传输性能的影响。仿真结果表明：当通信距离大于门限距离时,增加协作传输的能效优于直接传输的能效;通过优化所选中继节点的位置或调制阶数可以提高能效。     

植入式医疗设备中的电流源型无线能量传输结构

提出了一种新型的电流源型无线能量传输结构,有效提高了经皮无线能量传输的传输效率和接收端的输出电压。不同于将接收端的LC回路当作电压源的传统感应能量传输结构,提出的电流源型无线能量传输结构以一种新颖的方式,将接收端的LC回路当作电流源。这就无需在电路中使用具有部分电容和二极管的DC-DC电荷泵或者AC-DC倍压器等结构,电流源型无线能量传输结构本身就能实现具有较高电压转换效率的AC-DC转换器的功能。仿真结果表明,在1 MHz的工作频率下,该结构能够实现高达±15 V的直流电压输出,适用于需要高电压为20 V(±10 V)左右的功能性电刺激器系统。     

无人机激光无线能量传输及跟踪瞄准方法研究

本文介绍了无人机的特点与发展趋势,针对小型无人机能量供给不足的问题,阐述了激光无线能量传输的现状,在此基础上总结了无人机激光无线能量传输的系统结构,分析了无人机激光无线能量传输系统的效率及影响因素,并提出了一种基于协作目标的捕获跟踪瞄准方法。     

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。     

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.     

激光输能光电转换增效方法研究现状

光电转换效率是激光输能技术的重要指标,如何提高光电转换效率是目前激光输能技术研究的重点。在光电转换基本原理的基础上,分析了光电转换效率的影响因素,介绍了光电转换增效方法,以期为解决光电转换效率较低问题及推进激光输能技术实用化提供参考。     

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.     

磁耦合谐振无线携能通信系统建模与分析

摆脱有形介质的束缚,让信息与能量传输能够更加灵活方便一直是用户对于设备的潜在需求。文中基于磁耦合谐振方式提出一种无线能量与信息同步传输并形成信息回路反馈的方式,通过建立实验装置模型,验证系统方案的可行性,并对系统能量传输效率部分建立等效模型分析,通过仿真给出传输效率与距离的关系曲线,并通过对比仿真数据与实验数据,验证了等效模型分析的正确性。     

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。     

无线功率传输的便携性设备应用

为了使无线功率传输在给多个设备充电时不再需要电源线和庞大的充电设备,例如实验移动设备(如移动手机)放在无线传输设备附近能够实现充电,可以通过改变手机等设备的位置,角度,离发射设备的距离等实现无线充电.为了这解决了长期以来的兼容性难题,拟用电容性电能传输(CPT),应用AD-DC,DC-AC转换技术实现对移动设备的充电.通过改进设计,无论是整流桥还是偏置网络,我们均是通过采用开关电源来提高效率.这种解决方案比常规体系结构更适合集成电路(IC)实现.实验应用表明,该系统能提高无线功率传输效率90％.     

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。     

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。