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激光无线能量传输(laser wireless power transmission, LWPT)作为无线能量传输四种主要手段之一,具有方向性好、功率密度高和传输距离远的特点,在给直升飞机、卫星、空间站和探月机器人供电方面具有潜在的应用前景[1-3]。1968年,美国Glaser博士第一次提出激光无线能量传输概念[4],此后激光无线能量传输技术快速发展。2003年,Steinsiek利用激光无线能量传输,驱动地面的小车正常工作,激光传输距离30~200 m,使用的InGaP电池板光电转换效率25%[5];2012年,洛克希德·马丁公司对无人机进行激光无线充电,无人机空中续航时间由2 h提高到了48 h以上[6];2013年,北京理工大学何滔等设计的地面激光无线能量传输系统整体的电-光-电转换效率达到18%[7];2014年,山东航天电子技术研究所在飞艇之间进行动态激光无线能量传输实验,飞艇之间距离50~100 m,速率5 m/s,实验最大传输效率达到16.08%[8]。2017年,日本名古屋大学提出了太阳光驱动道路两边的激光器对汽车进行无线供能的方案,并对此设计了一个高效的太阳能抽运激光器和太阳能跟踪系统,实验显示跟踪误差仅1 mrad,且不易受风的影响[9]。
由于激光光强分布不均匀和大气湍流的影响,在光电池接收端会出现激光光强分布不均匀和激光光斑与电池形状不匹配的问题,导致系统光电转换效率降低[10],热管理困难[11-12],极端条件下甚至对光电池造成损伤[13]。此外,光强分布不均匀还会影响电池的串并联电阻[14-15],降低负载传输效率[16]。因此,在光电池前端对激光进行光束匀化和整形是实现高效无线能量传输的一个重要手段。
近年,在光电池前端主要采用会聚型、能量球和平板型三种接收装置对激光进行光束匀化和整形。会聚型通常采用聚焦透镜将光斑会聚到光电池上,可以提高能量利用率[7, 17];能量球通过在能量球内部多次反射提高光斑均匀性[18];平板型结构中,激光直接照射在平铺电池板上,具有安装方便、易于跟踪等优点[19-20]。组合式激光接收装置也是研究热点之一。2010 年,NASA 在激光无线能量传输驱动太空电梯实验中[21],采用菲涅耳透镜和铝制光学漏斗构成组合式激光接收装置,单个接收端模块光电转换效率达到了35%。2016年,山东航天电子技术研究所孟祥翔等人进行激光无线能量传输实验[10],由菲涅耳透镜和梯形光学漏斗构成组合式激光接收装置,将电池转换效率提升了6%~7%。总体来看,采用单一的激光接收装置难以同时实现整形和匀化,基于菲涅耳透镜的组合式激光接收装置存在体积较大,安装不易的问题。此外,光电池阵列单元间存在间隙,造成激光能量利用率低。
基于分布式匀化的思想,设计了一种新型的激光接收装置,将光电池接收前端划分为多个接收子区域,在每个子区域对入射激光独立匀化和整形,降低了电池阵列单元间隙造成的能量损失。采用光学整形扩散片(Light Shapping Diffusers,LSD)在光电池子区域进行光束初次匀化,然后利用光学漏斗进行二次匀化和整形,同时解决了接收端激光光强分布不均匀和激光光斑与电池形状不匹配的问题。此外,该激光接受装置还具有体积小、安装方便和对激光入射角不敏感的优点。
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图6为实验光路图。LSD采用扩散角度为10°的Luminit产品,对波长808 nm半导体激光的透过率为92%。LSD安装在光学漏斗前端,光学漏斗孔内壁贴铝箔做反射处理。光源为光纤耦合半导体激光器,输出波长为808 nm,激光接收装置前端接收到的能量占激光总能量的95%。实验对传输距离不做要求。光电池为单节GaAs。当测试光强不均匀度时,移走光电池,将一张白纸贴在光学漏斗后端,通过CCD拍摄白纸上的光斑,最后通过matlab计算光强不均匀度。
在实验室内进行实验,激光接收装置前端的光功率密度分别为0.08、0.15、0.24 W/cm2时进行测量,结果见表1。其中Is和Vo分别为不采用激光接收装置时的短路电流和开路电压;Is′和Vo′分别为采用激光接收装置时的短路电流和开路电压。用η表示光电池转换效率的提升值,计算公式如下:
Parameters Test values Input optical power/W·m-2 0.08 0.15 0.24 Is /mA 74.4 142.4 211.5 Vo/V 1.03 1.05 1.06 Is'/mA 120.8 231.6 342.6 Vo /V 1.05 1.07 1.08 η 65.5% 65.7% 65.0% Δ 0.12 0.12 0.12 ηc 74.6% 75.8% 73.47% Table 1. Test values of different input optical power densities
由表1可见,采用激光接收装置后,光电池转换效率η提升约为65%,光强不均匀度Δ由0.34降低到0.12,耦合效率ηc约为74%。由于光学漏斗内壁铝箔的反射率仅为75%,导致光学接收装置的耦合效率只有74%,低于将光学漏内壁反射率设为75%时的仿真结果83%。此外,实验采用的LSD为聚碳酸酯材料制成,当激光处于较高光功率密度,可选择浮法玻璃材料制成的LSD,效果基本不变。
实验中光强不均匀度与入射激光光强变化无关,图7为CCD拍摄的激光接收装置前端和后端的光斑图,可见光束经激光接收装置后均匀性有了很大改善。
Figure 7. Spot image taken by CCD. (a) Spot image in fore-end of laser receiver; (b) Spot image in back-end of laser receiver
激光接收装置输入光功率密度分别为0.08、0.15、0.24 W/cm2时,改变激光入射角,测试光电池的短路电流和开路电压。图8示出入射角度对系统转化效率影响的拟合曲线。图中,纵坐标为1− ηsc。从图中可以看出:与正入射时相比,入射角为18°时,系统转换效率变化小于20%。与模拟值的20°相差为2°,基本验证了模拟结果,表明该激光接收装置对激光入射角不敏感。
用ηsc表示系统的转换效率变化值,计算公式如下:
式中:Is0为入射角0°时短路电流;Vo0为入射角0°时开路电压;Isi为入射角i°时短路电流;Voi为入射角i°时开路电压。