激光無(wú)線能量傳輸接收裝置研究

張建德 郭春輝 于閎飛

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670）

1 引言

激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［1-4］（如空間太陽(yáng)能電站［5］、無(wú)人機(jī)無(wú)線供能等）。因此，激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)越來(lái)越受重視。在激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)［6-9］的應(yīng)用中，傳輸效率是無(wú)線能量傳輸?shù)年P(guān)鍵指標(biāo)。而影響激光無(wú)線能量傳輸效率的因素包括激光器的電光轉(zhuǎn)換效率、空間傳輸損耗和接收裝置的轉(zhuǎn)換效率。其中，接收裝置的轉(zhuǎn)換效率是影響激光無(wú)線能量傳輸效率的主要因素。日本近畿大學(xué)在2006年利用激光能量傳輸給風(fēng)箏、直升機(jī)進(jìn)行激光供能試驗(yàn)［10］。當(dāng)以200 W 激光器輸出時(shí)，風(fēng)箏獲得了42 W 功率。

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)以太陽(yáng)光作為能源具有光強(qiáng)分布均勻的特點(diǎn)，并且光電池板的尺寸不受光斑大小的約束。而激光無(wú)線能量傳輸由于激光光斑能量分布不均勻，光電池板形狀受激光光斑形狀約束，傳統(tǒng)的光電池板設(shè)計(jì)無(wú)法滿(mǎn)足激光無(wú)線能量傳輸光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用需求。

本文在分析光電池布局對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率影響的基礎(chǔ)上，主要針對(duì)激光無(wú)線能量傳輸光斑能量分布不均勻的特點(diǎn)，結(jié)合光電池最優(yōu)布局和最大功率跟蹤技術(shù)，提出了一種高轉(zhuǎn)換效率的光電池接收裝置，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 理論設(shè)計(jì)

在激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，由常規(guī)單片光電池構(gòu)成的光電池板是無(wú)法滿(mǎn)足輸出功率的要求。因此，光電池板必須采用光電池串并聯(lián)結(jié)構(gòu)才能滿(mǎn)足輸出功率要求。為了獲得較高的光電轉(zhuǎn)換效率，需要采用光電池最優(yōu)布局和最大功率跟蹤技術(shù)設(shè)計(jì)接收裝置。

2．1 光電池最優(yōu)布局

1）光電池串聯(lián)最優(yōu)布局設(shè)計(jì)

在光電池接收裝置中光電池單元的串聯(lián)特性參數(shù)包括：開(kāi)路電壓Voc和短路電流Ⅰsc、最佳工作電壓Vmp、最佳工作電流Ⅰmp、最大輸出功率Pmp。

由于激光光斑能量分布不均勻的特性，光電池板的每一片光電池的特性參數(shù)均不一致。對(duì)特性參數(shù)不一致的光電池組件，分別取光電池單元中最小的Ⅰsc＿i、Ⅰmp＿i作為整個(gè)支路的Ⅰsc、Ⅰmp。對(duì)光電池單元有

式中：Voc＿n為第n個(gè)光電池的開(kāi)路電壓；Vmp＿n為第n個(gè)光電池的最佳工作電壓；Ⅰsc＿n為第n個(gè)光電池的短路電流；Ⅰmp＿n為第n個(gè)光電池的最佳工作電流；n表示串聯(lián)光電池的編號(hào)。

光電池單元的理想輸出功率為

光電池單元的最佳輸出功率為

由式（2）、（4）和（6）得，光電池串聯(lián)的最大輸出功率主要由單片光電池的最小輸出電流決定。因此在進(jìn)行串聯(lián)光電布局設(shè)計(jì)時(shí)盡可能地布置在光強(qiáng)分布相同的位置。

2）光電池并聯(lián)最優(yōu)布局設(shè)計(jì)

對(duì)整個(gè)光電池陣列，分別取所有并聯(lián)支路中最小的Vo＿j，Vm＿j作為整個(gè)方陣的Vo，Vm。對(duì)整個(gè)方陣有

式中：Vo＿j為第j串聯(lián)支路的開(kāi)路電壓；Vm＿j為第j串聯(lián)支路的最佳工作電壓；Ⅰs＿j為第j串聯(lián)支路的短路電流；Ⅰm＿j為第j串聯(lián)支路的最佳工作電流；j表示串聯(lián)支路編號(hào)。

因此，整個(gè)方陣?yán)硐胼敵龉β?/p>

整個(gè)方陣最佳輸出功率

整個(gè)方陣最佳轉(zhuǎn)換效率

式中：Plaser為激光器發(fā)射光功率。

在激光無(wú)線能量傳輸實(shí)際應(yīng)用中，需要采用二維轉(zhuǎn)臺(tái)跟瞄對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行無(wú)線能量傳輸，由于存在跟瞄精度的問(wèn)題，將會(huì)產(chǎn)生陰影效應(yīng)。此時(shí)每一個(gè)支路需要串聯(lián)一個(gè)二極管，可防止位于陰影區(qū)的電池片受損壞。

3）光電池最優(yōu)布局設(shè)計(jì)

激光光斑的能量分布屬于高斯分布，即中心光照強(qiáng)度最強(qiáng)、邊緣光照強(qiáng)度最弱。因此，光電池進(jìn)行布局設(shè)計(jì)時(shí)，其最優(yōu)布局設(shè)計(jì)是盡量把串聯(lián)的光電池布置在相同光照強(qiáng)度的位置。

如圖1中光電池板由4組光電池單元組成，每個(gè)光電池單元分別由16片光電池串聯(lián)而成，各光電池單元中光電池?cái)?shù)目相等，從而讓各光電池單元輸出電壓相等。由于光電池長(zhǎng)寬尺寸不相同，因此光電池板進(jìn)行縱橫不對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)。這種布局方式一方面可以減少光斑能量不均勻?qū)怆姵毓怆娹D(zhuǎn)換效率的影響；另一方面由于跟瞄對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中跟瞄精度使得光斑在光電池板上發(fā)生偏移，此時(shí)只有外圍一組光電池單元因未照射到光沒(méi)有輸出，不影響其他被照射到的光電池單元的輸出，降低了跟瞄精度對(duì)光電池板的整體輸出功率的影響。

圖1 光電池布局示意圖Fig．1 Optimal layout of the cell

2．2 最大功率跟蹤技術(shù)

本文采用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。擾動(dòng)觀察法是控制DC／DC 轉(zhuǎn)換器改變輸出端的電壓，不斷地變動(dòng)光電池的輸出電壓來(lái)跟蹤最大功率點(diǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大功率點(diǎn)附近之后，其擾動(dòng)并不會(huì)停止，而會(huì)在最大功率點(diǎn)左右振蕩，因此造成能量損耗并降低光電池的效率；尤其是在氣候條件變化緩慢時(shí)，能量損耗的情況更為嚴(yán)重，這是因?yàn)闅夂驐l件變化緩慢時(shí)，光電池所產(chǎn)生的電壓及電流變動(dòng)并沒(méi)有什么太大的變化，而此方法仍然會(huì)繼續(xù)擾動(dòng)以改變其電壓值而造成能量損失，此為擾動(dòng)法的最大缺點(diǎn)。

激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)在采用跟瞄系統(tǒng)進(jìn)行跟瞄對(duì)準(zhǔn)無(wú)線能量傳輸時(shí)，由于存在跟瞄精度，激光光斑在光電池上是晃動(dòng)的，此時(shí)外界條件變換快速，光電池產(chǎn)生的電壓及電流變動(dòng)明顯，因此不會(huì)出現(xiàn)能量損耗嚴(yán)重的現(xiàn)象。

2．3 接收裝置設(shè)計(jì)

由于光電池的輸出特性具有非線性特征，其輸出跟光照強(qiáng)度、溫度和負(fù)載有很大的關(guān)系。激光無(wú)線能量傳輸接收端的激光光斑能量分布是不均勻的，因此光電池接收裝置的每一片光電池的輸出特性是不同的。在進(jìn)行光電池串并聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)光斑能量分布進(jìn)行合理的光電池布局設(shè)計(jì)。負(fù)載同樣對(duì)光電池的輸出功率具有很大的影響，為了把負(fù)載與光電池進(jìn)行隔離，并得到最大的功率輸出，本文采用最大功率跟蹤技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。光電池接收裝置主要由光電池陣列和能源管理單元構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 接收裝置組成框圖Fig．2 Fame of receiver device

其中，光電池陣列采用光電池最優(yōu)布局方法進(jìn)行串并聯(lián)設(shè)計(jì)；能源管理單元由二極管和最大功率跟蹤模塊組成。光電池板是由j個(gè)光電池單元并聯(lián)構(gòu)成，其中光電池單元是由n個(gè)光電池串聯(lián)構(gòu)成。整個(gè)接收裝置的轉(zhuǎn)換效率為

式中：ηm為光電池板的最佳轉(zhuǎn)換效率；ηe為能源管理單元的轉(zhuǎn)換效率。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體激光器、光電池板和能源管理單元構(gòu)成，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，激光光斑正好完全覆蓋光電池板上的光電池片，并且光電池板背面安裝散熱片通過(guò)風(fēng)冷進(jìn)行散熱。同時(shí)考慮空間應(yīng)用，光電池板背面可采用表面發(fā)黑處理、填充導(dǎo)熱材料等高可靠性的導(dǎo)熱和輻射方式進(jìn)行散熱。

圖3 激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)原理圖Fig．3 Laser energy transmission system

1）半導(dǎo)體激光器

本實(shí)驗(yàn)中選用的半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)為：輸出波長(zhǎng)為808nm，最大輸出光功率為100 W，光纖芯徑為200μm，數(shù)值孔徑（NA）為0．22（數(shù)值孔徑用來(lái)描述光進(jìn)出光纖時(shí)的錐角大小，不同廠家生產(chǎn)的光纖的數(shù)值孔徑不相同）。

2）光電池板

光電池板是由下列元器件組成：光電池片、電極和基板，如圖4所示。光電池板由224片光電池組成，共分為14路輸出，每一路16片光電池?；宀捎面V鋰合金材料，不僅具有良好的散熱效果，還能夠有效地減輕光電池板質(zhì)量。

圖4 光電池板實(shí)物圖Fig．4 Optical-electro conversion device

3）能源管理單元

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，能源管理單元具有14路輸入對(duì)應(yīng)光電池板的14路輸出，經(jīng)過(guò)二極管后合并成一路輸入最大功率跟蹤單元，通過(guò)擾動(dòng)控制算法保持最大功率輸出。光電池最大功率跟蹤單元的輸入電壓為7～40V，輸出電壓必須高于輸入電壓，可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)輸出電壓的范圍為輸入電壓到40V。

3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)試條件為在室內(nèi)無(wú)強(qiáng)背景光條件下，光電池板溫度恒定在25 ℃左右，采用808nm 的半導(dǎo)體激光器直接照射光電池板，由于激光器功率較小，為了保證光照強(qiáng)度，使得光斑剛好覆蓋光電池板中心兩組光電池單元。光電池板的光電轉(zhuǎn)換效率受溫度、光照強(qiáng)度和負(fù)載阻抗的影響，此時(shí)將集中反映到輸出電壓上，因此不同的輸出電壓對(duì)應(yīng)著不同的轉(zhuǎn)換效率。圖5是在不加能源管理單元時(shí)，光電池板的輸出電壓與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系，橫坐標(biāo)為光電池板的輸出電壓，縱坐標(biāo)為光電池的光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)光電池板的輸出電壓為15．5V 時(shí)，其光電轉(zhuǎn)換效率最大達(dá)到31．3%。

為了能夠在實(shí)際應(yīng)用中始終獲得最大的光電轉(zhuǎn)換效率，本設(shè)計(jì)采用最大功率跟蹤方法自動(dòng)調(diào)節(jié)光電池板輸出電壓，使得光電池板在不同的光照強(qiáng)度、溫度和負(fù)載阻抗的條件下保持最大輸出功率。為了模擬激光無(wú)線能量傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，把半導(dǎo)體激光器的發(fā)射端放在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，使得激光光斑在光電池附近來(lái)回抖動(dòng)，此時(shí)光電池板輸出電壓和輸出電流快速變化，能源管理單元能夠自動(dòng)快速進(jìn)行最大功率跟蹤，解決了擾動(dòng)法最大功率跟蹤的缺陷。

能源管理單元具有調(diào)節(jié)輸出電壓的作用，在輸入電壓和輸出電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)有能量損耗。為了更明確地說(shuō)明能源管理單元的功能和性能，設(shè)置能源管理輸出電壓為20V，此時(shí)輸入電壓與能源管理單元的轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系如圖6 所示。輸入電壓為8～16．5V 時(shí)，能源管理單元的轉(zhuǎn)換效率隨著輸入電壓的增大而增大；輸入電壓大于16．5V 時(shí)，由于能源管理單元內(nèi)部開(kāi)關(guān)頻率變高引起開(kāi)關(guān)損耗變大，因此能源管理單元的轉(zhuǎn)換效率下降。

激光無(wú)線能量傳輸接收裝置的轉(zhuǎn)換效率是由光電池板的光電轉(zhuǎn)換效率和能源管理單元的轉(zhuǎn)換效率共同決定的，并且主要由光電池板的輸出電壓決定。當(dāng)光照強(qiáng)度和溫度保持不變，此時(shí)能源管理單元的輸入電壓始終保持在15．5 V，其轉(zhuǎn)換效率為94．5%，由式（14）可得接收裝置的轉(zhuǎn)換效率為29．6%。因此，采用能源管理單元對(duì)光電池板功率進(jìn)行跟蹤，能夠有效地提高整個(gè)接收裝置的轉(zhuǎn)換效率。

圖6 能源管理單元輸入電壓與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系Fig．6 Output characteristics of energy management unit

4 結(jié)論

能量接收裝置是激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，其具有如下特點(diǎn)：①激光無(wú)線能量傳輸過(guò)程中激光光斑能量分布不均勻，能量接收裝置能夠在非均勻的光照強(qiáng)度下，通過(guò)對(duì)光電池合理布局，有效降低光照強(qiáng)度不均勻?qū)邮昭b置轉(zhuǎn)換效率的影響；②外界條件（光照強(qiáng)度、溫度和負(fù)載）的改變都將影響光電池的輸出特性，能量接收裝置能夠在外界條件發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)采用最大功率跟蹤技術(shù)，始終保證最大功率輸出。

本文通過(guò)對(duì)激光無(wú)線能量傳輸過(guò)程中影響接收裝置效率的因素進(jìn)行分析，采用光電池串并聯(lián)最優(yōu)布局和擾動(dòng)觀察最大功率跟蹤技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種高效率的光電池板和能源管理系統(tǒng)；測(cè)試結(jié)果表明該技術(shù)可解決激光無(wú)線能量傳輸動(dòng)態(tài)能量獲取問(wèn)題，獲得高達(dá)29．6%的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換效率。因此，本文的研究成果對(duì)動(dòng)態(tài)激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)高效光電轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)具有工程應(yīng)用價(jià)值。

（References）

［1］石德樂(lè)，李振宇，吳世臣，等．模塊航天器間激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)方案設(shè)想［J］．航天器工程，2013，22（5）：67-73 Shi Dele，Li Zhenyu，Wu Shichen，et al．Concept of laser power transmission system for modular spacecraft［J］．Spacecraft Engineering，2013，22（5）：67-73 （in Chinese）

［2］馬海虹，石德樂(lè)．模塊航天器間微波無(wú)線能量傳輸技術(shù)應(yīng)用前景及發(fā)展建議［J］．空間電子技術(shù)，2012，9（4）：1-5 Ma Haihong，Shi Dele．Microwave wireless power transmission technology：application prospects and development suggestions in aerospace［J］．Space Electronic Technology，2012，9（4）：1-5（in Chinese）

［3］Karalis K A，Moffati R，Joannopoulos J D，et al．Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances［J］．Science，2007，31（7）：83-86

［4］Little F E．So1ar power satellites：recent developments［J］．Journal of the Optical Society of America，2002，23（7）：739-748

［5］劉豪，梁?。绹?guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局F6項(xiàng)目發(fā)展研究［J］．航天器工程，2010，19（2）：92-98 Liu Hao，Liang Wei．Development of DARPA’S F6program［J］．Spacecraft Engineering，2010，19（2）：92-98（in Chinese）

［6］N Kawashima，K Takeda，K Yabe．Application of the laser energy transmission technology to drive a small airplane［J］．Chinese Optics Letters，2007，5：109-110

［7］K Takeda，N Kawashima，K Yabe．Laser energy transmission to a small-unmanned aerial vehicle［J］．Uchu Gijutsu，2008（7）：27-32

［8］Karalis K A，Moffati R，Joannopoulos J D，et al．Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances［J］．Science，2007，31（7）：83-86

［9］Kawashima N，Takeda K．Laser energy transmission for a wireless energy supply to robots［J］．Robotics and Automation in Construction，2008：184-198

［10］Nobuki Kawashima，Kazuya Takeda．Laser energy transmission for a wireless energy supply to robots［J］．Robotics and Automation in Construction，2008：373-380