基于激光無線供能系統(tǒng)的傳輸效率分析

［周丹］

基于激光無線供能系統(tǒng)的傳輸效率分析

［周丹］

摘要為了研究一款激光無線供能系統(tǒng)的傳輸效率，系統(tǒng)地分析了系統(tǒng)的組成模塊及影響傳輸效率的因素，最后對(duì)提高系統(tǒng)傳輸效率提出了解決方案，高電光轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體激光器、減小透鏡損耗、高轉(zhuǎn)換效率的多結(jié)砷化鎵薄膜太陽能電池等都會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率。

關(guān)鍵詞：激光 無線供能 光電池 轉(zhuǎn)換效率

周丹

女，重慶郵電大學(xué)，光電工程學(xué)院，電磁場(chǎng)與微波工程研究所研究室2，碩士研究生。

引言

隨著各項(xiàng)技術(shù)的成熟與突破，無線供能在通信、工業(yè)、醫(yī)療、電力、航空航天、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域呈現(xiàn)良好應(yīng)用前景[1]。近年來，全球無線供能的市場(chǎng)規(guī)模逐年遞增，不久，電力傳輸就會(huì)迎來一個(gè)“無線”時(shí)代。

實(shí)現(xiàn)無線供能的方法大致有兩種，一種是兩個(gè)線圈的電磁感應(yīng)方法，另一種是將電能以激光或者微波的形式。2012年7月，美國(guó)開發(fā)了利用激光充電技術(shù)為無人機(jī)充電的激光充電系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試[2]； 2013年5月，裝備了世界首款激光充電系統(tǒng)的垂直起降飛機(jī)進(jìn)行首次飛行。由于無人機(jī)的提出，激光充電技術(shù)得到越來越多的關(guān)注也愈發(fā)成熟。而它也因其激光方向性好，系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單、使用方便，不易對(duì)周圍無線通信系統(tǒng)造成干擾，可用于太空或沙漠特殊環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)得到很多研究人員的青睞。

傳輸效率作為激光無線供能的關(guān)鍵性指標(biāo)，目前研究的系統(tǒng)傳輸效率可達(dá)18%左右。本文建立了一種利用高效光電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的激光無線供能系統(tǒng)，本文主要針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率及其的提高進(jìn)行研究分析，對(duì)提高系統(tǒng)傳輸效率提出了解決方案，高效的半導(dǎo)體激光器、低透鏡損耗、高轉(zhuǎn)換效率的光電池等都會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

整個(gè)供能系統(tǒng)由激光器、光電池、充電電路以及相應(yīng)的光學(xué)裝置等組成。該裝置的能量的轉(zhuǎn)換效率和裝置間的傳輸效率等因素起了關(guān)鍵性的作用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1　激光無線供能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

激光器作為發(fā)射端的關(guān)鍵部件，它的光電轉(zhuǎn)換效率、激光波長(zhǎng)、功率、光斑形狀等性能參數(shù)都將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的效率。目前常見的激光器有氣體激光器、半導(dǎo)體激光器和固體激光器等。為了更好的接收到激光光束使光束能夠準(zhǔn)直均勻地照射到光電池全表面，我們要對(duì)激光光束進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直。常見的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)主要有雙凸透鏡組合、凹凸透鏡組合、棱鏡組合等。

光電池作為接收端是將高密度的入射單色光直接為負(fù)載供電的。除了工藝相對(duì)成熟的單晶硅、多晶硅、非晶硅等太陽能電池，砷化鎵（GaAs）、銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）等化合物薄膜太陽能電池及薄膜Si系太陽能電池作為第三代太陽能電池近年來發(fā)展迅速。

充電電路要具備儲(chǔ)能、升壓、整流的功能，包括電能儲(chǔ)存單元、升壓穩(wěn)壓?jiǎn)卧?、充電控制單元，使電路可以輸出穩(wěn)定的電流、電壓實(shí)現(xiàn)一定的供能功能，將光電池接收到激光光束轉(zhuǎn)換為電能并加以輸出。

2　影響傳輸效率的因素分析

激光供能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率η：

式中η1—激光器的電-光轉(zhuǎn)換效率；

η2—激光在空間中的傳輸效率；

η3—光學(xué)裝置的傳輸效率；

η4—光電池的光-電轉(zhuǎn)換效率。

（1）通常情況下，半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率約為40%-70%，輸出波長(zhǎng)范圍532-950nm;以二氧化碳激光器為例的分子氣體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)10%-25%（離子激光器的轉(zhuǎn)換效率較低），激光波長(zhǎng)10.6um；以摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光器為例的固體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率約為5%，輸出激光波長(zhǎng)為1064nm。綜合考慮系統(tǒng)需要連續(xù)、穩(wěn)定、大功率的輸出要求，系統(tǒng)選用半導(dǎo)體激光器，通常取η1=45%。

（2）激光發(fā)射出光束，在大氣中的傳輸與控制會(huì)受到天氣、環(huán)境等因素的影響,出現(xiàn)吸收、散射、擴(kuò)散等現(xiàn)象,也會(huì)影響激光的傳輸效率。選擇激光波長(zhǎng)時(shí)應(yīng)盡量避開水蒸氣、CO2的吸收波長(zhǎng)[3]?？紤]到目前傳輸距離較小，且選在了常溫下的室內(nèi)，可認(rèn)為激光在空間中的傳輸效率η2=1。

（3）由于激光光束具有發(fā)散角，會(huì)造成在傳輸過程中能量的損耗，當(dāng)激光光束沒有全部照射到電池板時(shí)陰影部分會(huì)產(chǎn)生暗電流也會(huì)影響光電池的光電轉(zhuǎn)換效率，為了更好的接收到激光光束使光束能夠準(zhǔn)直均勻地照射到光電池全表面，我們要對(duì)激光光束進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直。因此根據(jù)光電池的尺寸、傳輸距離和發(fā)散角等來設(shè)計(jì)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，本系統(tǒng)中采用兩個(gè)共焦的雙凸透鏡組合形式準(zhǔn)直，焦距分別為f1、f2，如圖2[4]。

圖2　擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)示意圖

設(shè)激光光束束腰為w0，光束的共焦參數(shù)經(jīng)透鏡L1后束腰變w1，發(fā)散角由θ0擴(kuò)大到θ1，經(jīng)透鏡L2后束腰變w2，發(fā)散角由θ1縮小到θ2。根據(jù)高斯光束性質(zhì)可知最后射出的光束束腰半徑其中λ為光束波長(zhǎng)。w2隨著w1減小而增大[5]，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束，該裝置的擴(kuò)束比：

其中準(zhǔn)直過程中能量損耗主要由透鏡造成，用光功率計(jì)測(cè)出經(jīng)透鏡L1前后的光功率P1、P1‘，經(jīng)透鏡L2前后的光功率P、P’，即22

（4）為了盡量獲取更多的電力，高效率是光電池最重要的指標(biāo)之一。光電池的光伏發(fā)電能力與所受光的波長(zhǎng)有關(guān)。頻譜特性是光電池輸入輸出特性的重要指標(biāo)之一。特別是作為激光能量接收器的光伏裝置，所用激光器的波長(zhǎng)與光伏電池的光譜響應(yīng)特性的配合對(duì)于提高輸送效率十分重要。

光電池的光電轉(zhuǎn)換效率[6]為最大輸出功率與照射到電池上的入射光功率之比，理論值為：

式中 Pm―為最大輸出功率；

Pi―為入射光功率；

Um―為光電池最大工作電壓（即最大輸出功率下的輸出電壓）；

Im―為最大工作電流；

A―為光電池的有效面積；

Pin―為單位面積的入射光功率一般取1kW/m2。

光電池的光電轉(zhuǎn)換效率與電池的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、特性、放射性粒子輻射損傷和工作環(huán)境等有關(guān)，尤其是其半導(dǎo)體材料禁帶寬度。禁帶寬度會(huì)直接影響短路電流和開路電路的大小，材料禁帶寬度大小與短路電流的大小成反比，與開路電壓成正比[8]。

3　轉(zhuǎn)換效率提高的措施

造成整個(gè)系統(tǒng)傳輸效率低的原因主要有發(fā)射端電光轉(zhuǎn)換效率較低、透鏡損耗、光電池轉(zhuǎn)化效率偏低等。從以上分析可以看出，短距離能量傳輸忽略大氣中的損耗，光電池對(duì)激光的接收效率還有待提高，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率，必須對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用高效的器件，達(dá)到系統(tǒng)的最高傳輸效率。

（1）考慮到該系統(tǒng)需要連續(xù)、穩(wěn)定、大功率輸出的要求和光電池的最大靈敏度，選用波長(zhǎng)800nm左右波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器。近年來，國(guó)內(nèi)外均將研究開發(fā)新型高功率、高光束質(zhì)量的大功率半導(dǎo)體激光器作為一個(gè)重要研究方向，作為大功率半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵技術(shù)之一的半導(dǎo)體激光芯片外延生長(zhǎng)技術(shù)也取得了重大進(jìn)展。采用應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)來提高大功率半導(dǎo)體激光器的光電性能，降低了器件的閾值電流密度，并擴(kuò)展了GaAs基材料系的發(fā)射波長(zhǎng)覆蓋范圍；采用無鋁有源區(qū)提高了激光芯片端面光學(xué)災(zāi)變損傷光功率密度，提高器件的輸出功率，并增加了器件的使用壽命；采用寬波導(dǎo)大光腔結(jié)構(gòu)增加了光束近場(chǎng)模式的尺寸，減小了輸出光功率密度，從而增加了輸出功率，并延長(zhǎng)了器件壽命；采用了非對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)減小器件的光損耗[7]。目前，電光轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)在最好的公司大約可以做到60%左右，實(shí)驗(yàn)室可以做到70%以上了。預(yù)計(jì)在不久的將來，半導(dǎo)體激光器芯片的電光轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到85%以上。這將帶來整個(gè)傳輸系統(tǒng)的傳輸效率提高。

（2）考慮到同等焦距能力條件下，雙凸透鏡的球差比平凸透鏡的小些，故選擇兩個(gè)雙凸透鏡的組合，一定程度上還可以增大傳輸距離。光線通過透鏡后，一部分光能量被吸收、反射和散射造成損耗，即反射率+吸收率+透射率=1。透鏡選擇也尤為重要，因此為了減小這部分損失，擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)中的透鏡應(yīng)盡可能的選擇如超白玻璃、石英玻璃這樣透明系數(shù)高、光潔度高的材質(zhì)或者在透鏡表面鍍一層相應(yīng)光學(xué)薄膜來減少光的反射和散射；

（3）目前廣泛應(yīng)用的是硅電池。在大氣條件為AM1.5的條件下測(cè)試，硅光電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)24.8%左右，目前商品硅光電池的光電轉(zhuǎn)換效率一般為12%～20%。而單結(jié)的砷化鎵電池理論效率達(dá)到27%，而多結(jié)的砷化鎵電池實(shí)驗(yàn)室理論效率更超過50%（來自IBM公司數(shù)據(jù)），實(shí)際轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了30%以上。各種太陽能電池的理論最高轉(zhuǎn)換效率見表1。

表1　各種太陽能電池的最高轉(zhuǎn)換效率

硅光電池和砷化鎵電池的光譜響應(yīng)特性曲線如圖3[8]，由圖可知砷化鎵電池的有效光波長(zhǎng)范圍為400～980nm，最大靈敏度在800nm～850nm左右；硅光電池的有效光波長(zhǎng)范圍為400～1100nm，最大靈敏度在800nm～900nm左右。

太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率作為衡量電池質(zhì)量和技術(shù)水平的重要參數(shù)，其中與制造電池半導(dǎo)體材料禁帶寬度的關(guān)系最為直接。砷化鎵的禁帶較硅為寬，使得它的光譜響應(yīng)性和空間太陽光譜匹配能力較硅好?？紤]到高轉(zhuǎn)換效率、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，多結(jié)砷化鎵薄膜太陽能電池可使系統(tǒng)獲得更高的傳輸效率。研究表明目前GaAs光伏電池的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50%，不僅可以提高整體的能量傳輸效率還可以降低對(duì)激光器輸出功率的要求。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中盡量選擇尺寸偏小的光電池，使電池最大面積的接收到激光光束。

當(dāng)太陽能電池的短路電流、開路電壓和填充因子都達(dá)到最大值時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)最高。但實(shí)際上幾個(gè)參數(shù)相互制約，同時(shí)還受材料質(zhì)量的影響。從提高短路電流上考慮，主要包括光吸收和光譜響應(yīng)兩方面。在硅電池表層中，少數(shù)載流子的壽命極低，表層吸收短波光子所產(chǎn)生的光生載流子對(duì)電池的光電流輸出貢獻(xiàn)甚微，即“死層”。為了改善電池的短波光譜響應(yīng)，可將發(fā)射結(jié)結(jié)深做淺以減少“死層”的影響。在電池表面加上有紋理的減反射膜，也可在較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)增大光能的吸收量，也進(jìn)一步提高了短路電流。近年來，背面點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)的電池及配套工藝在國(guó)外廣泛研究。這些新工藝、新技術(shù)已在高效電池中得到應(yīng)用，并取得了較好的效果。

圖3　太陽能電池的光譜響應(yīng)曲線

4　結(jié)論

通過對(duì)激光無線供能傳輸效率的研究與分析，激光無線供能技術(shù)具有一定的可行性，目前傳輸過程能量損耗較大，傳輸效率較低但通過系統(tǒng)優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率還有很大的提升空間。目前，高效率的半導(dǎo)體激光器、GaAs電池等都會(huì)對(duì)激光無線供能傳輸效率有所提高，將來隨著光電、電光轉(zhuǎn)換技術(shù)的不斷發(fā)展以及更加新型高效的激光器和光電池的出現(xiàn)，都會(huì)使供能系統(tǒng)能量傳輸效率將從根本上得到提高。

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.016

收稿日期：（2015-12-21）