激光無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展

趙長明，王云石，郭陸燈，張海洋，張子龍，張立偉，鄭 征，李 建

(1.北京理工大學 光電學院 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京 100081；2.中國電子科技集團 電子科學研究院,北京 100041；3.中國電子科技集團 海洋信息研究院, 陵水 572427)

引 言

無論微波還是激光，都是攜帶能量的電磁波，不僅可以用來傳遞信息，也可以用來傳遞能量。以激光或微波傳遞能量，大大拓展了能量傳輸?shù)母拍?，豐富了能量傳輸?shù)姆绞剑瑸橐恍┨厥鈭龊系墓┠芴峁┝艘粭l新的途徑。

無線能量傳輸(wireless power transmission,WPT)即以微波或激光的方式，將能量(一般是電能)從空間某一點(電源)傳遞到另一點(負載)。以微波作為傳能載波稱為微波無線能量傳輸(microwava wireless power transmission,MWPT)，以激光作為傳能載波稱為激光無線能量傳輸(laser wireless power transmission,LWPT)。由于激光具有波長短、單色性好、方向性好、高單色亮度的特點，一般而言，LWPT相比于MWPT具有設(shè)備體積較小、傳輸距離較遠、無電磁干擾的特點。

本文中主要針對LWPT的基本系統(tǒng)組成、國內(nèi)外研究進展、現(xiàn)階段面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)以及未來研究的課題方向進行整理闡述，并對LWPT涉及到的技術(shù)領(lǐng)域進行了簡要總結(jié)。

1 激光無線能量傳輸系統(tǒng)基本組成

LWPT系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)等。激光發(fā)射系統(tǒng)由電源、激光驅(qū)動器、激光器、激光發(fā)射系統(tǒng)、跟蹤與瞄準系統(tǒng)等構(gòu)成；激光接收機由激光電池、散熱系統(tǒng)等構(gòu)成；能源管理系統(tǒng)包括最大功率點跟蹤器、儲能電池和能量監(jiān)測系統(tǒng)等。

LWPT系統(tǒng)的基本工作原理為：電源為激光器供電，激光器將電能轉(zhuǎn)換成激光并由光學系統(tǒng)準直并發(fā)射，通過瞄準與追蹤系統(tǒng)獲取目標位置并進行實時跟蹤，控制發(fā)射機將激光束照射到激光電池上，激光電池將激光光能轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)過電源管理系統(tǒng)獲得電能輸入，驅(qū)動目標動力裝置及電子設(shè)備或?qū)δ繕松系膬δ苎b置充電。

2 激光無線能量傳輸技術(shù)國內(nèi)外研究進展

2.1 激光無線能量傳輸技術(shù)國外研究進展

LWPT始于1968年美國GLASER博士提出的空間太陽能電站構(gòu)想。設(shè)想在地球同步軌道(geosynchronous orbit,GEO)上搭建空間太陽能電站，從而在太空收集穩(wěn)定的、高強度的太陽輻射，再將其轉(zhuǎn)換為激光或者微波的形式進行傳輸，在地面上建立的能量接收系統(tǒng)，將接收到的激光或者微波形式的能量轉(zhuǎn)換為電能后進行儲存及后續(xù)利用。

2004年,歐洲空間局(European Space Agency,ESA)對不同的太陽能衛(wèi)星方案進行了評估，計劃進行LWPT實驗，使用4個10kW Nd∶YAG激光器，光斑直徑1m，傳輸距離60000km，到達目標光斑直徑39m，能量密度34W/m2。接收端采用100m2的光電池陣列，整體效率7.1%[1]。圖1所示是激光太陽能衛(wèi)星的概念圖。

圖1 激光太陽能衛(wèi)星概念圖

2004年,歐洲光可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略計劃對GEO太陽能衛(wèi)星概念進行研究，見圖2。攜帶110.7km2太陽電池陣列及太陽光匯聚器件的太陽能衛(wèi)星，收集275GW太陽光能量，經(jīng)電池陣列轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生53GW電能，抽運激光器產(chǎn)生激光。入射到面積為68.9km2的地面激光電池接收系統(tǒng)實現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換，最可得到7.9GW的電功率[2]。

2004年，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)提出在GEO軌道上放置太陽光匯聚裝置，聚焦太陽光直接抽運Nd∶YAG激光器產(chǎn)生1GW激光輸出。傳輸?shù)胶Ｉ显O(shè)置的激光電池接收裝置，實現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換。利用轉(zhuǎn)換來的電能分解海水制造氫氣。預計激光-電的轉(zhuǎn)換效率可達70%[3]。

圖2 空間激光產(chǎn)生系統(tǒng)

2009年,美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)開展空對地LWPT研究。設(shè)想在近地軌道上，利用直徑70m超薄高反射率匯聚鏡匯聚太陽光能產(chǎn)生激光。同時利用直徑5m的可折疊充氣激光衍射鏡，將激光匯聚到激光電池上。該系統(tǒng)每90min繞地球一圈。若在地面搭建10個激光接收站，每個接收站可持續(xù)接收9min兆瓦級激光能量，實現(xiàn)單空間太陽能電站為多地面站供電的可能[4]。

1997年,日本YUGAMI等人[5]進行了LWPT場地實驗，見圖3。發(fā)射端選用CO2激光器，功率25W，通過口徑150mm離軸拋物面鏡進行準直，傳輸距離500m，接收端使用150mm的離軸拋物面鏡進行匯聚，接收激光功率15W，激光-激光的傳輸效率60%；同時測試了808nm的激光二極管照射尺寸為2cm×2cm的單結(jié)GaAs電池，激光-電效率為40%。

2006年日本Kinki大學利用波長808nm、功率200W光纖耦合LD為帶有光伏電池的風箏和旋翼無人機供能，見圖4。激光器電-光效率為34.2%，光伏組件由30片4cm×7cm的GaAs芯片組成，激光-電效率為21%，總的電-光轉(zhuǎn)換效率為7.2%[6]。

圖3 日本激光無線能量傳輸?shù)牡孛鎸嶒?/p>

圖4 日本Kinki大學激光無線供能風箏和旋翼無人機實驗

圖5為日本JAXA 設(shè)計的基于LWPT的太陽能衛(wèi)星[7]?？臻g中聚光鏡將太陽光匯聚到激光器上，激光器把太陽光轉(zhuǎn)換為激光發(fā)射到地球，海面上建立激光接收站，利用激光照射海水制氫，收集后供使用。太陽能衛(wèi)星使用Nd∶YAG激光器波長為1.06μm。每個單元使用兩面100m×100m的聚光鏡，產(chǎn)生10MW的功率，100個單元組成一個1GW級太陽能衛(wèi)星。

圖5 日本JAXA設(shè)計的太陽能衛(wèi)星概念圖

俄羅斯研究機構(gòu)設(shè)計了一套小衛(wèi)星與國際空間站進行LWPT的實驗系統(tǒng)，傳輸距離大于1000m，傳輸功率大于1000W，系統(tǒng)兼具激光通信和測量功能[8]，如圖6所示。

圖6 激光能量傳輸、通信、測量一體機

隨著空間技術(shù)的進步，人類對于月球的探索正在逐步推進。圖7是日本Kinki大學TAKEDA等人設(shè)計的月球LWPT冰探測機器人演示圖。設(shè)計中利用兩個

圖7 月球冰探測機器人激光供能設(shè)計圖

機器人，一個在月球坑外面，利用太陽光獲取能量，轉(zhuǎn)換成激光后照射到探測機器人上安裝的光電池板，接收激光能量轉(zhuǎn)化為電能。在月球環(huán)境下，傳輸距離至少5km，接收板尺寸小于1m[6]。

2005年,PARISE等人對月球探測機器人進行了LWPT實驗[9]，如圖8所示。發(fā)射系統(tǒng)采用200W的LD，通過光纖孔徑為400μm、數(shù)值孔徑為0.22的光纖輸出，激光接收采用直徑70cm的電池板。成功地進行了地面演示。

圖8 激光供能月球探測機器人原型系統(tǒng)a—激光發(fā)射系統(tǒng) b—月球探測機器人

圖9是美國人設(shè)計的無線充電電動汽車示意圖。路邊每隔特定距離豎立一個無線充電系統(tǒng)，當電動汽車電量不足時，向無線充電網(wǎng)絡發(fā)送信號，網(wǎng)絡通過該信號確定電動汽車位置和移動情況，激活距離最近無線充電單元追蹤電動汽車，通過微波或激光方式向汽車充電[9]。

圖9 電動汽車無線充電示意圖

2007年,美國加州大學圣馬科斯分校研究人員使用能量球作為接收裝置進行了LWPT實驗[10]，如圖10所示。光伏電池位于能量球內(nèi)壁，入射到能量球內(nèi)的激光在球內(nèi)多次反射而不會溢出，提高了光-電效率。實驗中選用Nd∶YAG激光器，功率為160W，傳輸距離為3m，從能量球輸出功率為18.96W[11]。

圖10 光伏眼及其工作原理

美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)也開展了LWPT研究。2003年9月進行了模型飛機激光供能飛行實驗，如圖11所示。實驗中使用1kW紅外激光器，航模馬達功率為6W，只要接收到激光照射就可持續(xù)飛行。首次實現(xiàn)了僅靠激光供能的模型飛機飛行演示[12]。

圖11 激光供能航模飛機

NASA自2005年起開始舉辦LWPT太空電梯競賽。每個參賽隊制作一個機械裝置(電梯)，沿著垂直的繩子往上運動，能源部分位于地面，通過LWPT供給電梯。使用的激光器單個10mm bar條功率大于100W，效率大于60%，總功率2.5kW～10kW，波長800nm～980nm，發(fā)散角壓縮至1mrad[13]。2009年,Laser Motive代表隊實現(xiàn)了太空電梯爬升高度1km的目標，平均速度為3.9m/s，圖12是比賽中的“電梯”。

圖12 NASA太空電梯比賽

2002年,SLEINSIEK等人進行了地面LWPT實驗[14]。用Nd∶YAG全固態(tài)激光器，倍頻輸出532nm綠光驅(qū)動裝有光伏電池的小車，擴束后光束直徑30mm～50mm，輸出功率為5W;光電池中心裝有角反射鏡，實現(xiàn)追蹤功能,光電池效率25%，見圖13。

圖13 德國地面激光無線能量傳輸驅(qū)動小車實驗

2009年,美國激光動力公司完成激光輸能PELICAN四旋翼直升機飛行試驗，創(chuàng)造了懸停飛行12.5h的記錄[15]，見圖14。2012年，該公司與洛·馬公司合作，在美軍特種作戰(zhàn)部隊裝備的小型無人機Stalker加裝激光輸能系統(tǒng)，完成了室內(nèi)和野外激光輸能飛行試驗，取得了里程碑成果[16]，見圖15。

圖14 激光輸能PELICAN四旋翼無人機飛行試驗

激光驅(qū)動公司已經(jīng)完成了一套完整的便攜式LWPT系統(tǒng)， 可將幾百瓦功率傳送到1km外的移動飛行器中。而當距離更近時，傳輸功率可超過1000W。2009年11月,在美國愛德華空軍基地該系統(tǒng)已經(jīng)反復試驗，達到5級技術(shù)成熟度(technology readiness level5,TRL5)，在封裝和集成上只需稍作改進，便可達到TRL6，進入實際應用[17-18]。

圖15 “闊步者”無人機激光無線供能實驗

2013年,美國海軍實驗室在室內(nèi)實現(xiàn)了40m LWPT無人機飛行試驗，如圖16所示。采用2kW的單模光纖激光器(1.07μm)，激光電池采用Spectrolab Inc.研發(fā)的InGaAs激光電池陣列。單個芯片效率40%～50%，電池陣列可提供160W～190W電力。使用了光學跟蹤系統(tǒng)，將激光束自動定位在激光電池陣列中心[19]。

圖16 美國海軍實驗室無人機LWPT實驗

2.2 激光無線能量傳輸國內(nèi)研究進展

國內(nèi)開展LWPT研究的主要單位包括北京理工大學、山東航天電子技術(shù)研究所、南京航空航天大學、解放軍裝備指揮學院、軍械學院等。

2013年,北京理工大學HE等人設(shè)計了LWPT地面實驗系統(tǒng),見圖17。理論分析了激光波長、光電轉(zhuǎn)換材料等關(guān)鍵參量對傳輸效率的影響，分別用793nm和808nm光纖耦合LD，進行了10m LWPT實驗。結(jié)果表明，以793nm激光為光源、GaAs電池的LWPT系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，光-電轉(zhuǎn)換效率高達48%，系統(tǒng)總的直流到直流(direct current to direct current,DC-DC)傳輸效率18%[20]。同年HE等人又演示了高功率激光傳輸系統(tǒng)，設(shè)計了效率達42.3%的多片GaAs陣列,見圖18。激光輸入功率24W時,可實現(xiàn)10W的電功率輸出，測量了陣列效率對波長、激光功率和溫度的關(guān)系[21]。

圖17 10m激光能量傳輸系統(tǒng)原理圖

圖18 激光無線能量傳輸電池陣列

2014年,HE等人采用793nm、功率24W的半導體激光器和GaAs電池，進行了距離100m的LWPT實驗,見圖19。自行設(shè)計了基于LabVIEW的LWPT效率測試軟件。激光發(fā)射功率為24W(功率密度為6kW/m2)時，光-電效率為40.4%，輸出電壓為4V，整體電-電效率為11.6%[22]。

圖19 百米激光無線能量傳輸實驗

2015年,北京理工大學ZHANG等人建立激光電池的單指數(shù)等效模型，推導出激光電池的伏安特性函數(shù)、產(chǎn)生電流、復合電流及擴散電流的表達公式，將激光電池的P-N結(jié)參量與輸出參量聯(lián)系起來。對圓對稱激光電池進行建模仿真，計算出圓對稱GaAs激光電池在基模激光照射下光-電轉(zhuǎn)換效率的理論極限[23]。實驗中研究了入射激光波長、激光功率、激光光斑大小及激光電池工作溫度對電池光-電轉(zhuǎn)換效率及輸出參量的影響。實驗表明，GaAs激光電池在2.48W的793nm激光照射下，獲得了高達50.33%的光-電轉(zhuǎn)換效率[24]。

2013年,山東航天電子技術(shù)研究所的LI和SHI等人綜述了LWPT技術(shù)的國內(nèi)外進展及應用，分析了其優(yōu)勢及關(guān)鍵技術(shù)[25];根據(jù)分布式集群飛行器系統(tǒng)能量分配需求，建立了系統(tǒng)框架模型，設(shè)計了系統(tǒng)各組成模塊，進行了仿真，獲得了理想的光-電轉(zhuǎn)換效率[26-27]。2014年10月,山東航天電子技術(shù)研究所進行了兩飛艇之間的LWPT動態(tài)試驗,見圖20。兩飛艇距離為50m～100m，速率為5m/s;輸入電壓為22V，輸入電流為4A，輸入功率為88W;最大接收功率為13.43W，最大傳輸效率為16.08%[28]。2015年,山東航天電子研究所LI等人總結(jié)了LWPT技術(shù)的應用場景，分析了LWPT技術(shù)在航天方面的應用需求、系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)，展望了發(fā)展趨勢[29]。同年，ZHANG等人分析LWPT中影響接收裝置效率的因素，結(jié)合光電池最優(yōu)布局和最大功率跟蹤技術(shù)，提出一種轉(zhuǎn)換效率高達29．6%、且不受負載阻抗影響的LWPT接收裝置[30]，見圖21。

圖20 飛艇之間動態(tài)LWPT實驗

圖21 光電池板實物圖

2015年,SHI設(shè)計了一種基于激光相控陣技術(shù)的多光束激光發(fā)射天線及LWPT系統(tǒng)，對LWPT在軌應用具有參考價值[31]。LI提出了一種可用于空間太陽能電站的LWPT系統(tǒng)[32]。WU研究了多光束傳輸?shù)腖WPT系統(tǒng)協(xié)同捕獲、瞄準與跟蹤方法，分析了單終端多光束系統(tǒng)和多終端多光束系統(tǒng)的實現(xiàn)方法及構(gòu)成，針對單光束、7光束和9光束發(fā)射系統(tǒng)的目標重構(gòu)光斑進行仿真，結(jié)果表明，精確的多光束協(xié)同ATP系統(tǒng)可以實現(xiàn)光束重構(gòu)，能量密度和分布得到改善[33]。

2012年，南京航空航天大學YANG等人提出激光照射下理想電池轉(zhuǎn)換效率的計算方法，推導出解析表達式，實驗中測量了激光波長、激光強度、環(huán)境溫度等因素對轉(zhuǎn)換效率的影響。結(jié)果表明，單晶硅電池對單色激光的光-電轉(zhuǎn)換效率相對太陽光明顯提高，最高可達27.7%[34]。2014年,QIAO優(yōu)化設(shè)計了LWPT系統(tǒng)，實驗中研究單結(jié)GaAs光電池當808nm激光以0.23W/cm2的功率密度照射時，轉(zhuǎn)換效率為61.2%，光功率密度增強到1.15W/cm2時，效率保持在40%以上。使用30mm×40mm光電池產(chǎn)生了1W以上輸出功率[35]。2015年,ZHOU等人研究了LD在連續(xù)和脈沖模式兩種驅(qū)動模式下，注入電流對LD電光轉(zhuǎn)換效率的影響[36-37]。2016年,ZHOU等人研究了高斯光束對激光電池陣列轉(zhuǎn)換效率的影響，提出使用不同的光伏(photovoltaic，PV)配置減少高斯激光束引起損耗的方法[38]。JIANG等人研究了中小型偵察無人機LWPT系統(tǒng)實現(xiàn)功率和信息同時傳輸技術(shù)[39]，搭建原理樣機驗證了可行性[40]。

2014年,解放軍裝備指揮學院YANG等人研究了模塊化航天器的天基激光輸能技術(shù)[41]。針對同軌道平面兩星之間激光能量傳輸時的姿態(tài)指向控制問題，基于反射法提出一種自適應控制器設(shè)計方法[42]。2015年,CUI等人研究了一定激光功率密度下GaAs和Si電池在不同溫度下的伏安特性，以及短路電流、開路電壓、匹配負載、最大輸出功率、填充因子、轉(zhuǎn)換效率隨電池溫度的變化規(guī)律，并給出定量表達式[43]。2016年,CUI等人實驗研究了高斯光束對光電池輸出的影響，證明輻射形狀排列可以獲得更高輸出[44]。分析了激光輻照條件下最佳激光波長與光電材料禁帶寬度的關(guān)系，得到了光電池各類輸出性能參量的計算方法[45]。

2015年,石家莊軍械學院LIU等人采用940nm激光輻照單晶Si光電池，研究了光電池輸出特性隨激光強度和電池溫度的變化規(guī)律[46]。建立了光伏電池的動態(tài)熱模型，分析了光伏電池溫度與激光功率、風速、環(huán)境溫度的關(guān)系[47]。2016年,HUA等人采用單結(jié)GaAs光電池和808nmLD，實驗測試了光電池性能參量與激光功率和電池溫度的關(guān)系[48]。

此外，國防科技大學、四川大學、中國科學院力學研究所等單位也對LWPT技術(shù)進行了一些理論和實驗研究。

3 LWPT面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

LWPT技術(shù)涉及激光技術(shù)、大氣效應、光伏技術(shù)、自動目標識別(automatic target recognition，ATR)技術(shù)以及電源管理系統(tǒng)等多個技術(shù)領(lǐng)域，是一項涉及范圍廣、技術(shù)帶動性強的新興技術(shù)。

LWPT技術(shù)的核心是效率，主要影響因素是激光器的效率和光束質(zhì)量、傳輸效率和光-電池的效率。激光器的效率和光束質(zhì)量是激光工作者持之以恒的追求，800nm～950nm LD是目前電-光效率最高(60%)的激光器，但光束質(zhì)量較低，適用于近程LWPT，遠程LWPT可能考慮光纖激光器。大氣傳輸效率在近紅外波段，無論是800nm～950nm LD，還是Nd∶YAG激光器，透過率在一般距離均較高，空間LWPT則不需考慮這個問題。目前成熟的光電池基于Si和GaAs兩種材料，GaAs光電轉(zhuǎn)換效率明顯高于Si電池，雖然價格昂貴，但與整個系統(tǒng)造價相比尚可接受。

4 LWPT需進一步研究的課題

4.1 LWPT系統(tǒng)建模與仿真

整體效率是衡量LWPT系統(tǒng)性能的最重要參量，因此建立LWPT系統(tǒng)的數(shù)學模型，對系統(tǒng)整體效率進行設(shè)計和優(yōu)化，分析、評價和模擬仿真系統(tǒng)效率，指導系統(tǒng)設(shè)計，至關(guān)重要。

4.2 高功率激光非相干組束拓撲與遠場勻化技術(shù)

在遠距離LWPT系統(tǒng)中，需要研究高功率激光非相干組束拓撲技術(shù)，采用非相干疊加的方法對遠場光斑分布進行勻化。

4.3 LWPT系統(tǒng)中大氣干擾效應與對策研究

對高空目標進行供能時，一般情況下激光處于斜程傳輸狀態(tài)，大氣折射率沿傳輸路徑非均勻變化，有必要對激光傳能中斜程大氣的干擾特性進行充分研究。

4.4 LWPT系統(tǒng)加速充電技術(shù)

處于動態(tài)工作狀態(tài)的遠程LWPT系統(tǒng)，激光束需要持續(xù)性照射到電池表面才能提供系統(tǒng)足夠的能量?？梢圆捎每焖俪潆姷牟呗?，提高系統(tǒng)的充電速度。

4.5 LWPT系統(tǒng)動態(tài)閉環(huán)充電調(diào)控技術(shù)研究

針對不同負載情況，對系統(tǒng)中的瞬時功率進行閉環(huán)控制，使得激光器與光伏陣列都處于最佳工作點，從而保證系統(tǒng)效率最大化。

4.6 激光電池的熱特性分析與管理

有必要對電池溫度與輸出效率進行理論研究和仿真優(yōu)化。在大規(guī)模激光陣列的應用中，電池的熱特性分析和管理是核心問題之一。

5 結(jié)束語

綜上所述，LWPT技術(shù)提供了一種通過空間傳輸能量的新途徑，在空間和地面都存在多種潛在的應用，其中一些已經(jīng)具備技術(shù)上的可行性，找到適合LWPT技術(shù)應用的場景是促進其應用的關(guān)鍵。

LWPT技術(shù)涉及激光技術(shù)、光伏技術(shù)、ATR技術(shù)以及電源管理系統(tǒng)等多項技術(shù)領(lǐng)域，涉及范圍較廣、技術(shù)帶動性強。