激光供能技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展

鄭立 鄭文斌 劉占元 潘捷凱

【摘 要】盡管近年來(lái)電池技術(shù)有了很大的進(jìn)步，但是相對(duì)用電設(shè)備壽命來(lái)說(shuō)，其配置的電池續(xù)航能力相對(duì)較短，不能長(zhǎng)期為用電設(shè)備供電，成為物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸。自發(fā)電和無(wú)線充電技術(shù)能夠源源不斷地給電池充電，是解決電池續(xù)航短問(wèn)題的有效途徑。文章分析了激光無(wú)線供能技術(shù)中激光供能系統(tǒng)的各組成部分的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)研究了影響激光能量傳輸效率的關(guān)鍵因素，對(duì)比分析了在激光照射下各種光伏電池的性能，發(fā)現(xiàn)砷化鎵（GaAs）電池在激光供能領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢(shì)，分析了目前激光供能在高功率激光、長(zhǎng)距離傳輸、目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域存在的技術(shù)挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】激光供能;光伏電池;無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò);能量收集

【中圖分類號(hào)】TN249 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）02-0028-03

0 引言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人機(jī)、可穿戴設(shè)備等技術(shù)領(lǐng)域有了很大發(fā)展，這些領(lǐng)域的設(shè)備通常由電池供電，能夠無(wú)人值守自主工作。然而，電池的續(xù)航時(shí)間遠(yuǎn)小于系統(tǒng)用電設(shè)備的使用壽命，一旦電池耗盡，大量的節(jié)點(diǎn)電池需要充電或者更換，會(huì)大大提高工作人員的工作量。因此，電源的續(xù)航時(shí)間短的問(wèn)題始終是限制這些自治系統(tǒng)有效應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

針對(duì)此問(wèn)題，目前有兩種解決方案：一種使用能量收集技術(shù)，另一種是無(wú)線充電技術(shù)。能量收集技術(shù)是將應(yīng)用環(huán)境中的振動(dòng)能、風(fēng)能、太陽(yáng)能和溫差等形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，是一種自發(fā)電技術(shù)[1]。然而，環(huán)境中的這些能源并不能持續(xù)且穩(wěn)定地供能，不能保證系統(tǒng)工作的可靠性。無(wú)線充電技術(shù)將能量以電、磁、微波、超聲波、激光等形式傳輸給應(yīng)用接收端[2]，這種方式能夠根據(jù)節(jié)點(diǎn)的功耗需求傳輸足夠的能量，保證節(jié)點(diǎn)持續(xù)穩(wěn)定工作。

激光以光能的形式傳輸，功率密度高，傳輸距離遠(yuǎn)，抗電磁干擾性能優(yōu)良，方向性好，應(yīng)用于高電壓、強(qiáng)電磁、靜電、易燃易爆等惡劣環(huán)境中有顯著的優(yōu)勢(shì)。早在1992年，ABB公司就開(kāi)始研究電子式電流互感器的激光供能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高壓線的電流監(jiān)測(cè)，現(xiàn)已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CT取電的電流互感器。同一時(shí)期，美國(guó)國(guó)防部和NASA開(kāi)始測(cè)試為衛(wèi)星供能的激光供能技術(shù)[3]。2001年，Parise等人利用200 W的激光成功驅(qū)動(dòng)了月球探測(cè)機(jī)器人。美國(guó)激光驅(qū)動(dòng)公司將幾百瓦的激光傳送到1 km外的無(wú)人機(jī)上。2005年，NASA的馬歇爾空間飛行中心首次用功率為500 W、波長(zhǎng)為940 nm的激光器對(duì)15 m外的微型飛行器提供6 W的電能，讓飛行器運(yùn)作了15 min。2013年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室用2 kW的激光器給40 m外的無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程供電。近年來(lái)，在無(wú)人機(jī)對(duì)電池續(xù)航能力的需求逐漸增大的背景下，國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)、武漢大學(xué)、山東航天電子技術(shù)研究所、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所等科研院所大力開(kāi)展激光供能機(jī)理、移動(dòng)目標(biāo)跟蹤等方面的研究工作[4-8]。

1 激光供能

激光供能主要分為發(fā)射端和接收端。激光器發(fā)射端包括激光器、聚焦準(zhǔn)直、云臺(tái)和控制等部分。光纖激光器、薄片激光器輻射率高，但效率低，波長(zhǎng)與砷化鎵（GaAs）電池不匹配。半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)為800 nm左右，轉(zhuǎn)換效率較高，達(dá)到50%，但輻射率低。二極管泵浦固體激光器在波長(zhǎng)范圍、效率等方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但商業(yè)化普及率不夠。在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，激光光束的擴(kuò)散在接收端形成較大光斑，造成光能的損失。因此，需要聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)，常用的有單透鏡、望遠(yuǎn)鏡。

目前在很多研究中，激光器和接收端相對(duì)靜止，無(wú)須動(dòng)態(tài)跟蹤;但是在無(wú)人機(jī)、無(wú)人車等熱門領(lǐng)域?qū)﹄姵乩m(xù)航能力要求較高且需求較大和軍事應(yīng)用背景下，對(duì)具有動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤對(duì)準(zhǔn)功能的激光傳電技術(shù)的需求將更為迫切。美國(guó)、歐洲、俄羅斯的航天部門先后探索了激光供能在衛(wèi)星和微型飛行器上的應(yīng)用[9]，結(jié)果表明激光供能能夠顯著延長(zhǎng)無(wú)人系統(tǒng)的續(xù)航能力。國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)、山東航天電子技術(shù)研究所、武漢大學(xué)等單位也致力于激光傳能的目標(biāo)跟蹤技術(shù)研究[8，10，11]，首先利用姿態(tài)、GPS、機(jī)器視覺(jué)等方法初始對(duì)準(zhǔn)，然后結(jié)合激光精確對(duì)準(zhǔn)。

激光接收和轉(zhuǎn)換部分則采用光伏電池將接收到的激光能量轉(zhuǎn)化電能，同時(shí)考慮電源管理，如最大功率點(diǎn)跟蹤、充電技術(shù)等。部分研究者在接收端增加了光信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換電路，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)和能量的同時(shí)傳輸。

在視距內(nèi)，激光能量無(wú)線傳輸受環(huán)境、天氣等因素的影響較大。圖1為大氣的吸收光譜[12]，從中可以看出，500～1 500 nm、3～4μm、8～13μm波段內(nèi)的大氣透射率較高，但3～4μm和8～13μm對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的激光器技術(shù)尚未成熟，一般選擇500～1 500 nm波段。

從能量轉(zhuǎn)換效率的角度來(lái)看，能量經(jīng)過(guò)電—光—電的轉(zhuǎn)換，總體的能量轉(zhuǎn)換效率主要受到激光器的電光轉(zhuǎn)換效率、傳輸路徑的損失、光伏電池的轉(zhuǎn)換效率、管理電路的轉(zhuǎn)換效率等因素的影響，整體效率的評(píng)估需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析。其中，激光器和光伏電池的效率是整個(gè)系統(tǒng)的核心，管理電路主要是解決如何將不穩(wěn)定的光伏電池輸出轉(zhuǎn)化為可用的電能，而傳輸路徑的損失受距離、大氣吸收、天氣等不可控因素的影響較大。

2 光伏電池

光伏電池是激光供能的核心元件。根據(jù)光生伏特效應(yīng)，材料吸收了光子，使得價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子。光子能量：

E=hν

其中，h為普朗克常量，ν為光的頻率（ν=c/λ，c為光速，λ為波長(zhǎng)）。若發(fā)生光生伏特效應(yīng)，要求光子能量大于等于禁帶寬度，否則沒(méi)有足夠的能量激發(fā)電子。光電池禁帶寬度Eg對(duì)應(yīng)的截止波長(zhǎng)：

λc=hc/Eg

圖2為不同光伏電池的光譜響應(yīng)特性[12]，從中可以看出不同材料光電池的光波范圍不同，小于材料特定的截止波長(zhǎng)。其中，III-V族化合物砷化鎵（GaAs）電池的轉(zhuǎn)換效率最高，理論上超過(guò)了50%，已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)最高轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到61.2%，在810 nm附近轉(zhuǎn)換效率最高;但是，砷化鎵（GaAs）電池售價(jià)昂貴，是Si太陽(yáng)能電池的10倍以上，不適合大范圍應(yīng)用。AlGaAs與GaAs類似，轉(zhuǎn)換效率略低，光譜范圍在600 nm以下。Si太陽(yáng)能電池最為常見(jiàn)，分為單晶硅電池和多晶硅電池，盡管其轉(zhuǎn)換效率相對(duì)不高（低于40%），但是Si太陽(yáng)能電池成本低、制造工藝簡(jiǎn)單、電池使用壽命長(zhǎng)、可靠性高，在激光供能領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

楊鵬、孫浩等[13-14]對(duì)比研究了在激光照射下單晶硅、GaAs等光伏電池的開(kāi)路電源、短路電流、最大輸出功率、填充因子、轉(zhuǎn)換效率等方面的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)了砷化鎵（GaAs）電池的優(yōu)越性。此外，他們還分析了輸出激光強(qiáng)度、波長(zhǎng)、入射角等參數(shù)對(duì)輸出性能的影響。在高功率激光長(zhǎng)期照射下，會(huì)對(duì)光伏電池產(chǎn)生不可逆的損傷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：導(dǎo)致光伏電池受到損傷的激光功率具有一定的閾值[15-16]。

3 激光供能對(duì)比分析

表1總結(jié)了目前激光供能方面的研究情況[17-21]，從中可以發(fā)現(xiàn)，砷化鎵（GaAs）電池的轉(zhuǎn)換效率高，國(guó)內(nèi)報(bào)道指出砷化鎵（GaAs）電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到57.9%，而硅電池的最大轉(zhuǎn)換效率為27.7%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，接收端光伏電池的輸出較低，對(duì)于耗電量大的無(wú)人機(jī)、無(wú)人車等系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期供電;但是，對(duì)低功耗的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其功耗在mW級(jí)別，完全可以滿足供電需求。

4 激光供能技術(shù)的挑戰(zhàn)

提高激光供能系統(tǒng)輸出功率的方法，除了選用高轉(zhuǎn)換效率的砷化鎵（GaAs）電池，還可以在發(fā)射端增加電流，提高激光的發(fā)射功率。然而，高功率的激光會(huì)嚴(yán)重?zé)g光伏電池，對(duì)它造成不可逆的損傷。研究表明：光斑較小時(shí)對(duì)電池的整體性影響不大，但達(dá)到3 mm光斑時(shí)，會(huì)對(duì)晶體硅造成損壞。張宇的研究表明平均功率大于5.5 W/cm2時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池性能出現(xiàn)不可逆的衰退，激光功率密度越高，衰退越嚴(yán)重[17]。因此，激光供能系統(tǒng)的輸出功率就出現(xiàn)了增長(zhǎng)瓶頸。在接收端增加散熱降溫裝置，能夠適當(dāng)緩解燒蝕現(xiàn)象，但也會(huì)增加電能消耗。

激光傳電的特點(diǎn)在于激光的單向性和能量的聚集性，因此在遠(yuǎn)程能量無(wú)線傳輸方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但是在超長(zhǎng)距離的條件下，激光的衰減是一個(gè)較大的問(wèn)題。激光的光強(qiáng)與傳輸距離的平方成反比，同時(shí)能見(jiàn)度和天氣情況也是影響激光衰減率的關(guān)鍵因素。周瑋陽(yáng)在研究無(wú)人機(jī)的激光充電時(shí)指出，若滿足無(wú)人機(jī)6 h的電力時(shí)，12 km的高空要有95%以上的無(wú)云遮擋概率[3]。因此，不同的季節(jié)云量差別大，對(duì)無(wú)人機(jī)的激光充電技術(shù)影響很大。

激光的發(fā)散會(huì)使得光斑擴(kuò)大，因此需要聚焦元件、準(zhǔn)直元件、光伏眼元件等，也要考慮接收端光伏電池的受光面積。實(shí)驗(yàn)研究表明：激光光斑在分布較好地覆蓋整個(gè)光電池陣列時(shí)，全部的光電池發(fā)生光伏作用，能最大限度地進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，整體光電轉(zhuǎn)換效率較高;若只是照射一部分，則其他部分發(fā)電功率低，會(huì)降低整體轉(zhuǎn)換效率。因此，考慮激光發(fā)散角的同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)束，使光電池陣列全部覆蓋。

隨著無(wú)人機(jī)、無(wú)人車在軍民領(lǐng)域的應(yīng)用普及，激光供能技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別、跟蹤和對(duì)準(zhǔn)將成為重要的研究熱點(diǎn)，特別是對(duì)超遠(yuǎn)距離、高速目標(biāo)的跟蹤系統(tǒng)的軟件和硬件的要求更高，同時(shí)會(huì)大幅增加成本，因此急需研發(fā)低成本的跟蹤和對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了目前激光供能技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)比研究了光伏電池的性能，得出砷化鎵（GaAs）電池具有優(yōu)異的性能，分析了國(guó)內(nèi)在激光供能方面的研究，普遍存在傳輸距離近、功率低的問(wèn)題，總結(jié)了激光供能系統(tǒng)在激光燒蝕、超長(zhǎng)距離充電等研究領(lǐng)域存在的挑戰(zhàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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