激光无线能量传输接收装置研究

张建德 郭春辉 于闳飞

（山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670）

1 引言

激光无线能量传输技术可以广泛应用于航空航天领域［1-4］（如空间太阳能电站［5］、无人机无线供能等）。因此，激光无线能量传输技术越来越受重视。在激光无线能量传输技术［6-9］的应用中，传输效率是无线能量传输的关键指标。而影响激光无线能量传输效率的因素包括激光器的电光转换效率、空间传输损耗和接收装置的转换效率。其中，接收装置的转换效率是影响激光无线能量传输效率的主要因素。日本近畿大学在2006年利用激光能量传输给风筝、直升机进行激光供能试验［10］。当以200 W 激光器输出时，风筝获得了42 W 功率。

传统的太阳能发电系统以太阳光作为能源具有光强分布均匀的特点，并且光电池板的尺寸不受光斑大小的约束。而激光无线能量传输由于激光光斑能量分布不均匀，光电池板形状受激光光斑形状约束，传统的光电池板设计无法满足激光无线能量传输光电转换应用需求。

本文在分析光电池布局对光电转换效率影响的基础上，主要针对激光无线能量传输光斑能量分布不均匀的特点，结合光电池最优布局和最大功率跟踪技术，提出了一种高转换效率的光电池接收装置，并进行了试验验证。

2 理论设计

在激光无线能量传输技术的实际应用中，由常规单片光电池构成的光电池板是无法满足输出功率的要求。因此，光电池板必须采用光电池串并联结构才能满足输出功率要求。为了获得较高的光电转换效率，需要采用光电池最优布局和最大功率跟踪技术设计接收装置。

2．1 光电池最优布局

1）光电池串联最优布局设计

在光电池接收装置中光电池单元的串联特性参数包括：开路电压Voc和短路电流Ⅰsc、最佳工作电压Vmp、最佳工作电流Ⅰmp、最大输出功率Pmp。

由于激光光斑能量分布不均匀的特性，光电池板的每一片光电池的特性参数均不一致。对特性参数不一致的光电池组件，分别取光电池单元中最小的Ⅰsc＿i、Ⅰmp＿i作为整个支路的Ⅰsc、Ⅰmp。对光电池单元有

式中：Voc＿n为第n个光电池的开路电压；Vmp＿n为第n个光电池的最佳工作电压；Ⅰsc＿n为第n个光电池的短路电流；Ⅰmp＿n为第n个光电池的最佳工作电流；n表示串联光电池的编号。

光电池单元的理想输出功率为

光电池单元的最佳输出功率为

由式（2）、（4）和（6）得，光电池串联的最大输出功率主要由单片光电池的最小输出电流决定。因此在进行串联光电布局设计时尽可能地布置在光强分布相同的位置。

2）光电池并联最优布局设计

对整个光电池阵列，分别取所有并联支路中最小的Vo＿j，Vm＿j作为整个方阵的Vo，Vm。对整个方阵有

式中：Vo＿j为第j串联支路的开路电压；Vm＿j为第j串联支路的最佳工作电压；Ⅰs＿j为第j串联支路的短路电流；Ⅰm＿j为第j串联支路的最佳工作电流；j表示串联支路编号。

因此，整个方阵理想输出功率

整个方阵最佳输出功率

整个方阵最佳转换效率

式中：Plaser为激光器发射光功率。

在激光无线能量传输实际应用中，需要采用二维转台跟瞄对准进行无线能量传输，由于存在跟瞄精度的问题，将会产生阴影效应。此时每一个支路需要串联一个二极管，可防止位于阴影区的电池片受损坏。

3）光电池最优布局设计

激光光斑的能量分布属于高斯分布，即中心光照强度最强、边缘光照强度最弱。因此，光电池进行布局设计时，其最优布局设计是尽量把串联的光电池布置在相同光照强度的位置。

如图1中光电池板由4组光电池单元组成，每个光电池单元分别由16片光电池串联而成，各光电池单元中光电池数目相等，从而让各光电池单元输出电压相等。由于光电池长宽尺寸不相同，因此光电池板进行纵横不对称设计。这种布局方式一方面可以减少光斑能量不均匀对光电池光电转换效率的影响；另一方面由于跟瞄对准过程中跟瞄精度使得光斑在光电池板上发生偏移，此时只有外围一组光电池单元因未照射到光没有输出，不影响其他被照射到的光电池单元的输出，降低了跟瞄精度对光电池板的整体输出功率的影响。

图1 光电池布局示意图Fig．1 Optimal layout of the cell

2．2 最大功率跟踪技术

本文采用扰动观察法实现最大功率点跟踪。扰动观察法是控制DC／DC 转换器改变输出端的电压，不断地变动光电池的输出电压来跟踪最大功率点，当到达最大功率点附近之后，其扰动并不会停止，而会在最大功率点左右振荡，因此造成能量损耗并降低光电池的效率；尤其是在气候条件变化缓慢时，能量损耗的情况更为严重，这是因为气候条件变化缓慢时，光电池所产生的电压及电流变动并没有什么太大的变化，而此方法仍然会继续扰动以改变其电压值而造成能量损失，此为扰动法的最大缺点。

激光无线能量传输系统在采用跟瞄系统进行跟瞄对准无线能量传输时，由于存在跟瞄精度，激光光斑在光电池上是晃动的，此时外界条件变换快速，光电池产生的电压及电流变动明显，因此不会出现能量损耗严重的现象。

2．3 接收装置设计

由于光电池的输出特性具有非线性特征，其输出跟光照强度、温度和负载有很大的关系。激光无线能量传输接收端的激光光斑能量分布是不均匀的，因此光电池接收装置的每一片光电池的输出特性是不同的。在进行光电池串并联设计时，需要根据光斑能量分布进行合理的光电池布局设计。负载同样对光电池的输出功率具有很大的影响，为了把负载与光电池进行隔离，并得到最大的功率输出，本文采用最大功率跟踪技术进行优化设计。光电池接收装置主要由光电池阵列和能源管理单元构成，如图2所示。

图2 接收装置组成框图Fig．2 Fame of receiver device

其中，光电池阵列采用光电池最优布局方法进行串并联设计；能源管理单元由二极管和最大功率跟踪模块组成。光电池板是由j个光电池单元并联构成，其中光电池单元是由n个光电池串联构成。整个接收装置的转换效率为

式中：ηm为光电池板的最佳转换效率；ηe为能源管理单元的转换效率。

3 实验系统设计

3．1 实验系统构成

本实验系统主要由半导体激光器、光电池板和能源管理单元构成，如图3所示。实验过程中，激光光斑正好完全覆盖光电池板上的光电池片，并且光电池板背面安装散热片通过风冷进行散热。同时考虑空间应用，光电池板背面可采用表面发黑处理、填充导热材料等高可靠性的导热和辐射方式进行散热。

图3 激光无线能量传输系统原理图Fig．3 Laser energy transmission system

1）半导体激光器

本实验中选用的半导体激光器的主要参数为：输出波长为808nm，最大输出光功率为100 W，光纤芯径为200μm，数值孔径（NA）为0．22（数值孔径用来描述光进出光纤时的锥角大小，不同厂家生产的光纤的数值孔径不相同）。

2）光电池板

光电池板是由下列元器件组成：光电池片、电极和基板，如图4所示。光电池板由224片光电池组成，共分为14路输出，每一路16片光电池。基板采用镁锂合金材料，不仅具有良好的散热效果，还能够有效地减轻光电池板质量。

图4 光电池板实物图Fig．4 Optical-electro conversion device

3）能源管理单元

根据设计要求，能源管理单元具有14路输入对应光电池板的14路输出，经过二极管后合并成一路输入最大功率跟踪单元，通过扰动控制算法保持最大功率输出。光电池最大功率跟踪单元的输入电压为7～40V，输出电压必须高于输入电压，可以根据需求调节输出电压的范围为输入电压到40V。

3．2 实验结果及分析

测试条件为在室内无强背景光条件下，光电池板温度恒定在25 ℃左右，采用808nm 的半导体激光器直接照射光电池板，由于激光器功率较小，为了保证光照强度，使得光斑刚好覆盖光电池板中心两组光电池单元。光电池板的光电转换效率受温度、光照强度和负载阻抗的影响，此时将集中反映到输出电压上，因此不同的输出电压对应着不同的转换效率。图5是在不加能源管理单元时，光电池板的输出电压与转换效率的关系，横坐标为光电池板的输出电压，纵坐标为光电池的光电转换效率。当光电池板的输出电压为15．5V 时，其光电转换效率最大达到31．3%。

为了能够在实际应用中始终获得最大的光电转换效率，本设计采用最大功率跟踪方法自动调节光电池板输出电压，使得光电池板在不同的光照强度、温度和负载阻抗的条件下保持最大输出功率。为了模拟激光无线能量传输的实际应用场景，把半导体激光器的发射端放在二维转台上，使得激光光斑在光电池附近来回抖动，此时光电池板输出电压和输出电流快速变化，能源管理单元能够自动快速进行最大功率跟踪，解决了扰动法最大功率跟踪的缺陷。

能源管理单元具有调节输出电压的作用，在输入电压和输出电压转换过程中会有能量损耗。为了更明确地说明能源管理单元的功能和性能，设置能源管理输出电压为20V，此时输入电压与能源管理单元的转换效率的关系如图6 所示。输入电压为8～16．5V 时，能源管理单元的转换效率随着输入电压的增大而增大；输入电压大于16．5V 时，由于能源管理单元内部开关频率变高引起开关损耗变大，因此能源管理单元的转换效率下降。

激光无线能量传输接收装置的转换效率是由光电池板的光电转换效率和能源管理单元的转换效率共同决定的，并且主要由光电池板的输出电压决定。当光照强度和温度保持不变，此时能源管理单元的输入电压始终保持在15．5 V，其转换效率为94．5%，由式（14）可得接收装置的转换效率为29．6%。因此，采用能源管理单元对光电池板功率进行跟踪，能够有效地提高整个接收装置的转换效率。

图6 能源管理单元输入电压与转换效率的关系Fig．6 Output characteristics of energy management unit

4 结论

能量接收装置是激光无线能量传输系统的重要组成部分，其具有如下特点：①激光无线能量传输过程中激光光斑能量分布不均匀，能量接收装置能够在非均匀的光照强度下，通过对光电池合理布局，有效降低光照强度不均匀对接收装置转换效率的影响；②外界条件（光照强度、温度和负载）的改变都将影响光电池的输出特性，能量接收装置能够在外界条件发生变化时，通过采用最大功率跟踪技术，始终保证最大功率输出。

本文通过对激光无线能量传输过程中影响接收装置效率的因素进行分析，采用光电池串并联最优布局和扰动观察最大功率跟踪技术，设计了一种高效率的光电池板和能源管理系统；测试结果表明该技术可解决激光无线能量传输动态能量获取问题，获得高达29．6%的动态转换效率。因此，本文的研究成果对动态激光无线能量传输系统高效光电转换装置设计具有工程应用价值。

（References）

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