基于激光无线供能系统的传输效率分析

［周丹］

基于激光无线供能系统的传输效率分析

［周丹］

摘要为了研究一款激光无线供能系统的传输效率，系统地分析了系统的组成模块及影响传输效率的因素，最后对提高系统传输效率提出了解决方案，高电光转换效率的半导体激光器、减小透镜损耗、高转换效率的多结砷化镓薄膜太阳能电池等都会提高整个系统的传输效率。

关键词：激光 无线供能 光电池 转换效率

周丹

女，重庆邮电大学，光电工程学院，电磁场与微波工程研究所研究室2，硕士研究生。

引言

随着各项技术的成熟与突破，无线供能在通信、工业、医疗、电力、航空航天、节能环保等领域呈现良好应用前景[1]。近年来，全球无线供能的市场规模逐年递增，不久，电力传输就会迎来一个“无线”时代。

实现无线供能的方法大致有两种，一种是两个线圈的电磁感应方法，另一种是将电能以激光或者微波的形式。2012年7月，美国开发了利用激光充电技术为无人机充电的激光充电系统，并进行了相关测试[2]； 2013年5月，装备了世界首款激光充电系统的垂直起降飞机进行首次飞行。由于无人机的提出，激光充电技术得到越来越多的关注也愈发成熟。而它也因其激光方向性好，系统设备简单、使用方便，不易对周围无线通信系统造成干扰，可用于太空或沙漠特殊环境等优点得到很多研究人员的青睐。

传输效率作为激光无线供能的关键性指标，目前研究的系统传输效率可达18%左右。本文建立了一种利用高效光电池实现光电转换的激光无线供能系统，本文主要针对整个系统的传输效率及其的提高进行研究分析，对提高系统传输效率提出了解决方案，高效的半导体激光器、低透镜损耗、高转换效率的光电池等都会提高整个系统的传输效率。

1　系统设计与分析

整个供能系统由激光器、光电池、充电电路以及相应的光学装置等组成。该装置的能量的转换效率和装置间的传输效率等因素起了关键性的作用系统结构如图1。

图1　激光无线供能系统结构示意图

激光器作为发射端的关键部件，它的光电转换效率、激光波长、功率、光斑形状等性能参数都将直接影响整个系统的效率。目前常见的激光器有气体激光器、半导体激光器和固体激光器等。为了更好的接收到激光光束使光束能够准直均匀地照射到光电池全表面，我们要对激光光束进行扩束准直。常见的扩束准直系统主要有双凸透镜组合、凹凸透镜组合、棱镜组合等。

光电池作为接收端是将高密度的入射单色光直接为负载供电的。除了工艺相对成熟的单晶硅、多晶硅、非晶硅等太阳能电池，砷化镓（GaAs）、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）等化合物薄膜太阳能电池及薄膜Si系太阳能电池作为第三代太阳能电池近年来发展迅速。

充电电路要具备储能、升压、整流的功能，包括电能储存单元、升压稳压单元、充电控制单元，使电路可以输出稳定的电流、电压实现一定的供能功能，将光电池接收到激光光束转换为电能并加以输出。

2　影响传输效率的因素分析

激光供能系统的能量转化效率η：

式中η1—激光器的电-光转换效率；

η2—激光在空间中的传输效率；

η3—光学装置的传输效率；

η4—光电池的光-电转换效率。

（1）通常情况下，半导体激光器的电光转换效率约为40%-70%，输出波长范围532-950nm;以二氧化碳激光器为例的分子气体激光器的电光转换效率达10%-25%（离子激光器的转换效率较低），激光波长10.6um；以掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器为例的固体激光器的电光转换效率约为5%，输出激光波长为1064nm。综合考虑系统需要连续、稳定、大功率的输出要求，系统选用半导体激光器，通常取η1=45%。

（2）激光发射出光束，在大气中的传输与控制会受到天气、环境等因素的影响,出现吸收、散射、扩散等现象,也会影响激光的传输效率。选择激光波长时应尽量避开水蒸气、CO2的吸收波长[3]。考虑到目前传输距离较小，且选在了常温下的室内，可认为激光在空间中的传输效率η2=1。

（3）由于激光光束具有发散角，会造成在传输过程中能量的损耗，当激光光束没有全部照射到电池板时阴影部分会产生暗电流也会影响光电池的光电转换效率，为了更好的接收到激光光束使光束能够准直均匀地照射到光电池全表面，我们要对激光光束进行扩束准直。因此根据光电池的尺寸、传输距离和发散角等来设计扩束准直系统，本系统中采用两个共焦的双凸透镜组合形式准直，焦距分别为f1、f2，如图2[4]。

图2　扩束准直系统示意图

设激光光束束腰为w0，光束的共焦参数经透镜L1后束腰变w1，发散角由θ0扩大到θ1，经透镜L2后束腰变w2，发散角由θ1缩小到θ2。根据高斯光束性质可知最后射出的光束束腰半径其中λ为光束波长。w2随着w1减小而增大[5]，从而实现扩束，该装置的扩束比：

其中准直过程中能量损耗主要由透镜造成，用光功率计测出经透镜L1前后的光功率P1、P1‘，经透镜L2前后的光功率P、P’，即22

（4）为了尽量获取更多的电力，高效率是光电池最重要的指标之一。光电池的光伏发电能力与所受光的波长有关。频谱特性是光电池输入输出特性的重要指标之一。特别是作为激光能量接收器的光伏装置，所用激光器的波长与光伏电池的光谱响应特性的配合对于提高输送效率十分重要。

光电池的光电转换效率[6]为最大输出功率与照射到电池上的入射光功率之比，理论值为：

式中 Pm―为最大输出功率；

Pi―为入射光功率；

Um―为光电池最大工作电压（即最大输出功率下的输出电压）；

Im―为最大工作电流；

A―为光电池的有效面积；

Pin―为单位面积的入射光功率一般取1kW/m2。

光电池的光电转换效率与电池的结构、材质、特性、放射性粒子辐射损伤和工作环境等有关，尤其是其半导体材料禁带宽度。禁带宽度会直接影响短路电流和开路电路的大小，材料禁带宽度大小与短路电流的大小成反比，与开路电压成正比[8]。

3　转换效率提高的措施

造成整个系统传输效率低的原因主要有发射端电光转换效率较低、透镜损耗、光电池转化效率偏低等。从以上分析可以看出，短距离能量传输忽略大气中的损耗，光电池对激光的接收效率还有待提高，为了提高整个系统的传输效率，必须对各个环节进行优化设计，选用高效的器件，达到系统的最高传输效率。

（1）考虑到该系统需要连续、稳定、大功率输出的要求和光电池的最大灵敏度，选用波长800nm左右波长半导体激光器。近年来，国内外均将研究开发新型高功率、高光束质量的大功率半导体激光器作为一个重要研究方向，作为大功率半导体激光器的关键技术之一的半导体激光芯片外延生长技术也取得了重大进展。采用应变量子阱结构来提高大功率半导体激光器的光电性能，降低了器件的阈值电流密度，并扩展了GaAs基材料系的发射波长覆盖范围；采用无铝有源区提高了激光芯片端面光学灾变损伤光功率密度，提高器件的输出功率，并增加了器件的使用寿命；采用宽波导大光腔结构增加了光束近场模式的尺寸，减小了输出光功率密度，从而增加了输出功率，并延长了器件寿命；采用了非对称波导结构减小器件的光损耗[7]。目前，电光转换效率现在最好的公司大约可以做到60%左右，实验室可以做到70%以上了。预计在不久的将来，半导体激光器芯片的电光转换效率能达到85%以上。这将带来整个传输系统的传输效率提高。

（2）考虑到同等焦距能力条件下，双凸透镜的球差比平凸透镜的小些，故选择两个双凸透镜的组合，一定程度上还可以增大传输距离。光线通过透镜后，一部分光能量被吸收、反射和散射造成损耗，即反射率+吸收率+透射率=1。透镜选择也尤为重要，因此为了减小这部分损失，扩束准直系统中的透镜应尽可能的选择如超白玻璃、石英玻璃这样透明系数高、光洁度高的材质或者在透镜表面镀一层相应光学薄膜来减少光的反射和散射；

（3）目前广泛应用的是硅电池。在大气条件为AM1.5的条件下测试，硅光电池的理论光电转换效率可达24.8%左右，目前商品硅光电池的光电转换效率一般为12%～20%。而单结的砷化镓电池理论效率达到27%，而多结的砷化镓电池实验室理论效率更超过50%（来自IBM公司数据），实际转换效率也达到了30%以上。各种太阳能电池的理论最高转换效率见表1。

表1　各种太阳能电池的最高转换效率

硅光电池和砷化镓电池的光谱响应特性曲线如图3[8]，由图可知砷化镓电池的有效光波长范围为400～980nm，最大灵敏度在800nm～850nm左右；硅光电池的有效光波长范围为400～1100nm，最大灵敏度在800nm～900nm左右。

太阳能电池的光电转换效率作为衡量电池质量和技术水平的重要参数，其中与制造电池半导体材料禁带宽度的关系最为直接。砷化镓的禁带较硅为宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。考虑到高转换效率、耐高温等优点，多结砷化镓薄膜太阳能电池可使系统获得更高的传输效率。研究表明目前GaAs光伏电池的转换效率高达50%，不仅可以提高整体的能量传输效率还可以降低对激光器输出功率的要求。实际实验中尽量选择尺寸偏小的光电池，使电池最大面积的接收到激光光束。

当太阳能电池的短路电流、开路电压和填充因子都达到最大值时，其转换效率可达最高。但实际上几个参数相互制约，同时还受材料质量的影响。从提高短路电流上考虑，主要包括光吸收和光谱响应两方面。在硅电池表层中，少数载流子的寿命极低，表层吸收短波光子所产生的光生载流子对电池的光电流输出贡献甚微，即“死层”。为了改善电池的短波光谱响应，可将发射结结深做浅以减少“死层”的影响。在电池表面加上有纹理的减反射膜，也可在较宽波长范围内增大光能的吸收量，也进一步提高了短路电流。近年来，背面点接触结构的电池及配套工艺在国外广泛研究。这些新工艺、新技术已在高效电池中得到应用，并取得了较好的效果。

图3　太阳能电池的光谱响应曲线

4　结论

通过对激光无线供能传输效率的研究与分析，激光无线供能技术具有一定的可行性，目前传输过程能量损耗较大，传输效率较低但通过系统优化整个系统的传输效率还有很大的提升空间。目前，高效率的半导体激光器、GaAs电池等都会对激光无线供能传输效率有所提高，将来随着光电、电光转换技术的不断发展以及更加新型高效的激光器和光电池的出现，都会使供能系统能量传输效率将从根本上得到提高。

参考文献

1陈骞. 国外无线电力传输技术进展[J].上海信息化, 2014（,1）：86-87

2PALMDALE,Calif. Laser powers lockheed Martin’s stalker UAS For 48 hours[EB/OL].http://www.suasnews. com/2012/07/17494/laser-powers-lockheed-martins-stalkeruas-for-48-hours/,2012,7

3刘波涛. 大气对激光传输的影响[J]. 光散射学报，2007,19 （1）:43-48

4樊丽娜，朱爱敏，刘琳.激光扩束望远镜的光学设计[J].红外，2007,28（8）：20-22

5乔良，杨雁南.激光无线能量传输效率的实验研究[J].激光技术，2014,38（5）：590-594

6王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社,2005

7马晓宇，王俊，刘素平.国内大功率半导体激光器研究及应用现状 [J].红外与激光工程，2008,37（2）：189-194

8王建平，程羽.一种利用太阳能的激光供能方法[J].能源技术, 2007,28（2）：98-101

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.016

收稿日期：（2015-12-21）