CN103124108A - 一种相干光无线传输能量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于信息领域，涉及一种相干光无线传输能量的方法，包括：在能量的发送端，利用能量激励激光源，使其产生激光光束；将激光光束调整为平行光光束并进行无线传输；在接收端，利用能量接收器将光能转换为电能输出。本发明同时提供一种相干光无线传输能量的装置。本发明能够能够高效、小型化、无线能量传输，使得传输能量的成本大大降低。

Description

一种相干光无线传输能量的方法及装置

所属技术领域

本发明属于信息领域，涉及一种远距离无线传输能量技术。

背景技术

目前需要电池驱动的用电器越来越多，特别是由于无线传感器网络（WSN）、RFID等技术的广泛应用、以及环境无线监测和物联网的兴起，这些远程节点终端的续航能力就成为一个关键问题。相当多的场合下，这些无线节点或标签需要持续工作若干年、甚至十年以上。单单依靠电池的进步是不能够完全解决此瓶颈问题。去除电量问题外、电池的体积和重量也是这些应用的一个关键制约。

空间开发和和平利用太空成为全世界的关注热点，也关系到国家的重大利益和安全。随之兴起为特定临时目的而由空间站（或主卫星）发送出去的微卫星编队。由于微卫星尺寸和重量限制，电源的续航能力成为执行任务寿命的一个关键制约。

如此等等诸多应用，使得无线输能技术方兴未艾。早在一百多年以前大科学家特斯拉就曾长期努力致力于电能无线输送的研究，但没有成功。上世纪六十年代美国开始进行微波输能（Microwave PowerTransmission，MPT）的研究，由于无线终端的大量使用，MPT成为最近十年的热点研究领域之一。2007年美国MIT的学者在世界最著名学术杂志SCIENCE上发表了利用磁场谐振（Magnet Resonance Technique，MRT）原理来实现能量的无线输送。目前MPT和MRT是主要的两个可以实现能量无线输送的技术，在世界范围内引起了关注。

无线传输电能的技术可以为我们的日常生活提供更加安全便捷的生活方式：首先没有各种插头和插座，从而在根本上避免了接触不良、插拔困难等现象。其次有线的电力传输中，由于各种连接线的接触会产生电火花，从而引发火灾或者爆炸，而无线电力传输则完全避免了这一点。最后由于没有了裸露在外的电线接头，避免了触电的发生。让我们再来看看日常生活以外的。在野外工作时，由于电力传输线路存在机械接触，因此多多少少都会存在发生线路故障的隐患。而无线电力传输由于没有了这些线路的存在，不仅电力传输更为可靠，而且还完全避免了摩擦、腐蚀、天气、灰尘等等多种不利于有线电力传输的因素。而且在野外，无线电力传输将会极大的节省电力传输的成本，因为在现行的情况下，电力传输的线路架设成本往往是用电设备成本的数倍甚至数十倍。

随着越来越多的飞机、卫星、军舰都将通过无线传输的方式实现能量的补充，整个陆、海、空、天装备的电源接口将自动对应，电能传输将跨越时间和距离的限制。可以说，只要武器装备没有故障，它就能永久地战斗下去，真正实现智能化持续作战。未来，谁能实现对整个战场电能的补充和控制，那胜利的天平必然会倾向哪一方。到那时，一场新的军事变革必然到来。

在民用领域，富尔顿、劲量、苹果、诺基亚、三星等国际知名厂商都投入大量资金研发无线充电技术。国际无线充电联盟的成员企业由最初的十几家增加到现在的一百多家。有专家预计，到2015年，全球支持无线充电功能的设备将增至1亿部以上。可以预见，一个无线充电的时代即将来临。

在军事领域，以美国为首的各军事强国也在争先恐后地研发无线充电技术。据称，美国防部高级研究计划局已投入五六百万美元，用于研发无线充电技术，初步设定无线充电距离为50英尺（约15米）。可以想象，随着技术的成熟和距离的延长，战场上的武器装备将摆脱电线的束缚和距离的限制，机动能力和持续作战能力将大大提升。战士们外出执勤或作战，再也不用携带一堆的充电器和数据线，更不用担心GPS设备、电台等因为没有电能而无法工作。他们只需随身携带无线充电电池，不管在基地或战场的任何角落都可以随时充电。

尽管MPT和MRT世界范围内异常火爆，但其致命弱点是能量传输效率极低！根据MIT学者发表的论文，传输两米距离其空间能量衰减就高达90%以上！也就是说发送方发送出一瓦的功率、到了接收端只有0.1瓦！这还没有将接收端的能量转换效率计算在内！对于MPT来说，空间能量衰减简单公式为空间

衰减（分贝）=22+20LOG（距离/波长）

比如蓝牙使用的频段（自由空间波长～12厘米），利用MPT发射出一瓦能量、传输到1.2米远的地方，空间衰减高达42分贝以上！也就是说接收端整流天线只能够接收到约1/20000瓦的能量！这还没有考虑到整流天线的转换效率。

考虑到MPT和MRT接收端的转换效率，文献表明接收端的尺寸和接收到的能量成正比。因此，基于这两种技术的接收端很难小型化。

因此，迫切需要有新的高效小型化无线输能技术。

发明内容

为避免有线传输电能的高成本与安全隐患，克服已有能量无线传输技术空间衰减巨大的缺点,同时提高无线方式传输电能的安全程度，尽量避免电磁辐射方式的危害与隐患，并实现高效小型化无线输能，本发明提出一种利用相干光（激光）来进行能量的无线传输的方法及装置。本发明的技术方案如下：

一种相干光无线传输能量的方法，包括下列步骤：

（1）在能量的发送端，利用能量激励激光源，使其产生激光光束；

（2）将激光光束调整为平行光光束并进行无线传输；

（3）在接收端，利用能量接收器将光能转换为电能输出。

作为优选实施方式，步骤（1）中所述的能量为太阳能或电能，若为太阳能，则先利用光伏电池板作为能源收集器，将其转换为电能，再利用电能激励激光源；若需要在普通大气空间传输能量，则使用能够产生近红外激光光束的激光源；若需要在深海传输能量，则使用能够产生蓝光光束的激光源；步骤（2）中，利用凸透镜结构将激光光束调整为平行光光束；在接收端，利用凹透镜结构扩大其照射到能量接收器上的光斑的尺寸；所述的能量接收器为光电二极管阵列或光伏电池板。

本发明同时提供一种相干光无线传输能量的装置，包括位于能量的发送端的激光源和位于能量的接收端的能量接收器，其中，所述的激光源被待传输的能量激励后所产生的激光光束，被调整为平行光光束并进行无线传输，在能量的接收端，通过能量接收器，将传输来的光能转换为电能并输出。

作为优选实施方式，待传输的能量为太阳能或电能，若为太阳能，则先利用光伏电池板作为能源收集器，将其转换为电能，利用电能激励激光源；若需要在普通大气空间传输能量，则使用能够产生近红外激光光束的激光源；若需要在深海传输能量，则使用能够产生蓝光光束的激光源；所述的装置还包括位于能量的发送端的凸透镜结构，用于将激光光束调整为平行光光束；所述的装置还包括位于接收端的凹透镜结构，用于扩大接收到的平行光光束照射到能量接收器上的光斑的尺寸；根据权利要求5所述的相干光无线传输能量的装置，所述的能量接收器为光电二极管阵列或光伏电池板。

本发明将能量转换为可以无线输送的激光光束，利用已经成熟，并可以实现小型化的能量转换技术，实现高效、小型化、无线能量传输。可应用于民用、军工、航天航空、深海技术等众多领域。例如，对于深海探测技术的推广而言，采用本发明的无线传输能量的方法和装置，既避免了广域海洋范围的缆线铺设高昂的费用，又能大幅度降低工程成本，无疑此项技术将会为海洋工程的推进提供更加迅猛的技术支撑。

附图说明

图1本发明的无线传输能量装置的结构示意图。

附图标记说明如下：

1光伏波或其他电源；2激光源；3凸透镜；4凹透镜；5光伏波或光电二极管阵列；电压或电源输出

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

本发明的技术方案为：根据实际应用需求，先将能量激励标准的相干光（激光）源后转换成为相干光（激光），相干光（激光）的空间聚焦力很强。激光在传输一公里以上其空间衰减不到10分贝。在接收端使用光电转换二极管或光伏电池来转换接收到的相干光（激光）能量。由于相干光（激光）光斑可以做的很小、而现在的光电转换二极管（或光伏板）的尺寸也可以很小且效率也高，就实现了高效小型化的无线能量传输。

参见图1，本实施例利用光束在普通大气空间传输能量，利用多晶硅光伏电池板1作为能源收集器，用光伏电池板光电转换后的电信号激励一定规格的激光源2（也可以直接用其他电源激励激光源），产生近红外光光束，在光路中放入高品质的凸透镜装置3，使得具有一定发散趋势的激光，经透镜后调整为平行光光束。根据激光功率密度的大小和接收装置的尺寸适当选择是否在平行光光路的终端放置凹透镜4，以提高光斑尺寸，使得接收装置实现最大有效接收面积，以提高能量获取效率。此处，能量接收器可以采用光伏电池5，实现一定的电压输出信号6，激励可用负载；也可以采用光电转换二极管阵列实现电流信号输出。

上述实施例中，采用近红外光光束，能够尽量少的被光路传输过程中的空气、水分所吸收，因此穿透力更强，更有利于远距离传输能量。如果将本发明的方法和装置用在深海探测中，光束需要穿越深海水域，最好能够改变激光源，使其生成蓝光光束，因为海水对蓝光的吸收最少，可以尽量减少损失。

Claims (12)

1.一种相干光无线传输能量的方法，包括下列步骤：

（1）在能量的发送端，利用能量激励激光源，使其产生激光光束；

（2）将激光光束调整为平行光光束并进行无线传输；

（3）在接收端，利用能量接收器将光能转换为电能输出。

2.根据权利要求1所述的相干光无线传输能量方法，其特征在于，步骤（1）中所述的能量为太阳能或电能，若为太阳能，则先利用光伏电池板作为能源收集器，将其转换为电能，再利用电能激励激光源。

3.根据权利要求1所述的相干光无线传输能量方法，其特征在于，若需要在普通大气空间传输能量，则使用能够产生近红外激光光束的激光源；若需要在深海传输能量，则使用能够产生蓝光光束的激光源。

4.根据权利要求1所述的相干光无线传输能量方法，其特征在于，步骤（2）中，利用凸透镜结构将激光光束调整为平行光光束。

5.根据权利要求1所述的相干光无线传输能量方法，其特征在于，在接收端，利用凹透镜结构扩大其照射到能量接收器上的光斑的尺寸。

6.根据权利要求1所述的相干光无线传输能量方法，其特征在于，所述的能量接收器为光电二极管阵列或光伏电池板。

7.一种相干光无线传输能量的装置，包括位于能量的发送端的激光源和位于能量的接收端的能量接收器，其中，所述的激光源被待传输的能量激励后所产生的激光光束，被调整为平行光光束并进行无线传输，在能量的接收端，通过能量接收器，将传输来的光能转换为电能并输出。

8.根据权利要求5所述的相干光无线传输能量的装置，其特征在于，待传输的能量为太阳能或电能，若为太阳能，则先利用光伏电池板作为能源收集器，将其转换为电能，利用电能激励激光源。

9.根据权利要求5所述的相干光无线传输能量的装置，其特征在于，若需要在普通大气空间传输能量，则使用能够产生近红外激光光束的激光源；若需要在深海传输能量，则使用能够产生蓝光光束的激光源。

10.根据权利要求5所述的相干光无线传输能量的装置，其特征在于，所述的装置还包括位于能量的发送端的凸透镜结构，用于将激光光束调整为平行光光束。

11.根据权利要求5所述的相干光无线传输能量的装置，其特征在于，所述的装置还包括位于接收端的凹透镜结构，用于扩大接收到的平行光光束照射到能量接收器上的光斑的尺寸。

12.根据权利要求5所述的相干光无线传输能量的装置，其特征在于，所述的能量接收器为光电二极管阵列或光伏电池板。

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