CN103618012B - 一种激光传能用太阳电池板及光电转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光传能用太阳电池板及光电转换装置。使用本发明能够满足激光无线能量传输光电转换应用的需求，实现高效率大功率的电能输出。本发明利用激光光斑能量分布的特点，将太阳电池单元呈近似圆形的布置在激光光斑中，使得太阳电池单元的每一片太阳电池表面的光照强度差距最小，减少了激光光斑能量分布不均匀对太阳电池单元输出功率的影响，提高了太阳电池板的输出功率；同时，能源管理单元采用二极管对并联接入的太阳电池单元进行保护可以抑制热斑效应；采用最大功率跟踪单元可以保证太阳电池板在外界激光光照强度、温度和负载阻值变化时始终保持最大功率输出。

Description

一种激光传能用太阳电池板及光电转换装置
技术领域
本发明涉及无线能量传输技术领域，具体涉及一种激光传能用太阳电池板及光电转换装置。
背景技术
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，并且太阳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，太阳电池板形状受激光光斑形状约束，传统的太阳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。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种激光传能用太阳电池板及光电转换装置，能够满足激光无线能量传输光电转换应用的需求，实现高效率大功率的电能输出。
本发明的激光传能用太阳电池板，包括基板、电极和N个太阳电池单元，N≥2；其中，每个太阳电池单元均包括Ｉ个矩形太阳电池，矩形太阳电池数量Ｉ由负载所需电压和每一片矩形太阳电池的电压计算得出；N个太阳电池单元由里向外呈周向拼接；太阳电池单元1在基板上以激光光斑中心为中心由里向外呈周向一圈一圈拼接在激光光斑的中央位置，太阳电池单元2的矩形太阳电池呈周向由里向外一圈一圈拼接在太阳电池组1的外围，依次类推，太阳电池单元N的太阳电池呈周向由里向外一圈一圈拼接在太阳电池组N-1的外围。
一种激光传能光电转换装置，包括能源管理单元和太阳电池板；
其中，所述太阳电池板由基板、电极和Ｎ个太阳电池单元组成，N≥2，其中，每个太阳电池单元均包括Ｉ个矩形太阳电池，矩形太阳电池数量Ｉ由负载所需电压和每一片矩形太阳电池的电压计算得出；N个太阳电池单元由里向外呈周向拼接；太阳电池单元1在基板上以激光光斑中心为中心由里向外呈周向一圈一圈拼接在激光光斑的中央位置，太阳电池单元2的矩形太阳电池呈周向由里向外一圈一圈拼接在太阳电池组1的外围，依次类推，太阳电池单元N的太阳电池呈周向由里向外一圈一圈拼接在太阳电池组N-1的外围；
能源管理单元包括多个二极管、最大功率跟踪单元、输入端和输出端；其中，能源管理单元输入端的正极通过二极管并联合成一路连接最大功率跟踪单元的正极，能源管理单元输入端的地合成一路连接最大功率跟踪单元的地；最大功率跟踪单元的输出端作为能源管理单元的输出端；
1个太阳电池单元的正极和地分别连接能源管理单元的1个输入端的正极和地。
一种激光传能光电转换装置，包括能源管理单元和太阳电池板；
其中，所述太阳电池板由基板、电极和Ｎ个太阳电池单元组成，N≥2，其中，每个太阳电池单元均包括Ｉ个矩形太阳电池，矩形太阳电池数量Ｉ由负载所需电压和每一片矩形太阳电池的电压计算得出；N个太阳电池单元由里向外呈周向拼接；太阳电池单元1在基板上以激光光斑中心为中心由里向外呈周向一圈一圈拼接在激光光斑的中央位置，太阳电池单元2的矩形太阳电池呈周向由里向外一圈一圈拼接在太阳电池组1的外围，依次类推，太阳电池单元N的太阳电池呈周向由里向外一圈一圈拼接在太阳电池组N-1的外围；
能源管理单元包括多个二极管、最大功率跟踪单元、输入端和输出端；其中，能源管理单元输入端的正极通过二极管并联合成一路连接最大功率跟踪单元的正极，能源管理单元输入端的地合成一路连接最大功率跟踪单元的地；最大功率跟踪单元的输出端作为能源管理单元的输出端；
Ｊ个太阳电池单元之间进行串联组成太阳电池单元组，各太阳电池单元组中，太阳电池单元的正极串联作为太阳电池单元组的正极，太阳电池单元的地合并作为太阳电池单元组的地，各太阳电池单元组包含的太阳电池单元数量相同，1个太阳电池单元组的正极和地分别连接能源管理单元的1个输入端的正极和地；接入能源管理单元的太阳电池单元串联数目相同。
有益效果：
（1）本发明的太阳电池板根据激光光斑高斯能量分布进布局设计，使得太阳电池单元的每一片太阳电池表面的光照强度差距最小，减少了激光光斑能量分布不均匀对太阳电池单元输出功率的影响，提高了太阳电池板的输出功率。
（2）本发明的激光传能光电转换装置中，能源管理单元采用二极管对并联接入的太阳电池单元进行保护可以抑制热斑效应；采用最大功率跟踪单元可以保证太阳电池板在外界激光光照强度、温度和负载阻值变化时始终保持最大功率输出。
附图说明
图1为激光传能用太阳电池板布局示意图。
图2为激光传能光电转换装置组成框图。
图3为太阳电池单元串联后的激光传能光电转换装置组成框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种激光传能用太阳电池板，如图1所示，包括N个太阳电池单元（N≥2）、基板和电极。其中，每个太阳电池单元的太阳电池数量相同，由8～50片矩形太阳电池串联组成，N个太阳电池单元在基板上由里向外呈周向拼接，一圈圈地拼接成近似圆形。其中，首先根据负载所需电压和每一片矩形太阳电池的电压计算太阳电池单元1所需矩形太阳电池数量；然后将太阳电池单元1的矩形太阳电池以激光光斑中心为中心，呈周向连接由里向外一圈一圈拼接在激光光斑中央，成近似圆形；太阳电池单元2的矩形太阳电池呈周向连接由里向外一圈一圈拼接在太阳电池组1的外围，成近似圆形；依次类推，太阳电池单元N的太阳电池呈周向连接由里向外一圈一圈拼接在太阳电池组N-1的外围，成近似圆形；太阳电池板整体布局一般小于激光光斑并尽量布满。基板用来安装太阳电池，并起到散热的作用。电极由正电极和地组成，与太阳电池单元一一对应。由于激光光斑能量具有高斯分布的特点，光斑中间能量密度高，因此将每一片太阳电池布置在据中心位置近似相等的距离上，即保证每一片太阳电池的光照强度差距最小，尽量减少激光能量分布不均对太阳电池单元输出功率的影响。
例如图1中太阳电池板由4组太阳电池单元组成，每个太阳电池单元分别由16片太阳电池串联而成，各太阳电池单元中太阳电池数目相等从而让各太阳电池单元输出电压相等。根据激光无线能量传输光斑能量高斯分布特点，太阳电池单元1的太阳电池都近似圆形地布置在能量密度最强的激光光斑中心位置，太阳电池单元2围绕太阳电池单元1近似圆形地进行布置，太阳电池单元3围绕太阳电池单元2近似圆形地进行布置，太阳电池单元4近似圆形地布置在太阳电池板的最外围，太阳电池板整体布局一般小于光斑并尽量布满。如果太阳电池单元中的太阳电池的数量不足以布置成近似整圆，那么可以布置成半圆或大半圆或者对称布置，对称布置可以使得接收的能量更加均匀相等。本发明的这种布局方式一方面可以减少光斑能量不均匀对太阳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太阳电池板上发生偏移，此时只有外围一组太阳电池单元因未照射到光没有输出，不影响其他被照射到的太阳电池单元的输出，降低了跟瞄精度对太阳电池板的整体输出功率的影响。
一种采用上述太阳电池板的激光传能光电转换装置，包括上述太阳电池板和能源管理单元，如图2所示。能源管理单元是由多个二极管、最大功率跟踪单元、输入端和输出端组成。其中，能源管理单元每个输入端的正极通过二极管并联合成一路连接最大功率跟踪单元的正极，所有输入端的地直接合成一路连接最大功率跟踪单元的地；最大功率跟踪单元的输出端作为能源管理单元的输出端输出电能。二极管的作用是抑制太阳电池板的热斑效应，防止损毁太阳电池片；最大功率跟踪单元的作用是能够根据外界条件的变化（激光光照强度、温度和负载阻值的变化）自动检测太阳电池单元的输出电压和输出电流，判断输出功率的大小，然后调节太阳电池单元的输出电压，始终保持并联接入的太阳电池单元处于最大功率输出状态。太阳电池板与能源管理单元的连接方式有两种：（1）每个太阳电池单元的正极和地分别连接能源管理单元各输入端的正极和地；（2）太阳电池单元之间进行串联后的正极和地分别连接能源管理单元各输入端的正极和地，此时接入能源管理单元的太阳电池单元串联数目必须相同。
例如，图2中能源管理单元采用二极管对太阳电池单元的正极进行合流，通过一个最大功率跟踪单元实现对太阳电池板输出功率的调节。最大功率跟踪可以采用恒定电压法、扰动观察法和电导增量法等方法使得太阳电池板动态地工作在最大功率点上。太阳电池板的太阳电池单元将激光光能转换为电能，经过能源管理单元的输入端接入后，通过二极管进行合流进入最大功率跟踪单元，该单元根据外界激光光照强度、温度和负载阻值的变化，自动调节太阳电池板始终工作在最大功率工作点上。
图3中，每两个太阳电池单元串联组成太阳电池单元组，共由M个太阳电池单元组，各太阳电池单元组中，太阳电池单元组的正极由其中的太阳电池单元的正极串联而成，太阳电池单元组的地由其中的太阳电池单元的地合并而成，其中，每个太阳电池单元组所包含的太阳电池单元数目一致。M个太阳电池单元组的正极和地分别连接能源管理单元各输入端的正极和地。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种激光传能用太阳电池板，包括基板和电极，其特征在于，还包括N个太阳电池单元，N≥2；其中，每个太阳电池单元均包括I个矩形太阳电池，矩形太阳电池数量I由负载所需电压和每一片矩形太阳电池的电压计算得出，I≥1；N个太阳电池单元由里向外呈周向拼接；第1个太阳电池单元在基板上以激光光斑中心为中心由里向外呈周向一圈一圈拼接在激光光斑的中央位置，第2个太阳电池单元的矩形太阳电池呈周向由里向外一圈一圈拼接在第1个太阳电池单元组的外围，依次类推，第N个太阳电池单元的太阳电池呈周向由里向外一圈一圈拼接在第N-1个太阳电池单元组的外围。
2.一种激光传能光电转换装置，其特征在于，包括能源管理单元和太阳电池板；
其中，所述太阳电池板由基板、电极和N个太阳电池单元组成，N≥2，其中，每个太阳电池单元均包括I个矩形太阳电池，矩形太阳电池数量I由负载所需电压和每一片矩形太阳电池的电压计算得出，I≥1；N个太阳电池单元由里向外呈周向拼接；第1个太阳电池单元在基板上以激光光斑中心为中心由里向外呈周向一圈一圈拼接在激光光斑的中央位置，第2个太阳电池单元的矩形太阳电池呈周向由里向外一圈一圈拼接在第1个太阳电池单元组的外围，依次类推，第N个太阳电池单元的太阳电池呈周向由里向外一圈一圈拼接在第N-1个太阳电池单元组的外围；
能源管理单元包括多个二极管、最大功率跟踪单元、输入端和输出端；其中，能源管理单元输入端的正极通过二极管并联合成一路连接最大功率跟踪单元的正极，能源管理单元输入端的地合成一路连接最大功率跟踪单元的地；最大功率跟踪单元的输出端作为能源管理单元的输出端；
1个太阳电池单元的正极和地分别连接能源管理单元的1个输入端的正极和地。
3.一种激光传能光电转换装置，其特征在于，包括能源管理单元和太阳电池板；
其中，所述太阳电池板由基板、电极和N个太阳电池单元组成，N≥2，其中，每个太阳电池单元均包括I个矩形太阳电池，矩形太阳电池数量I由负载所需电压和每一片矩形太阳电池的电压计算得出，I≥1；N个太阳电池单元由里向外呈周向拼接；第1个太阳电池单元在基板上以激光光斑中心为中心由里向外呈周向一圈一圈拼接在激光光斑的中央位置，第2个太阳电池单元的矩形太阳电池呈周向由里向外一圈一圈拼接在第1个太阳电池单元组的外围，依次类推，第N个太阳电池单元的太阳电池呈周向由里向外一圈一圈拼接在第N-1个太阳电池单元组的外围；
能源管理单元包括多个二极管、最大功率跟踪单元、输入端和输出端；其中，能源管理单元输入端的正极通过二极管并联合成一路连接最大功率跟踪单元的正极，能源管理单元输入端的地合成一路连接最大功率跟踪单元的地；最大功率跟踪单元的输出端作为能源管理单元的输出端；
J个太阳电池单元之间进行串联组成太阳电池单元组，J≥1；各太阳电池单元组中，太阳电池单元的正极串联作为太阳电池单元组的正极，太阳电池单元的地合并作为太阳电池单元组的地，各太阳电池单元组包含的太阳电池单元数量相同，1个太阳电池单元组的正极和地分别连接能源管理单元的1个输入端的正极和地；接入能源管理单元的太阳电池单元串联数目相同。
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