CN104617864B - 一种基于激光供能的光‑热‑电复合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光供能技术的光‑热‑电复合装置，包括发电单元、集热单元以及光电转换装置，其特征在于发电单元通过光电转换装置与集热单元相连。本发明是基于激光供能技术的光‑热‑电装置，解决了高压电力线上电源无法持续工作、稳定性不好、受电磁干扰等问题。本装置中由于光伏电池的转换效率高(最高可达到40％以上),具有较好的温度特性、抗辐射特性、较低的发电成本，从而保证了设备持续、稳定的工作。

Description

一种基于激光供能的光-热-电复合装置

技术领域

本发明涉及激光供能领域，尤其涉及到一种基于激光供能技术的光-热-电复合装置。

背景技术

输电线路覆冰问题一直是影响中国电力装置安全稳定运行的难题，其他国家也面临着同样的问题。2008年春，中国华中、华东和南方多省遭遇长时间的大面积的冰冻灾害，由于覆冰灾害，多处输电线路出现断线、倒塌事故。这些事故给群众的生活带来了重大影响，给社会财产造成了重大损失，因此及时把握覆冰发生、发展状况、采取有效的技术措施，防止断线、倒塌等事故发生，确保电网安全稳定运行，变得紧迫而重要。

目前，对于覆冰导线的实时监测的国内外研究，主要集中在以下两个方面：一是通过视频图像进行监测，即在杆塔上安装摄像机，直接观察覆冰状态；二是通过力学计算，即定量计算覆冰的厚度。目前，工程师们研制覆冰导线监测装置，在一定程度上为覆冰预警起到了积极作用，但在实际应用中，现有的装置依然存在一些问题。这些问题主要有监测精度不够高、稳定性不够好、终端电源不能持续工作、摄像头容易被冰挡住、机械传动装置易结冰、数据通信技术水平不高等。为了解决这些问题，工程师们尝试过铺设电缆给摄像头直接供电，但是铺设电缆不方便，电力设备受到电磁的干扰，有许多不利的地方。

针对上面存在的问题，开发利用清洁能源已经成为解决高压电力线覆冰导线实时监测问题实现供能的迫切需要。近年来，开发利用太阳能，光伏发电技术已经成为人们普遍的关注的问题。太阳能供能解决高压电力线上器件受到电磁干扰的问题，但是还是存在一些问题。利用太阳能电池板给高压电力设备供能可以解决设备受到电磁干扰的问题，但是还是存在自身的缺陷。例如，太阳能电池板易受到天气的影响。

中国公开号为CN201319522Y“一种激光供能装置”专利申请，此实用新型涉及高电压电源领域，特别是一种激光电源。它包括激光模块和分光模块。该专利的激光电源仅仅是有线激光电源。中国公开号为CN 202435147 U“激光供能系统”专利申请，此专利是实用新型专利，其部件包括激光发射端和激光接收及转换端，激光发射端、激光生成器和红外感应探测器组成，激光接收及转换端由激光接收装置、接收端底座和接收部件组成，所述激光生成器安装安置在底座上，外围布线有红外感应探测器；所述激光接收装置安装于接收端底座上，其后面接有转换装置，外围布有红外感应探测器。该专利利用激光传递能量的技术辅以红外监控远距离无线为设备供能，摆脱了电线长短对使用设备的范围的限制，也消除了电线存在的危险，可以更安全、方便地使用各种电子设备。此专利是实用新型专利涉及一种供能装置，具体地说是涉及无线激光供能装置，并没有考虑到此装置工作在低温环境中的情况。

本专利中描述的装置不仅可以是有线激光供能而且可以是自由空间光供能。其次，具有集热单元，可以保证低温环境下器件的持续正常工作。但是现有技术和上述专利都没有解决在容易受到冰雪覆盖的环境下如何稳定可靠地供能，以及光电转换效率不高问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于激光供能技术的光-热-电复合装置，包括发电单元、集热单元以及光电转换装置，其特征在于发电单元通过光电转换装置与集热单元相连。

所述的发电单元包括激光器一、传能通道、电源管理模块，其特征在于激光器一与传能通道相连，传能通道与光电转换装置相连，光电转换装置与电源管理模块相连。

所述的电源管理模块包括匹配电路模块、电源模块、储能模块，其特征在于光电转换装置与匹配电路模块相连，匹配电路后接电源模块，电源模块后接储能模块。

所述集热单元包括传感节点、监控节点、光收发模块、导热片、远端处理单元、圆筒形腔体、保护模块，其特征在于传感节点、监控节点与远端处理单元相连，光收发模块与远端处理单元通过导线相连，光电转换装置与导热片相连，圆筒形腔体内在放置传感节点、监控节点、光收发模块、导热片、远端处理单元，传感保护模块，保护模块对上述六个部件起保护作用。

所述保护模块包括PCB隔热层、电绝缘层、防冻层、氟化液，其特征在与远端处理单元与PCB隔热层相连，光收发模块放在光电转换装置旁边，电绝缘层包裹整个圆筒形腔体外侧，防冻层包裹在电绝缘层的外侧，氟化液填充于圆筒形腔体内部，对内部的传感节点、监控节点、光收发模块、导热片、远端处理单元进行保护。

所述光电转换装置是光伏电池，该光伏电池可以是砷化镓光伏电池、聚光型光伏电池，也可以是通用型光电器件。

所述传能通道为传能光纤或者为自由空间光能通道。

本发明是基于激光供能技术的光-热-电装置，解决了高压电力线上电源无法持续工作、稳定性不好、受电磁干扰等问题。本装置中由于光伏电池的转换效率高(最高可达到40％以上),具有较好的温度特性、抗辐射特性、较低的发电成本，从而保证了设备持续、稳定的工作。

本发明的基于激光供能的光-热-电装置同时也解决了高压电力线上设备冻结，机械装置结冰的问题。传统上，太阳能板是利用太阳能采光，将照射到的采光面上的太阳能尽可能的吸收，再将收集到的辐射能用于加热供水或空气等。太阳能光热转换技术的主要应用,太阳能热水器和太阳能热电站。太阳能光热转换技术的优势在于无污染、可再生、能源使用免费且无需运输。虽然太阳能电池板光热转换技术已经很成熟，但是光热转换受到环境的影响。本装置采用的集热单元，不受环境影响，即使在低温环境下也可以正常工作，从而实现了覆冰导线的实时在线监测。

附图说明

图1为本发明实施方式中所述激光供能的光-热-电复合装置框图。

图2为本发明实施方式中所述激光供能的光-热-电复合装置的光伏发电原理图。

图3为本发明实施方式中所述激光供能的光-热-电复合装置的集热单元。

图4为本发明实施方式中所述激光器光源自由空间光聚焦的示意图。

图5为本发明实施方式中所述激光器光源混合合束技术的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本装置在无本地直流电源供应的情况下，远端发电单元将激光器入射的光功率转换为电功率，供应后级电路持续工作；当环境温度正常时，集热单元将发电过程中产生的热量进行疏散，防止电子器件温度过高而不能正常工作；当环境温度较低时，一些器件有冰冻隐患，集热单元将发电过程中产生的热量加以收集，并进行适当的疏导与保护，保证低温环境下的电子器件也可以持续正常工作。本发明专利采用光伏发电技术和热传导技术，在无本地供电的情况下，通过激光供能实现直流电源的持续供应，并保证器件在低温环境下稳定工作。

图1是本发明实施方式中所述激光供能的光-热-电复合装置框图，如图所示，一种基于激光供能技术的光-热-电复合装置，包括光电转换装置、发电单元及集热单元以，其特征在于发电单元通过光电转换装置与集热单元相连。

光电转换装置可以为光伏电池，该光伏电池可以是砷化镓光伏电池、聚光型光伏电池，也可以是通用型光电器件。在本实施例中具体以光伏电池作为实施例。光伏电池的开路电压可以是12V、6V、4V或者其它的开路电压。

发电单元包括激光器一、传能通道、电源管理模块，其特征在于激光器一与传能通道相连，传能通道与光电转换装置相连，光电转换装置与电源管理模块相连。激光器一的输出光功率可以是几瓦至几十瓦甚至更高的能量。传能的通道可以是有线的传能通道(传能光纤)，也可以是无线传能通道(自由空间光能通道)。如果是有线连接，则传能通道与光电转换装置用光纤连接器，接口为FC-FC。如果是传能光纤，光纤可以是多模、单模石英光纤或者塑料光纤。

发电单元包括：激光器一、传能通道、电源管理模块。其特征在于电源管理模块包括：匹配电路模块、电源模块、储能模块。匹配电路模块后接电源模块，电源模块后接储能模块。阻抗匹配模块使光伏电池的阻抗与后级电路阻抗达到匹配，保证电路正常工作；电源模块为后级电路提供合适的电压轨，电压轨可以是1.8V、3.3V、5V或者其它的电压轨；储能模块使用储能器件储存多余的电能量，供给功耗较大的远端器件，如摄像头，气体传感器等，可以是实现装置实时、持续工作。

在发电单元中，激光器一与传能通道相连，可以是有线的连接方式，也可以是无线的连接方式。光伏电池与传能通道相连接并产生光电效应和光热效应，分别转换成电能量和热能量。光伏电池与匹配电路连接，匹配电路使使光伏电池以最大电功率输出。电源模块与储能模块连接，并提供给远端理器单元电压轨；远端处理单元的输入输出口(IO口，Input/Output输入输出口)挂接集热单元的传感节点、监控节点。远端处理单元的微控制器可以是STM32系列、MSP430系列、FPGA，DSP等单片机型号。光伏电池输出的电能量，一部分用作传感节点、远端处理单元、监控节点供能，另外一部分能量由储能模块存储。

图2是本发明实施方式中所述激光供能的光-热-电复合装置的光伏发电原理图，如图所示，光伏电池产生光电流I_in,I_in包含直流分流和交流分量，后接一个电感L滤除交流分量；电感后级并联一个S开关,形成一定频率的矩形方波；开关后级后接一个肖特基二极(VD，diode肖特基二极管)及一个电容C，电容C以平均电功率输出到后级电路；电容C后接储能模块，储能模块后并联监控节点。匹配电路包括MTTP(Max Power Point Trance最大能量点跟踪)控制模块、PWM(Pluse Width Monitor脉冲宽度调制)驱动电路模块。储能模块与A/D转换电路模块相连，经A/D转换电路模块转换成数字信号，数字信号传送给51单片机系统处理；51单片机系统是MTTP控制模块15的核心，控制MTTP控制模块使光伏电池处于最大电功率点。MTTP最大电功率点定位具体是由51单片机控制系统来实现的；51单片机控制系统控制D/A(Digital/Analog数/模转换模块)输出模拟信号，控制后级PWM驱动电路模块产生PWM波形，从而控制S开关的开关频率。

图3是本发明实施方式中所述激光供能的光-热-电复合装置的集热单元，如图所示，在集热单元中，通过集热单元保证传感节点、监控节点使其在低温环境中持续工作。

集热单元包括传感节点、监控节点、光收发模块、导热片、远端处理单元、圆筒形腔体、保护模块，其特征在于传感节点、监控节点与远端处理单元相连，光收发模块与远端处理单元通过导线相连，光电转换装置与导热片相连，圆筒形腔体内在放置传感节点、监控节点、光收发模块、导热片、远端处理单元，传感保护模块对六个部件器保护作用。在集热单元中，通过集热单元保证传感节点、监控节点使其在低温环境中持续工作。传感节点可以是各种类型的传感器，监控节点可以是各种类型的摄像头；导热材料可以是石墨烯、铜导热管、铜导热片等合金材料。

所述保护模块包括PCB隔热层、电绝缘层、防冻层、氟化液，其特征在与光收发模块与PCB隔热层相连，电绝缘层包裹在导热片的外面，防冻层包裹在电绝缘层的外侧，氟化液填充于圆筒形腔体内部，对内部的传感节点、监控节点、光收发模块、导热片、远端处理单元进行保护。防冻材料可以是各种表面不易积水的防冻剂。防止装置收到冰冻的危害；整个装置做好密封性保护。

图4是本发明实施方式中所述激光器光源自由空间光聚焦的示意图，如图所示，图4中，激光器一、激光器二、激光器三的波长可以是650nm、980nm、1530nm，这三束光通过波长合束器，再经过聚光透镜一合束成一束光自由空间对准照射到光伏电池上。采用此方式可以提高光能量，从而提高装置最终的电能量。

如图5所示，本发明所述装置的供能方式也可以采用激光器光源混合合束技术，激光器二，激光器三、激光器四自由空间照射到半波片进行滤波，再经过空间合束器30进行合束成一束光，经过空间耦合器进行空间光耦合，最后通过聚焦透镜二进行聚焦，从而耦合到传能通道(此处是传能光纤)中。采用此种方式可以提高光能量，从而提高装置最终的电能量。

Claims (5)

1.一种基于激光供能技术的光-热-电复合装置，包括发电单元、集热单元以及光电转换装置，其特征在于发电单元通过光电转换装置与集热单元相连，所述集热单元包括传感节点、监控节点、光收发模块、导热片、远端处理单元、圆筒形腔体、保护模块，传感节点、监控节点与远端处理单元相连，光收发模块与远端处理单元通过导线相连，光电转换装置与导热片相连，圆筒形腔体内在放置传感节点、监控节点、光收发模块、导热片、远端处理单元，传感保护模块，保护模块对上述六个部件起保护作用。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光供能技术的光-热-电复合装置，其特征在于所述的发电单元包括激光器一、传能通道、电源管理模块，激光器一与传能通道相连，传能通道与光电转换装置相连，光电转换装置与电源管理模块相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光供能技术的光-热-电复合装置，其特征在于所述的电源管理模块包括匹配电路模块、电源模块、储能模块，光电转换装置与匹配电路模块相连，匹配电路后接电源模块，电源模块后接储能模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光供能技术的光-热-电复合装置，其特征在于所述保护模块包括PCB隔热层、电绝缘层、防冻层、氟化液，远端处理单元与PCB隔热层相连，光收发模块放在光电转换装置旁边，电绝缘层包裹整个圆筒形腔体外侧，防冻层包裹在电绝缘层的外侧，氟化液填充于圆筒形腔体内部，对内部的传感节点、监控节点、光收发模块、导热片、远端处理单元进行保护。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光供能技术的光-热-电复合装置，其特征在于所述光电转换装置是光伏电池，该光伏电池是砷化镓光伏电池。