CN104767471B - 一种激光无线能量传输高效复合能量接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光无线能量传输复合能量接收装置，该装置采用分光机构利用激光与太阳光入射角度的不同，将二者分别投射在激光光电转换器和太阳光光电转换器上，产生电能；使用半导体温差电池一侧连接激光光电转换器和太阳光光电转换器，另一侧与热传导板固连；采用热传导板置于自然循环水中，由水热回收器回收水热获得热能并进行输出；热能回收器连接半导体温差电池的两端，由半导体温差电池上获取电能并输入至电源管理器；电源管理器连接激光光电转换器和太阳光光电转换器，获取二者产生的电能；电源管理器将所获得的电能进行输出。该装置能够实现对日光、激光的光和热的复合接收，拓展了能量来源和种类，从而获得更大的转换效率和输出功率。

Description

一种激光无线能量传输高效复合能量接收装置

技术领域

本发明属于高精密光机电产品使用技术领域，具体涉及一种激光无线能量传输高效复合能量接收装置，可以用于模块化航天器、空间太阳能电站、太空电梯以及地外驻留平台等激光无线能量传输领域，实现对日光、激光的光电和热电转换，从而获得更高的传输效率和输出能量。

背景技术

无线能量传输(WPT)技术是指在不使用能源输送线情况下，对特定环境下的目标设备提供能源支持的能量传输技术。实现远距离无线能来那个传输的方式有微波、激光等方式，其中激光无线能量传输则是以激光作为能量载体，在接收端利用光电转换进行能量的接收和获取。相比于微波无线能量传输系统，激光无线能量传输系统具有重量轻、体积小、传输距离远、效率高、无电池干扰和可分布式应用的优点，成为无限能量传输领域的新宠。日本、美国、欧洲等国家和地区的研究机构已经全面展开了对该领域的研究工作，计划在对无人机、太空电站及宇宙探测领域进行应用。

传统激光无线能量传输系统其原理是利用激光作为能量载体，对受能端进行远距离、大功率密度光束照射，而在能量接收端则是利用光电池对接收的能量激光束进行光电转换，并最终获得电能。无论是平铺式光电池布局，还是聚光式光电池布局，针对传统激光无线能量传输系统的改进都是围绕如何实现更高的激光-电能转换效率开展，由于其能量来源固定，获得的输出能量也有限制。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种激光无线能量传输高效复合能量接收装置，能够实现对日光、激光的光和热的复合接收，拓展了能量来源和种类，从而获得更大的转换效率和输出功率。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为；该装置由光学系统、半导体温差电池、热传导板、水热回收器、热能回收器以及电源管理器组成；光学系统包括分光机构、激光光电转换器和太阳光光电转换器，分光机构利用激光与太阳光入射角度的不同，将二者分别投射在激光光电转换器和太阳光光电转换器上，产生电能；半导体温差电池一侧连接激光光电转换器和太阳光光电转换器，另一侧与热传导板固连；热传导板置于自然循环水中，由水热回收器回收水热获得热能并进行输出；热能回收器连接半导体温差电池的两端，由半导体温差电池上获取电能并输入至电源管理器；电源管理器连接激光光电转换器和太阳光光电转换器，获取二者产生的电能；电源管理器将所获得的电能进行输出。

进一步地，分光机构为线形菲涅尔透镜或者柱形几何聚焦透镜，激光光电转换器和太阳光光电转换器分别为激光电池阵和太阳光电池阵，则光学系统还包括用于支撑线形菲涅尔透镜的支架、激光接收天线和太阳能跟踪器；线形菲涅尔透镜为矩形结构，其支架为上端开口的长方体空腔，空腔深度等于线形菲涅尔透镜的焦距，支架的上端开口处形状与线形菲涅尔透镜相匹配，线形菲涅尔透镜接收面朝外覆盖于支架的上端开口处；支架的内底面置有位置可调的激光电池阵和太阳光电池阵以及激光接收天线，激光电池阵和太阳光电池阵均为一列，列向沿线形菲涅尔透镜的线形方向；激光接收天线和太阳能跟踪器固连于支架的内底面，其中激光接收天线的接收法线垂直于线形菲涅尔透镜；当激光与太阳光同时入射时，调整线形菲涅尔透镜及其支架，以光束跟踪的方法，使得固连于支架内表面的激光接收天线的接收法线指向激光入射方向，将激光电池阵的位置调整至与激光聚焦形成的线条重合；在激光入射方向确定的情况下，采用太阳能跟踪器定位太阳光聚焦形成的线条，调整太阳光电池阵的位置，直至至该太阳光电池阵的位置与太阳光聚焦形成的线条重合。

再进一步地，激光电池阵采用单结GaAs电池串联而成；太阳光电池阵采用三结GaAs电池串联而成。

更进一步地，分光机构为抛物面反射镜。

有益效果：

本发明激光输入光能被如传统激光无线能量传输装置一样，被激光电池的光电转换，获得传输电能；入射太阳光被聚焦在太阳能电池上，经光电转换后获得电能；聚焦后激光和日光的热能被半导体热电回收，获得电能；剩余的热能被以热水的形式进行回收，增加系统的能量利用效率；采用以上方式，可以获得激光-电能、日光-电能、热能-电能以及热能-热水等各来源的能量，相对于传统激光无线能量传输系统只能获得激光-电能系统，将具有更高输出能量和传输效率。

附图说明

图1—实施例2中的激光无线能量传输装置高效复合能量接收装置结构图；其中1、线形菲涅尔透镜；2、激光电池阵；3、太阳光电池阵；4、接收天线；5、热传导板；6、半导体温差电池；7、水热回收器；8、热能回收器；9、电源管理器；10、线形菲涅尔透镜的支架；11、外支架；

图2—实施例2中提出的基于菲涅尔透镜的复合能量获取装置；

图3—实施例2中提出的激光电池阵和太阳光电池阵排布图；

图4—实施例2中所提供的能量接收装置中能量传输各个环节的效率；

图5—实施例3中提出的基于抛物面反射镜的光学系统分光原理图。

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。

实施例1、

本实施例所提供的一种激光无线能量传输高效复合能量接收装置，由光学系统、半导体温差电池、热传导板、水热回收器、热能回收器以及电源管理器组成。

光学系统包括分光机构、激光光电转换器和太阳光光电转换器，分光机构利用激光与太阳光入射角度的不同，将二者分别投射在激光光电转换器和太阳光光电转换器上，产生电能；本实施例中上述分光机构可以采用透镜聚焦原理区分激光与太阳光，也可通过反射镜折射原理区分激光与太阳光。

半导体温差电池一端固连在支架的外底面，另一端与热传导板固连。

热传导板置于自然循环水中，由水热回收器回收水热获得热能并进行输出。

热能回收器连接半导体温差电池的两端，由半导体温差电池上获取电能并输入至电源管理器。

电源管理器连接激光光电转换器和太阳光光电转换器，获取二者产生的电能；电源管理器将所获得的电能进行输出。

实施例2、

本实施例针对上述实施例1给出的一种激光无线能量传输高效复合能量接收装置，以分光机构为线形菲涅尔透镜为例对该装置的结构进行详细描述，其结构如图1所示，图中包括线形菲涅尔透镜1、激光电池阵2、太阳光电池阵3、接收天线4、热传导板5、半导体温差电池6、水热回收器7、热能回收器8、电源管理器9、线形菲涅尔透镜的支架10和外支架11。

其中如图2所示，线形菲涅尔透镜为矩形结构，其支架为上端开口的长方体空腔，支架的上下端之间的距离等于线形菲涅尔透镜的焦距，支架的上端开口处形状与线形菲涅尔透镜相匹配，线形菲涅尔透镜接收面朝外覆盖于支架的上端开口处。

支架的内底面置有位置可调的激光电池阵和太阳光电池阵以及激光接收天线，激光电池阵和太阳光电池阵均为一列，列向沿线形菲涅尔透镜的线形方向；如图3所示。本实施例中，激光电池阵采用单结GaAs电池串联而成；太阳光电池阵采用三结GaAs电池串联而成。为了实现激光电池阵和太阳光电池阵的位置可调，本实施例中可以将激光电池阵和太阳光电池阵整体作为一个长条，并在长条两端加滑轨，使得长条可以沿垂直线形的方向运动。

激光接收天线和太阳能跟踪器固连于支架的内底面，其中激光接收天线的接收法线垂直于线形菲涅尔透镜；当激光与太阳光同时入射时，调整线形菲涅尔透镜及其支架，使得固连于支架内表面的激光接收天线的接收法线指向激光入射方向，将激光电池阵的位置调整至与激光聚焦形成的线条重合；在激光入射方向确定的情况下，采用太阳能跟踪器驱动太阳光电池阵进行自适应位置调整，直至该太阳光电池阵的位置与太阳光聚焦形成的线条重合。

半导体温差电池一端固连在支架的外底面，实现与激光电池阵和太阳光电池阵的间接相连接，另一端与热传导板固连。

热传导板置于自然循环水中，由水热回收器回收水热获得热能并进行输出。

热能回收器连接半导体温差电池的两端，由半导体温差电池上获取电能并输入至电源管理器。

电源管理器连接激光电池阵和太阳光电池阵，获取二者产生的电能；电源管理器将所获得的电能进行输出。

本发明中该复合能量接收装置工作过程如下：

步骤1、线形菲涅尔透镜及支架(这里聚焦光学系统采用菲涅尔透镜)、激光电池(这里使用单结GaAs电池)、太阳光电池(这里使用三结GaAs电池)、内跟踪机构构成接收天线，并被安装在外跟踪机构上，而激光电池位于聚焦光学系统焦点处。

步骤2、当开始激光无线能量传输时，将接收天线的法线指向入射激光方向，激光经过线形菲涅尔透镜，形成线条型聚焦光斑，并聚焦在条形排布的单结GaAs电池上，并完成了激光-电能转换。

步骤3、由于太阳光和激光入射角度不同，经过菲涅尔透镜，太阳光也会形成线条型光斑，实现了能量分离，但由于太阳光入射角度不断变化，所以还不能聚焦在单结GaAs电池上。

步骤4、太阳跟踪器对太阳光聚焦形成的线条进行跟踪，驱动改变三结GaAs电池的位置，实现对太阳能光聚焦光斑的跟踪，使得太阳光聚焦在三结GaAs电池上，并实现日光-电能转换。

步骤5、采用反向链接的TEC制冷片，实现对聚焦的激光和太阳光热能进行收集，利用赛贝克效应，对将温差转换为电能并进行收集。

步骤6、利用传导方式，利用自然循环水将剩余热量导出，并可作为工业、居民用热水进行利用。

步骤7、太阳光聚焦至太阳光电池上，并经过太阳光电池的光电转换获得电能。

对于本实施例中的装置的能量输出效率的计算：

在地面激光无线能量传输系统中，假定发射激光波段为800nm，输出功率为5kW，功耗12.5kW，传输距离为1km，接收端接收面积为2m²。

在激光无限能量传输过程中，多种因素将影响系统能量传输效率，这些环节和因素包括：激光器光电转换、光学天线发射、激光空间传输、接收面效率、光电转换单元光电转换效率，另外地面发射机的APT系统跟踪精度也在一定程度上对系统传输效率存在影响。

影响整个系统电-光-电传输效率的环节主要包括：η₁激光器电光转换效率；η₂天线发射效率；η₃激光在空间中的传输效率；η₄APT系统跟踪精度影响剩余效率；η₅接收光学天线接收效率；η₆光电转换器的光电转换效率。而激光无线能量传输系统传输效率为

η＝P_S/P_R＝η₁·η₂·η₃·η₄·η₅·η₆

根据分析，各环节效率图4所示。

最终利用激光-电能的转换方式，传输效率约为11.7％，获得电功率1462.5W，被浪费在激光电池上的热量为2193.75W；

晴朗天气中，地面可获得1000W/m²的太阳光功率，在追求激光的同时，太阳光入射角度不是完全垂直，假定在接收端功率密度为800W/m²，共获得1600W太阳光，一般GaAs对太阳光的转换效率为32～35％，那么可以互动额太阳能560W，热能1040W；

目前使用TEC可以获得3％左右的热电效率，高温热点效率可达10％，这里以4％计算，可以利用热电获得129.35W，((2193.75W+1040W)×4％)；通过符合利用获得的功率输出增加可以表示为

$\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}=\frac{W_{SUN}+W_{Thermal}}{WASER}\\ =\frac{i_{SUN}\·S\·{\mathrm{\η}}_{SUN}+\[i_{SUN}\·S\·(1-{\mathrm{\η}}_{SUN})+I_{LASER}\·(1-{\mathrm{\η}}_{LASER})\]{\mathrm{\η}}_{Thermal}}{I_{LASER}\·{\mathrm{\η}}_{LASER}}\end{array}$

这里W_SUN为日光-电能获得功率，W_Thermal为热能-电能获得功率。i_SUN为单位面积太阳光功率，S为接收端面积，η_SUN为太阳光转换效率；I_LASER为激光到达接收端能来那个总和；η_Thermal为热电转换效率；η_LASER为激光-电能抓换效率。

在复合系统中，总共可以获得电能2151.85W电能，较原来1462.5W，增加了47.14％，此外还有大量的热水可以利用，相较于传统系统，获得了更多的能量。

以上计算为一个简单的例子，可见增加比例与激光功率密度成反比关系，而对于激光功率密度较低的太空电站项目，通过该方法将获得更高的功率输出。

实施例3、

本实施例针对上述实施例1给出的一种激光无线能量传输高效复合能量接收装置，其中的分光机构还可以是槽式抛物面反射镜或柱形几何聚焦透镜，其中抛物面反射镜利用反射原理区分激光与太阳光，原理如图5所示。

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 (4)

1.一种激光无线能量传输复合能量接收装置，其特征在于，该装置由光学系统、半导体温差电池、热传导板、水热回收器、热能回收器以及电源管理器组成；

所述光学系统包括分光机构、激光光电转换器和太阳光光电转换器，所述分光机构利用激光与太阳光入射角度的不同，将二者分别投射在激光光电转换器和太阳光光电转换器上，产生电能；

所述半导体温差电池一侧连接激光光电转换器和太阳光光电转换器，另一侧与所述热传导板固连；

所述热传导板置于自然循环水中，由所述水热回收器回收水热获得热能并进行输出；

所述热能回收器连接所述半导体温差电池的两端，由所述半导体温差电池上获取电能并输入至所述电源管理器；

所述电源管理器连接所述激光光电转换器和太阳光光电转换器，获取二者产生的电能；电源管理器将所获得的电能进行输出。

2.如权利要求1所述的一种激光无线能量传输复合能量接收装置，其特征在于，所述分光机构为线形菲涅尔透镜或者柱形几何聚焦透镜，所述激光光电转换器和太阳光光电转换器分别为激光电池阵和太阳光电池阵，则所述光学系统还包括用于支撑所述线形菲涅尔透镜的支架、激光接收天线和太阳能跟踪器；

所述线形菲涅尔透镜为矩形结构，其支架为上端开口的长方体空腔，空腔深度等于所述线形菲涅尔透镜的焦距，支架的上端开口处形状与所述线形菲涅尔透镜相匹配，所述线形菲涅尔透镜接收面朝外覆盖于所述支架的上端开口处；

所述支架的内底面置有位置可调的激光电池阵和太阳光电池阵以及激光接收天线，所述激光电池阵和太阳光电池阵均为一列，列向沿线形菲涅尔透镜的线形方向；

所述激光接收天线和太阳能跟踪器固连于所述支架的内底面，其中所述激光接收天线的接收法线垂直于所述线形菲涅尔透镜；当激光与太阳光同时入射时，调整所述线形菲涅尔透镜及其支架，以光束跟踪的方法，使得固连于支架内表面的激光接收天线的接收法线指向激光入射方向，使所述激光电池阵的位置与激光聚焦形成的线条重合；在激光入射方向确定的情况下，采用太阳能跟踪器定位太阳光聚焦形成的线条，调整所述太阳光电池阵的位置，直至该太阳光电池阵的位置与太阳光聚焦形成的线条重合。

3.如权利要求2所述的一种激光无线能量传输复合能量接收装置，其特征在于，所述激光电池阵采用单结GaAs或单结InGaAs电池串联而成；所述太阳光电池阵采用三结GaAs或硅光电池电池串联而成。

4.如权利要求1所述的一种激光无线能量传输复合能量接收装置，其特征在于，所述分光机构为线形菲涅尔透镜、槽式反射镜或柱形几何聚焦透镜。