CN105978445B - 一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统及其供能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤供能技术领域，尤其涉及一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统及其供能方法。一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统，其特征在于：包括激光模块、光纤耦合模块、分光模块、光电转换模块四部分；激光模块采用多波段激光模块，多波段激光模块输出的各个激光光束通过光纤耦合模块合束后入射至传能光纤，经过一定距离传输后入射至分光模块，分光模块将激光束分至为多束，并且经过相应的光电转换模块为负载电路、传感设备供电。
Description
技术领域
本发明涉及光纤供能技术领域，尤其涉及一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统及其供能方法。
背景技术
物联网可以实现远程网络数字传输与存储系统、远程网络数据通讯与存储、远程多网络融合，已成为当前世界经济和科技发展的战略制高点之一。物联网的构建离不开传感网，包括信息的采集与传输；实际上，传感器件在整个网络中正是相当于一个个信息采集点，更广泛领域及环境下的传感器布置，可以实现“无所不在的感知”这一终极目标。
然而，在部分亟需覆盖各类传感网络的特殊环境中，维持传感网络正常工作及信号传输的能量供应存在许多限制，例如高电压、强磁场对传统电力线存在电磁干扰，而且在易燃易爆环境下，电火花则会引发灾难性后果。为了克服电力供应难题，研究人员研究了诸多方法，如无线电磁传能、声波传能、太阳能供电以及大容量电池供电等，然而上述技术依然存在很大的局限性，譬如电磁环境对无线电、声波产生干扰，太阳能受大气环境限制，电池存在寿命问题等。
在需抗电磁的环境下为传感器件及设备供能，光纤传能（Power over Fiber,PoF）技术是一种有效且可靠的供能方式。该方式是利用光纤把高能量激光传输到远端，然后用光电能量转换器把激光能量转换成电能量，从而给远端的器件及设备供电。由于采用光纤传送能量，这种技术不受无线电磁、闪电等的干扰，且其重量轻、安全可靠。光纤传能技术为了传递能量，所采用的光纤多为大芯径的光纤。另一个在光纤传能系统中的核心器件是光电能量转换器。现在光纤供能系统中主流采用的是针对700-870nm近红外波段的激光而选择的GaAs光伏电池。GaAs材料的带隙与此波段相吻合，可制造出高光电转换效率的光伏电池。然而，尽管在700-870nm波段GaAs光伏电池的光电转换效率可达到45％（PENA R,ALGORA C, ANTON I. GaAs multiple photovoltaic converters with an efficiencyof 45% for monochromatic illumination[C]. Photovoltaic Energy Conversion,2003. Proceedings of 3rd World Conference on. IEEE, 2003, 1: 228-231.）,但这样的单一波段的GaAs光伏电池的输出的电功率受限，从而限制了此技术的进一步应用。
发明内容
本发明目的是为解决当前光纤传能系统输出电功率受限的问题，提供一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统及其光纤供能方法，本发明中提出在光纤传能系统中采用多结聚光光伏电池作为光电能量转换器，获得比以往GaAs光伏电池更高的输出电功率，从而扩展了光伏传能技术的应用。
本发明采用的多结聚光光伏电池是利用不同的材料对于太阳光谱的不同响应原理，在基底材料上生长多层不同材料的PN结制备而成，可实现对不同波段光谱的充分吸收利用，不仅具有高达44.7%光电转换效率（DIMROTH F, GRAVE M, BEUTEL P, et al. Waferbonded four‐junction GaInP/GaAs/GaInAsP/GaInAs concentrator solar cells with44.7% efficiency[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications,2014, 22(3): 277-282.），转换后可得到更大的电功率。
一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统及其供能方法是采取以下技术方案实现：
一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统包括激光模块、光纤耦合模块、分光模块和光电转换模块四部分。激光模块采用多波段激光模块，多波段激光模块输出的各个激光光束通过光纤耦合模块合束后入射至传能光纤，经过一定距离传输后入射至分光模块，分光模块将激光束分至为多束，并且经过相应的光电转换模块为负载电路、传感设备供电。
光纤耦合模块采用光纤耦合器，光纤耦合器具有多个输入接头和1个输出接头。多个输入接头分别与多个激光器连接，输出接头与传能光纤连接。
所述的光电转换模块采用光伏电池，所述的光伏电池为叠层多结聚光光伏电池，它由多个子电池与隧穿结串联而成，每一个子电池由不同带隙的半导体材料构成，按照从大到小的带隙宽度自上而下由隧穿结叠层串接，每个子电池分别吸收不同波段的光谱。
所述的多波段激光模块由多个不同工作波段的激光器构成，采用常见的固体激光器，每个工作波段的中心波长λ1、λ2、λ3……λn根据叠层多结聚光光伏电池的吸收光谱波段范围来确定。
所述的光电转换模块与电源管理模块相连。
所述电源管理模块包括负载匹配电路、储能模块，负载匹配电路连接储能模块。
所述传能通道为传能光纤。
一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统的供能方法如下：
多波段激光模块由多个不同工作波段的激光器构成，从多激光器输出的不同工作波长上高能量激光经光纤耦合模块合并光束后耦合入射至传能光纤，经光纤远距离传输至分光模块，分束后的每一路激光入射至多结聚光光伏电池转换为电能量，多结聚光光伏电池与负载匹配电路相连，负载匹配电路通过改变其等效电阻以实现与光伏电池的阻抗匹配，从而使得多结聚光光伏电池的工作电压为最大功率点电压值或在此值附近。在负载匹配电路作用下，多结聚光光伏电池以最大或接近最大输出功率输出，并在储能模块处储存电能量；当电源管理模块监测到储能模块两端的电压充到预先设置的阈值电压时，储能模块放电输出电压供负载设备使用。
本发明相对于现有技术的优点：
1)采用光合束器将不同波段的高能量激光合并通过传能光纤传输，在多结聚光光伏电池完成光电转换，可以实现对不同波段光谱的充分吸收利用，从而获得更高的输出电功率。
2)本发明是基于多结聚光光伏电池光纤系统的供能技术，解决了在采用聚光光伏电池的供能系统中光束耦合效率低、功率浪费、稳定性不好、受电磁干扰等问题。本发明中采用的聚光光伏电池的光电转换效率高，一般可在40%以上，保证了电源的持续性与稳定性。
3)本技术采用光纤耦合装置，不受外界环境影响，即使在振动、电磁干扰环境下仍然可以正常工作，从而实现了在特殊环境下的稳定供能。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是现行的激光供能结构框图。
图2是本发明的基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统结构图。
图3是本发明的一种实施实例的结构图。
图4是本发明所使用的光纤耦合器的结构图。
附图标记说明：
1、多波段激光模块，2、激光器一，3、激光器二，4、激光器三，5、光纤耦合模块（器），6、传能通道，7、传能光纤，8、分光模块（器），9、光电转换模块（多结聚光光伏电池），10、电源管理模块，11、负载匹配电路，12、储能模块， 13、基站单元，14、远端单元，15、激光模块，16、光伏电池，17、输入接头一，18、输入接头二，19、输入接头三，20、输出（耦合）接头。
具体实施方式
参照附图1-4，一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统包括激光模块、光纤耦合模块5、分光模块8、光电转换模块9四部分。激光模块采用多波段激光模块1，多波段激光模块1输出的各个激光光束通过光纤耦合模块5合束后入射至传能光纤7，经过一定距离传输后入射至分光模块8，分光模块8将激光束分至为多束，并且经过相应的光电转换模块9为负载电路、传感设备供电。
光纤耦合模块5采用光纤耦合器，光纤耦合器5具有多个输入接头和1个输出接头。多个输入接头分别与多个激光器连接，输出接头与传能光纤7连接。
所述的光电转换模块9采用光伏电池，所述的光伏电池为叠层多结聚光光伏电池，它由多个子电池与隧穿结串联而成，每一个子电池由不同带隙的半导体材料构成，按照从大到小的带隙宽度自上而下由隧穿结叠层串接，每个子电池分别吸收不同波段的光谱。
所述的多波段激光模块1由多个不同工作波段的激光器构成，采用常见的固体激光器，每个工作波段的中心波长λ1、λ2、λ3……λn根据叠层多结聚光光伏电池的吸收光谱波段范围来确定。
所述的光电转换模块9与电源管理模块10相连。
所述电源管理模块10包括负载匹配电路11、储能模块12，负载匹配电路11连接储能模块12。
所述传能通道6为传能光纤。
一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统的供能方法如下：
多波段激光模块1由多个不同工作波段的激光器构成，采用常见的固体激光器，从多激光器输出的不同工作波长上高能量激光经光纤耦合模块5合并光束后耦合入射至传能光纤7，经光纤远距离传输至分光模块8，分束后的每一路激光入射至多结聚光光伏电池9转换为电能量，多结聚光光伏电池9与负载匹配电路11相连，负载匹配电路11通过改变其等效电阻以实现与光伏电池的阻抗匹配，从而使得多结聚光光伏电池的工作电压为最大功率点电压值或在此值附近。在负载匹配电路11作用下，多结聚光光伏电池9以最大或接近最大输出功率输出，并在储能模块12处储存电能量；当电源管理模块10监测到储能模块12两端的电压充到预先设置的阈值电压时，放电输出电压轨供负载设备使用。
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。以下面实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
附图1是现行的激光供能系统一般结构图，如图所示，激光供能系统一般包括三个单元：基站单元13、传能通道6、远端单元14。在基站单元13中包含激光模块15，其与远端单元14之间是传能通道6，传能通道6的实现可以是有线的方式，也可以是无线的方式，本例中采用有线方式中的传能光纤7。在远端单元14中的光伏电池16接收来自传能通道6的高能量激光，通过光电效应转换成电能量输出给远端单元14中的相应设备以及负载电路供能。
附图2是本发明实施方式中所述基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统结构图，如图所示，本系统是由多波段激光模块1、光纤耦合模块5、传能通道6、分光模块8、多结聚光光伏电池9组成。与以前的激光供能系统不同，本发明中采用的是多波段激光模块1及对应的叠层多结聚光光伏电池9，多波段激光模块1由多个不同工作波段的激光器构成，每个工作波段的中心波长λ1、λ2、λ3……λn根据叠层多结聚光光伏电池的吸收光谱波段范围来确定。这些激光器的输出光束通过光纤耦合模块5的合束而入射至传能通道6中的传能光纤7，经过传能光纤7、分光模块8传送至叠层多结聚光光伏电池9，通过光电效应转换输出为电能量以驱动远端单元。
附图3是本发明实施方式中所述光纤供能方法的一种实施例，如图所示，为提高稳定性，在本系统实施方式中加入电源管理模块10，它包括负载匹配电路11、储能模块12。具体而言，多波段激光模块1包括激光器一2（工作波长为λ1），激光器二3（工作波长为λ2）和激光器三4（工作波长为λ3），从这三个激光器输出的不同工作波长上高能量激光经光纤耦合模块5合并光束后耦合入射至传能光纤7，经光纤远距离传输至分光模块8，分束后的每一路激光入射至多结聚光光伏电池9转换为电能量，多结聚光光伏电池9与负载匹配电路11相连，负载匹配电路11通过改变其等效电阻以实现与光伏电池的阻抗匹配，从而使得多结聚光光伏电池的工作电压为最大功率点电压值或在此值附近。在负载匹配电路11作用下，多结聚光光伏电池9以最大或接近最大输出功率输出，并在储能模块12处储存电能量；当电源管理模块10监测到储能模块12两端的电压充到预先设置的阈值电压时，储能模块12放电输出电压供负载设备使用。
附图4是本发明实施方式中三波段光纤耦合器的结构图，如图所示光纤耦合器5包括输入接头17、输入接头18、输入接头19和输出接头20，接头17、接头18、接头19分别与激光器2，激光器3和激光器4连接，而输出接头20与传能光纤7连接；采用这样的三波段光纤耦合器可实现对不同波段激光的稳定合束，而且插入损耗较低，从而提高本系统的实用性及稳定性。
Claims (7)
1.一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统，其特征在于：包括激光模块、光纤耦合模块、分光模块和光电转换模块四部分；激光模块采用多波段激光模块，多波段激光模块输出的各个激光光束通过光纤耦合模块合束后入射至传能光纤，经过一定距离传输后入射至分光模块，分光模块将激光束分至为多束，并且经过相应的光电转换模块为负载电路、传感设备供电；
光纤耦合模块采用光纤耦合器，光纤耦合器具有多个输入接头和1个输出接头；多个输入接头分别与多个激光器连接，输出接头与传能光纤连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统，其特征在于：所述的光电转换模块采用光伏电池，所述的光伏电池为叠层多结聚光光伏电池，它由多个子电池与隧穿结串联而成，每一个子电池由不同带隙的半导体材料构成，按照从大到小的带隙宽度自上而下由隧穿结叠层串接，每个子电池分别吸收不同波段的光谱。
3.根据权利要求1所述的一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统，其特征在于：所述的多波段激光模块由多个不同工作波段的激光器构成，采用常见的固体激光器，每个工作波段的中心波长λ1、λ2、λ3……λn根据叠层多结聚光光伏电池的吸收光谱波段范围来确定。
4.根据权利要求1所述的一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统，其特征在于：所述的光电转换模块与电源管理模块相连。
5.根据权利要求4所述的一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统，其特征在于：所述电源管理模块包括负载匹配电路、储能模块，负载匹配电路连接储能模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统，其特征在于：所述传能通道为传能光纤。
7.一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统的供能方法，其特征在于：
多波段激光模块由多个不同工作波段的激光器构成，从多激光器输出的不同工作波长上高能量激光经光纤耦合模块合并光束后耦合入射至传能光纤，经传能光纤远距离传输至分光模块，分光模块分束后的每一路激光入射至多结聚光光伏电池转换为电能量，多结聚光光伏电池与电源管理模块相连，电源管理模块包括负载匹配电路，负载匹配电路通过改变其等效电阻以实现与光伏电池的阻抗匹配，从而使得多结聚光光伏电池的工作电压为最大功率点电压值或在此值附近，在负载匹配电路作用下，多结聚光光伏电池以最大或接近最大输出功率输出，并在储能模块处储存电能量；当电源管理模块监测到储能模块两端的电压充到预先设置的阈值电压时，放电输出电压轨供负载设备使用。
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