CN106385116A - 基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置，该装置采用控制反射镜的反射角度，达到控制激光出射方向的方法，替代现有技术中的激光器运动，减小电机负载及功耗，增加激光控制精准，同时也能减少基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置外形体积和重量。该装置采用激光作为载体，具有传输距离远、传输效率高、接收装置小、充电速度快且效率高、适合小型电子设备使用等特点。该装置采用的808nm波长半导体激光器和1064nm波长二极管泵浦固体激光器的光束密度、波长分别与砷化镓(GaAs)材料和铟镓砷(InGaAs)材料的光电池板的能隙宽度匹配，具有光电转换效率大，热损耗小的特点。

Description

基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，具体涉及一种基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置。

背景技术

充电技术的发展和进步目前集中在两方面，其一是充电速度的提高，其二是无线充电的推广和应用。充电速度的提高主要是提升充电电流的大小，技术上没有大的变化。而无线充电方面则出现了许多新的技术和发明。目前主要的几种无线充电方法主要有太阳能、电磁感应和磁共振。太阳能充电方式难以在较小的体积提供较大的电流输出，难以胜任快速充电的要求。电磁感应和磁共振方式在很小的距离(厘米量级)范围可以提供较高的效率和较大的输出电流，但是在距离稍大之后效率就急剧下降，导致输出电流也随之减小。虽然实现了非接触式的电池充电过程，方便了手机等移动设备的使用，为公共场合中统一无线充电的设备奠定了基础，但存在传输距离近、传输效率低等问题。随着激光技术的发展，激光远距离能量传输逐渐显示出其技术优势，目前已在一些特殊领域具有一定的应用。

激光的光照强度是太阳光的500倍，对于太阳能电池(目前太阳能电池能已能承受1000倍的光照强度)来说光照越强不仅输出功率越大，而且光电转换效率更高。在考虑其他因素的影响下，太阳能电池在激光照射下将比在太阳光照射下多输出1倍电能。另外当激光波长与太阳能电池材料的带隙宽度匹配时，其光电转换效率明显高于太阳光下的转换效率。主动的激光照射可以弥补太阳能充电电流小，受到自然条件限制等缺点；同时又克服电磁感应和磁共振传输距离近、传输效率低等问题。用激光代替太阳能进行各种非接触的远程供电将是未来的研究热点。

目前，激光充电技术还处于萌芽状态，国内仅有的几个专利中，“一种无线激光充电器(CN201110162766.6)”、“无线充电系统(CN201210172781.3)”、“无线充电处理方法和设备(CN201280002607.2)”、“具有保护措施的远距离激光充电设备(CN201410207809.1)”、“一种激光充电处理方法和设备(CN201410544044.0)”、“远距离激光传输供电装置201420291770.1”等专利以方框图的形式描述激光充电的流程，没有细化到各子系统；激光无线输能系统(CN201310524728.X)以方框图描述整个激光充电系统，也从原理性方面说明激光充电系统的各个子系统的作用和目的，但缺乏相应机械机构、对准系统及安全保护措施。“室内自动激光充电系统及方法(CN20110097652.0)”、“一种无人机用无线激光充电设备及其充电系统(CN201510102715.2)”两个专利从控制激光器的运动来获得激光与太阳能板的对准来实现激光充电，没有具体指出使用何种激光器和太阳能电池板，更没有两者相互匹配获取最佳光电转换效率的具体实施方案。星载激光无线能量传输系统(CN201210593990.5)针对航天领域的特殊要求提出的方案，具有复杂的对准系统，不仅成本高昂，而且使用复杂，要求使用人员专业要求高。同时方案中没有相关解决激光光斑不均匀问题的元件，只能用于激光辐照单个光电池，提供不了高功率能量。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置，该装置采用控制反射镜的反射角度，达到控制激光出射方向的方法，替代现有技术中的激光器运动，减小电机负载及功耗，增加激光控制精准，同时也能减少基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置外形体积和重量。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置，包括激光发射端和激光接收端，所述激光发射端包括：激光发射器1、指示激光器2、耦合镜3、X轴旋转电机4、X轴反射镜5、Y轴旋转电机6和Y轴反射镜7，所述激光接收端包括：太阳能电池板9和充电控制电路10，

其中，所述X轴反射镜5固定在所述X轴旋转电机4上，所述Y轴反射镜7固定在所述Y轴旋转电机6上；

所述激光发射器1发出的激光依次通过位于光路上的所述耦合镜3、所述X轴反射镜5、所述Y轴反射镜7后投射到所述太阳能电池板9，并且所述激光发射器1发出的激光的光束密度、波长与所述太阳能电池板9的光电池板材料的能隙宽度匹配；

外部的终端设备通过所述充电控制电路10与所述太阳能电池板9相连并接收供电；

所述指示激光器2垂直设置于所述激光发射器1的上方，其发出的可见指示光经过所述耦合镜3与所述激光发射器1水平方向出射的激光耦合在一起，经过所述X轴反射镜5以及所述Y轴反射镜7后投射到所述太阳能电池板9上，用于指示充电激光的位置，便于激光与太阳能板的对准。

进一步地，所述X轴反射镜5通过X轴旋转电机轴与所述X轴旋转电机4相连，并可绕X轴旋转电机轴旋转；所述Y轴反射镜7通过Y轴旋转电机轴与所述Y轴旋转电机6相连，并可绕Y轴旋转电机轴旋转，两旋转电机相互垂直，通过控制所述X轴反射镜5和所述Y轴反射镜7的反射角度，达到激光束的偏转，保证激光的两维自由度，便于激光的捕获。

进一步地，所述X轴旋转电机4和所述Y轴旋转电机6通过无线遥控器或者电子终端进行蓝牙控制，用于激光与太阳能电池板的快速准确对准。

进一步地，所述激光接收端还包括激光光束调节器8，安装固定在所述太阳能电池板9前方位置，用于调整激光光斑大小，使得激光光斑均匀地照射到整个所述太阳能电池板9上。

进一步地，所述激光光束调节器8是单片透镜或者组合透镜。

进一步地，所述太阳能电池板9由多个光电池板串并联构成。

进一步地，所述激光发射器1采用半导体激光发射器或者二极管泵浦固体激光发射器。

进一步地，所述激光发射器1采用808nm波长半导体激光发射器或1064nm波长二极管泵浦固体激光发射器。

进一步地，所述太阳能电池板9采用GaAs材料或InGaAs材料的光电池板。

进一步地，所述充电控制电路10对所述太阳能电池板9输出的电能进行稳压限流，提供稳定的电流输出给外部的终端设备。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明公开的基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置中采用控制反射镜的反射角度，达到控制激光束的偏转，便于激光的捕获。采用反射镜的运动替代激光器的运动，减小电机负载及功耗；增加激光控制精准；同时也能减少装置外形体积和重量。带动反射镜旋转的电机由无线远程遥控控制，或者手机等电子终端蓝牙控制，保证激光与光电池板便捷而精准的对位。

2)本发明公开的基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置具有传输距离远、传输效率高、接收装置小、充电速度快且效率高、适合小型电子设备使用等特点。无线充电装置利用半导体物质(即利用电子)能带间跃迁发光，更具有频率准确、温度稳定的特性。而且传输效率随传输距离的衰减很小，10米以内激光传输的能量损失小于1％。

3)本发明公开的基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置采用激光作为载体，即发射端将电能转化为激光能量发射到接收端，接收端再将激光转化为电能。克服了微波发射和接收装置庞大，不适合便携式使用的要求；又避免了电磁感应式中电感电容器件个体偏差以及温度漂移所导致的振荡频率匹配问题。采用不可见波段光波作为能量传递形式，不会造成光污染及对通信信号的干扰。既能做到无线传输，又能有效克服电磁波原理缺陷，实现远距离无线充电。

4)本发明公开的基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置采用半导体激光器或者二极管泵浦固体激光器作为无线充电电源使用，具有重量轻，运转可靠、耗电少、效率高、体积小，便携性好的优点。其中808nm波长半导体激光器和1064nm波长二极管泵浦固体激光器的光束密度、波长分别与砷化镓(GaAs)材料和铟镓砷(InGaAs)材料的光电池板的能隙宽度匹配，具有光电转换效率大，热损耗小的特点。

5)本发明公开的基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置采用激光光束调节器优化激光器输出的激光光束发散角和提高输出激光能量的均匀性，保证光斑均匀覆盖，并且光斑尺寸与光电池片匹配，达到光损耗最小的目的。解决激光能量分布不均匀，导致光电池接收器效率低下问题。

6)本发明公开的基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置多个光电池串并联构成太阳能电池板，解决只有串联光电池在受到不均匀光照时，电流受限于光生电流最小的光电池，导致能量的损失和“热斑”现象；而只有并联光电池则电压低，支路间光强差异可能造成电流倒流等问题，优化电路连接方式，保证光电池不受激光不均匀性影响而偏离最大功率点，提高光电池接收器的效率。

附图说明

图1是本发明公开的基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置的结构示意图；

其中，1---激光发射器，2---指示光，3---耦合镜，4---X轴旋转电机，5---X轴反射镜，6---Y轴旋转电机，7---Y轴反射镜，8---激光光束调节器，9---太阳能电池板，10---充电控制电路，11---终端设备。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例公开了一种基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置，该装置通过控制发射镜控的反射角度，达到控制激光出射方向的方法，替代传统技术中的激光器运动，减小电机负载及功耗，增加激光控制精准，同时也能减少基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置外形体积和重量。

同时，该装置采用激光作为载体，即发射端将电能转化为激光能量发射到接收端，接收端再将激光转化为电能。克服了微波发射和接收装置庞大，不适合便携式使用的要求；又避免了电磁感应式中电感电容器件个体偏差以及温度漂移所导致的振荡频率匹配问题。采用不可见波段光波作为能量传递形式，不会造成光污染及对通信信号的干扰。既能做到无线传输，又能有效克服电磁波原理缺陷，实现远距离无线充电。

如图1所示的本发明公开的基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置的结构示意图可知，该基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置由发射端的激光发射器1、指示激光器2、耦合镜3、X轴旋转电机4、X轴反射镜5、Y轴旋转电机6、Y轴反射镜7以及接收端的激光光束调节器8、太阳能电池板9、充电控制电路10构成。

其中与激光发射器1垂直的指示激光器2发出的可见指示光经过耦合镜3与水平方向出射的激光耦合在一起，经过后面的X轴反射镜5、Y轴反射镜7以及激光光束调节器8投射到太阳能电池板9上，用于指示充电激光的位置，便于激光与太阳能板的对准。

具体应用中，指示激光器2可用几毫瓦的650nm的红光激光器，也可用532nm的绿光激光器。

X轴反射镜5通过X轴旋转电机轴与X轴旋转电机4相连，并可绕X轴旋转电机轴旋转；Y轴反射镜7通过Y轴旋转电机轴与Y轴旋转电机6相连，并可绕Y轴旋转电机轴旋转，两旋转电机相互垂直，通过控制X轴反射镜5和Y轴反射镜7的反射角度，达到激光束的偏转，保证激光的两维自由度，便于激光的捕获。两电机可通过无线遥控器或者手机等电子终端蓝牙控制，用于激光与太阳能电池板的快速准确对准。

外部的终端设备11通过所述充电控制电路10与所述太阳能电池板9相连并接收供电，其中充电控制电路10还具有对所述太阳能电池板9输出的电能进行稳压限流的功能，提供稳定的电流输出给外部的终端设备11。

基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置中激光发射器1采用半导体激光器，具有重量轻，运转可靠、耗电少、效率高、体积小，便携性好的优点，可以实现作为充电电池的无线可充电移动电源使用。半导体激光器808nm的波长和目前商业化程度比较高的多晶硅、单晶硅、嫁砷(GaAs)材料的太阳能电池板，其带隙宽度和808nm波长激光正好匹配，具有很高的光电转换效率。特别是砷化镓材料，光电转换效率可达50％，因此基于红光保护的激光远距离无线充电装置中太阳能电池板9采用砷化镓(GaAs)材料。

基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置中激光发射器1也可以采用二极管泵浦固体激光器，固体激光器不仅具体积小、寿命长、运转可靠等特点，还具有更高的输出功率(如100kw)，并且可以在大功率下保持较高的辐射率等优势，因此也适合激光远程充电。值得注意的是二极管泵浦固体激光器所产生的激光波长大于1000nm，对于普遍采用Si和GaAs材料的太阳能电池板来说，在这个波长段光电转换效率还很低，因此选用1000nm激光波长处转换效率高的铟镓砷(InGaAs)材料(1064nm处光电转化效率50％)太阳能电池板。

太阳能电池板9前方位置安装有激光光束调节器8，用于调整激光光斑大小，使得激光光斑基本均匀地照射到整个太阳能电池板9上，不出现光斑相对太阳能电池板9过小或者过大的现象。这样就能保证太阳能电池板9既不在强激光发射器的照射下过热而损坏；又不会光斑过大超出太阳能电池板9接收范围而浪费，降低光照强度从而充电电流下降；也避免了激光出射时就调整激光光斑大小，扩大发散角，造成激光在传输过程的损耗，提高了传输距离。

激光光束调节器8可以是单片透镜，也可以为组合透镜。

具体应用中，采用激光光束调节器优化激光器输出的激光光束发散角和提高输出激光能量的均匀性。保证光斑均匀覆盖，并且光斑尺寸与光电池片匹配，达到光损耗最小的目的。解决激光能量分布不均匀，导致光电池接收器效率低下问题。

太阳能电池板9由多个光电池板串并联构成，用于克服激光光照能量分布不均匀，导致光电池接收器效率低下问题，太阳能电池板9将激光信号转化成电信号，电信号通过充电控制电路9的升压稳压放大，实现终端设备10的远程无线充电。

具体应用中，采用多个光电池板串并联构成太阳能电池板，解决只有串联光电池板在受到不均匀光照时，电流受限于光生电流最小的光电池，导致能量的损失和“热斑”现象；而只有并联光电池则电压低，支路间光强差异可能造成电流倒流等问题，优化电路连接方式，保证光电池不受激光不均匀性影响而偏离最大功率点，提高光电池接收器的效率。

本实施例公开的基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置采用控制反射镜的反射角度，达到控制激光出射方向的方法，替代现有技术中的激光器运动，减小电机负载及功耗，增加激光控制精准，同时也能减少基于旋转反射镜的激光远距离无线充电装置外形体积和重量。

整个激光远距离无线充电装置具有充电效率高，能量损耗少，充电速度快，不受距离限制，充电装置外形尺寸小，可在室内外任意位置进行充电，使用便利，而且采用不可见波段光波作为能量传递形式，不会造成光污染及对通信信号的干扰。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置，包括激光发射端和激光接收端，其特征在于，所述激光发射端包括：激光发射器(1)、指示激光器(2)、耦合镜(3)、X轴旋转电机(4)、X轴反射镜(5)、Y轴旋转电机(6)和Y轴反射镜(7)，所述激光接收端包括：太阳能电池板(9)和充电控制电路(10)，

其中，所述X轴反射镜(5)固定在所述X轴旋转电机(4)上，所述Y轴反射镜(7)固定在所述Y轴旋转电机(6)上；

所述激光发射器(1)发出的激光依次通过位于光路上的所述耦合镜(3)、所述X轴反射镜(5)、所述Y轴反射镜(7)后投射到所述太阳能电池板(9)，并且所述激光发射器(1)发出的激光的光束密度、波长与所述太阳能电池板(9)的光电池板材料的能隙宽度匹配；

外部的终端设备通过所述充电控制电路(10)与所述太阳能电池板(9)相连并接收供电；

所述指示激光器(2)垂直设置于所述激光发射器(1)的上方，其发出的可见指示光经过所述耦合镜(3)与所述激光发射器(1)水平方向出射的激光耦合在一起，经过所述X轴反射镜(5)以及所述Y轴反射镜(7)后投射到所述太阳能电池板(9)上，用于指示充电激光的位置，便于激光与太阳能板的对准。

2.根据权利要求1所述的基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置，其特征在于，所述X轴反射镜(5)通过X轴旋转电机轴与所述X轴旋转电机(4)相连，并可绕X轴旋转电机轴旋转；所述Y轴反射镜(7)通过Y轴旋转电机轴与所述Y轴旋转电机(6)相连，并可绕Y轴旋转电机轴旋转，两旋转电机相互垂直，通过控制所述X轴反射镜(5)和所述Y轴反射镜(7)的反射角度，达到激光束的偏转，保证激光的两维自由度，便于激光的捕获。

3.根据权利要求1所述的基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置，其特征在于，

所述X轴旋转电机(4)和所述Y轴旋转电机(6)通过无线遥控器或者电子终端进行蓝牙控制，用于激光与太阳能电池板的快速准确对准。

4.根据权利要求1所述的基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置，其特征在于，

所述激光接收端还包括激光光束调节器(8)，安装固定在所述太阳能电池板(9)前方位置，用于调整激光光斑大小，使得激光光斑均匀地照射到整个所述太阳能电池板(9)上。

5.根据权利要求4所述的基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置，其特征在于，

所述激光光束调节器(8)是单片透镜或者组合透镜。

6.根据权利要求1所述的基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置，其特征在于，

所述太阳能电池板(9)由多个光电池板串并联构成。

7.根据权利要求1所述的基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置，其特征在于，

所述激光发射器(1)采用半导体激光发射器或者二极管泵浦固体激光发射器。

8.根据权利要求7所述的基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置，其特征在于，

所述激光发射器(1)采用808nm波长半导体激光发射器或1064nm波长二极管泵浦固体激光发射器。

9.根据权利要求1所述的基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置，其特征在于，

所述太阳能电池板(9)采用GaAs材料或InGaAs材料的光电池板。

10.根据权利要求1所述的基于旋转发射镜的激光远距离无线充电装置，其特征在于，

所述充电控制电路(10)对所述太阳能电池板(9)输出的电能进行稳压限流，提供稳定的电流输出给外部的终端设备。