CN107769723A - 用于激光无线充电的积分球式光伏接收装置 - Google Patents

Abstract

一种用于激光无线充电的积分球式光伏接收装置，包括激光器、扩束镜、积分球式光伏接收器和充电控制电路，激光器的输出侧安置有扩束镜，扩束镜输出侧安置有积分球式光伏接收器，积分球式光伏接收器与充电控制电路连接；积分球式光伏接收器由两个半圆球体连接，半圆球体包括导热物质进口、积分球底座、安装定位孔、光伏电池、导热槽和导热物质出口；光伏电池是由曲面光伏电池构成的半圆形结构接收器，中间为空心，光伏电池位于积分球底座上，积分球底座的上部两端设有用于安装固定两个半圆球体的安装定位孔，积分球底座开有贯通的导热槽，导热槽设置导热物质进口和导热物质出口。本发明提供了一种结构简单、性能稳定、经久耐用、匀光效果理想的用于激光无线充电的光伏接收装置。

Description

用于激光无线充电的积分球式光伏接收装置

技术领域

本发明属于光伏接收器，尤其是一种用于激光无线充电的光伏接收装置。

背景技术

电力输送有多种形式，目前最普遍的是有线输送，充电器与电子设备间必须有电线连接；也可以采用蓄电池携带，在某地充电在另外一地放电；另外就是无线充电，目前主要的几种无线充电方法主要有太阳能、微波、电磁感应、磁共振和激光充电。

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，激光系统的能量传输密度大，为微波的100倍，其次方向性好，强度不受限，目前已在一些特殊领域具有一定的应用。但激光光强分布不均匀，导致光伏接收器的能量损失严重，实验测得能量损失可高达78％，光伏接收器效率低下极大的限制激光无线能量传输技术的实际应用。

通过对光伏接收器的电路连接进行改进可提高其效率，如采用盘路二极管和阻塞二极管来提高串联光伏电池的输出功率，但在不均匀光照下存在多峰现象，容易偏离最大功率点，导致组件整体效率降低。并联组件的功率曲线没有多峰现象，原因在于光伏电池开路电压与光强呈对数关系，受光强影响小，但组件电压较低，输出电流大会加剧电阻损耗。

发明内容

为了克服已有光伏接收器的效率较低、电阻损耗较大的不足，本发明采用积分球式结构实现照射光均匀入射到光伏电池上，解决激光能量分布不均匀导致的光生电流、电压大小不同造成效率低下问题，提供一种结构简单、性能稳定、经久耐用、匀光效果理想的用于激光无线充电的积分球式光伏接收装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于激光无线充电的积分球式光伏接收装置，包括激光器、扩束镜、积分球式光伏接收器和充电控制电路，所述激光器的输出侧安置有扩束镜，所述扩束镜输出侧安置有积分球式光伏接收器，所述积分球式光伏接收器与所述充电控制电路连接；所述积分球式光伏接收器由两个半圆球体连接，所述半圆球体包括导热物质进口、积分球底座、安装定位孔、光伏电池、导热槽和导热物质出口；所述光伏电池是由曲面光伏电池构成的半圆形结构接收器，中间为空心，所述光伏电池位于所述积分球底座上，所述积分球底座的上部两端设有用于安装固定两个半圆球体的安装定位孔，所述积分球底座开有贯通的导热槽，所述导热槽设置导热物质进口和导热物质出口。

进一步，所述激光器采用808nm波长的激光器或采用二极管泵浦固体激光器。

再进一步，所述扩束镜采用伽利略式多倍扩束镜，扩束镜由二个镜片组成，包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜，输入镜将虚焦点光束传输给输出镜，二镜片两面镀有808nm或者1000nm窄带增透膜。

更进一步，所述光伏电池是单晶硅、多晶硅、GaAs、铟嫁砷InGaAs材料构成，其带隙宽度和808nm波长或者1000nm激光好匹配。

所述充电控制电路包括电压稳定和控制系统，采用超小型升/降压控制器芯片，输入0.9V-5V任意直流电压。

本发明提出的用于激光无线充电的积分球式光伏接收装置采用积分球式的光伏电池接收器结构，即将光伏电池组合成一个内部空心的球体，球内壁为光伏电池接收面，入射激光在球内壁上经过多次反射后，不同次数的全反射光形成许多二次光源，达到光积分效果，实现输出光均匀化。该光伏接收器具有结构简单、性能稳定，经久耐用、匀光效果理想等优点。解决了激光能量分布不均匀导致的光生电流、电压大小不同，从而造成传输能量损失和电能输出效率低下等问题。

本发明的有益效果主要表现在：

1、入射激光照射到内壁上某一位置时，不仅发生光被硅材料吸收，光子能量传递给硅原子，产生一定功率输出，而且会将剩余激光通过反射传递给空心球体另一内壁位置，使得入射激光不断被光伏电池吸收和反射。这样不仅能在光伏电池中产生光生电压，还能在相对封闭的空腔中实现激光在光伏电池表面的重复利用，提高光伏接收器光电转换的整体效率。

2、不同角度的入射光和反射光照射到内壁上的不同位置，这样空心球体内壁上的每个点都将得到来自激光光源的不同角度光照射，每一点的光强分布是由好多光线之和构成，亦即空心球体内壁上每一点的光强为来自激光的不同角度光的积分，达到光积分的效果，极大的破坏了原来激光光源的干涉作用，实现激光能量的均匀分布。解决了激光能量分布不均匀导致的光生电流、电压大小不同，从而导致传输能量损失和电能输出效率低下等问题。

3、采用铜质热沉被动散热和导热物质主动散热相结合的方法，保证积分球内部与光伏电池的热量能被空气和导热物质及时带走，从而降低积分球接收器内部和光伏电池的温度，确保光伏接收器能正常工作，解决高功率激光辐射产生的光伏电池温度迅速升高，导致光伏电池效率降低的问题。

4、采用激光无线充电方式，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等特点。该装置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％。

5、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光源使用，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GaAs材料和铟嫁砷(InGaAs)材料的光电池板的能隙宽度匹配，具有较高的光电转换效率，而且热损耗小。

6、采用扩束镜调整激光光斑尺寸，保证光斑不至于太小而导致光伏电池在强激光器的照射下过热而损坏。

7、半圆式光伏接收器是由曲面光伏电池串并联组成，可弯曲的材料便于构建具有弧形的半圆形接收器，形成相对封闭的空腔，实现激光在光伏电池表面的重复利用，提高整体的效率。该接收器具有结构简单，体积小，使用方便，可保证各个组合电路的输出电压、输出电流相近似，进一步克服激光光照能量分布不均匀，导致光电池接收器的电能输出效率的降低的问题。

8、充电控制电路采用电压稳定和控制系统，用于升高过低输出电压和降低过高输出电压，保证各个光伏电池单元之间的输出电压差值范围内变小，提高光伏接收器的输出效率。具有体积小、功率密度大、效率高，可靠性高、电路结构简单、功能完善等优点。

附图说明

图1是用于激光无线充电的积分球式光伏接收装置的示意图。

图2是积分球式光伏接收器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种用于激光无线充电的积分球式光伏接收装置，包括激光器1、扩束镜2、入射激光3、积分球式光伏接收器4、充电控制电路5和终端设备6。

所述激光器1采用808nm波长的激光器作为激光无线充电光源。半导体激光器808nm的波长和GaAs材料的太阳能电池板带隙宽度正好匹配，光电转换效率可达50％，因此对于采用808nm波长激光器的无线充电系统中积分球式光伏接收器4最好采用GaAs。

所述激光器1也可以采用二极管泵浦固体激光器，固体激光器不仅具有体积小、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，因此需要选用在1000nm激光波长处转换效率高的铟嫁砷(InGaAs)(1000nm处光电转化效率50％)太阳能电池。

所述扩束镜2采用伽利略式多倍扩束镜，扩束镜由二个镜片组成，包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜，输入镜将虚焦点光束传输给输出镜，二镜片两面镀有808nm或者1000nm窄带增透膜，增加激光的透光率。扩束镜2的作用是将激光器1发出的激光束转变成符合激光充电需要的激光光斑形状，即对激光进行准直，减小激光束的发散角，调整激光光斑尺寸，保证积分球式光伏接收器4不会在小光斑的强激光的照射下过热而损坏。

所述激光器1输出的具有一定发散角的入射激光3经过扩束镜，进入光伏电池组合成的内部空心球体里，其中光伏电池可以是单晶硅、多晶硅、GaAs、铟嫁砷(InGaAs)等材料构成，其带隙宽度和808nm波长或者1000nm激光正好匹配，具有很高的光电转换效率。激光以一定的角度照射到内壁上某一位置时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁形成了电位差，产生一定的输出功率。剩余激光则在该处内壁上发生反射，使得激光传播方向发生改变，照射到空心球体另一内壁位置上，再一次发生吸收和反射两个过程，以此类推不断吸收和反射，相当于将入射激光“囚禁”在相对密闭的空腔内，实现入射激光在光伏电池表面的重复利用，提高整体的效率。同时不同角度的入射光和反射光照射到内壁上的不同位置，形成许多二次光源，达到光积分的效果，实现激光能量的均匀分布。解决了激光能量分布不均匀导致的光生电流、电压大小不同，从而造成传输能量损失和电能输出效率低下等问题。该光伏接收器具有结构简单、性能稳定，经久耐用、利用率高、匀光效果理想等优点。

所述充电控制电路5包括电压稳定和控制系统。采用超小型升/降压控制器芯片，输入0.9V-5V任意直流电压，可获得稳定直流电压输出。具有转换效率高、体积小、功率密度大、可靠性高、电路结构简单、功能完善等优点。用于降低受到照射光强较高的光伏电池单元输出电压，以及升高照射光强不足的光伏电池单元输出电压，从而降低两者之间的输出电压差值，提高光伏接收器的输出效率。

所述积分球式光伏接收器4将激光信号转化成电信号，电信号通过充电控制电路5的稳压控制后，实现终端设备6的远程无线充电。

所述积分球式光伏接收器4由两个如图2所示半圆球体通过螺钉固定而成，该部件包括导热物质进口41，积分球底座42、43安装定位孔、光伏电池44、导热槽45、导热物质出口46，其中安装定位孔43用于安装固定两个半圆球体。光伏电池44是由曲面光伏电池构成的半圆形结构接收器，中间为空心。

由于积分球结构内部空间的密闭，导致在大功率、高热辐射光源照射时，热量累积在积分球内部与光伏电池44上，导致两者温度不断升高，从而影响光伏电池的效率。因此本发明采用被动散热和主动散热相结合的办法，解决高功率激光辐射产生的光伏电池温度迅速升高，导致光伏电池的效率降低问题。其中采用半圆形光伏电池44固定在散热效果好的铜质积分球底座42上构成一种简单、价格便宜、易加工的被动散热方法。而积分球底座42中由导热物质进口41、导热槽45、导热物质出口46构成的直径比较大的导热通道，通道和一定压力的导热物质源相连构成一种主动散热方法，使导热槽45内保持有速度很大的导热物质流动，这样积分球内部与光伏电池44上的热量能及时地被导热物质带走，从而降低热沉的温度，确保激光无线充电装置的正常工作。

Claims (5)

1.一种用于激光无线充电的积分球式光伏接收装置，其特征在于：所述装置包括激光器、扩束镜、积分球式光伏接收器和充电控制电路，所述激光器的输出侧安置有扩束镜，所述扩束镜输出侧安置有积分球式光伏接收器，所述积分球式光伏接收器与所述充电控制电路连接；所述积分球式光伏接收器由两个半圆球体连接，所述半圆球体包括导热物质进口、积分球底座、安装定位孔、光伏电池、导热槽和导热物质出口；所述光伏电池是由曲面光伏电池构成的半圆形结构接收器，中间为空心，所述光伏电池位于所述积分球底座上，所述积分球底座的上部两端设有用于安装固定两个半圆球体的安装定位孔，所述积分球底座开有贯通的导热槽，所述导热槽设置导热物质进口和导热物质出口。

2.如权利要求1所述的用于激光无线充电的积分球式光伏接收装置，其特征在于：所述激光器采用808nm波长的激光器或采用二极管泵浦固体激光器。

3.如权利要求1或2所述的用于激光无线充电的积分球式光伏接收装置，其特征在于：所述扩束镜采用伽利略式多倍扩束镜，扩束镜由二个镜片组成，包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜，输入镜将虚焦点光束传输给输出镜，二镜片两面镀有808nm或者1000nm窄带增透膜。

4.如权利要求1或2所述的用于激光无线充电的积分球式光伏接收装置，其特征在于：所述光伏电池是单晶硅、多晶硅、GaAs、铟嫁砷InGaAs材料构成，其带隙宽度和808nm波长或者1000nm激光好匹配。

5.如权利要求1或2所述的用于激光无线充电的积分球式光伏接收装置，其特征在于：所述充电控制电路包括电压稳定和控制系统，采用超小型升/降压控制器芯片，输入0.9V-5V任意直流电压。