CN107947393B - 一种自适应波前整形激光充电系统及其充电方法 - Google Patents

一种自适应波前整形激光充电系统及其充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自适应波前整形激光充电系统及其充电方法，包括连续激光器、准直系统、云台、太阳能电池板、计算机、变形反射镜、红外相机、电池输出功率实时监测无线发射模块和若干片贴片式温度传感器；连续激光器发出的激光经变形反射镜反射到准直系统，经准直系统准直放大后，射到太阳能电池板的前表面上，贴片式温度传感器以阵列形式粘贴在太阳能电池板后表面，电池输出功率实时监测无线发射模块将贴片式温度传感器的温度数据和太阳能电池板的实时输出功率采集后以无线形式传给计算机，变形反射镜和红外相机分别与计算机连接，红外相机的镜头对准太阳能电池板前表面。本发明有效解决了太阳能电池板局部温度过高或光照强度分布不均匀的问题。

Description

一种自适应波前整形激光充电系统及其充电方法
技术领域
本发明属于激光无线充电技术，具体涉及一种自适应波前整形激光充电系统及其充电方法。
背景技术
近年来激光无线能量传输技术日益受到人们的关注，在军用和民用领域都有较大的发展。作为能量的接收装置，太阳能电池的设计也由原来的宽光谱转变为针对特定光谱的太阳能电池。目前，用于激光能量传输的太阳能电池板一般是由多个太阳能电池单元通过串联和并联的方式组合而成，太阳能电池板所接收的能量密度是太阳常数的几倍、几十倍甚至上百倍，由于激光能量的类高斯分布或散热不均匀等原因难免会出现太阳能电池板局部温度过高的问题。太阳能电池本身对温度比较敏感，而局部高温会直接影响太阳能电池板的整体性能，不但会影响电池板的转换效率，也会减少其使用寿命。
专利申请号：201610097652.0公开了一种《室内自动激光充电系统及方法》，该设计采用蓝牙定位待充电设备的位置，再利用X轴和Z轴电机驱动激光发射器进行之字型低功率激光移动，以完成待充电设备的定位，进而完成充电。该方法不受距离限制，采用不可见波段传输能量不会造成光污染，但是该方案仍存在以下不足：1、没有激光准直系统，没考虑到光斑的尺寸；2、没考虑当距离改变时光斑尺寸及形状的变化；3、没有考虑接收器上光斑能量的分布，以及高功率作用下接收器接收表面温度分布不均匀问题。这些严重制约了电池从激光到电的转化效率，另外该方案仅限室内应用，很难实现远距离传输。
专利申请号：201510102715.2，公开了《一种无人机用无线激光充电设备及其充电系统》，该设计包括无线激光发射器基站和太阳能接收器，两者通过无线网相互控制，无线激光发射器基站可以实现无人机的锁定、跟踪，实现对无人机快速充电。无人机上各检测模块可实现太阳能电池板温度的检测，输出电压电流检测，防止由于激光功率过大造成的太阳能电池板温度过高等，实现对系统的保护。该设计是一个开环操作，其中没有考虑对激光束的波前的不均匀性，太阳能电池板表面温度的控制。光照不均匀，可能会直接导致充电效率的下降甚至无电能输出，该方案缺少对这种情况的操作，因而很难实现较高效率的输出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应波前整形激光充电系统及其充电方法，可以有效解决太阳能电池板局部温度过高或光照强度分布不均匀的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种自适应波前整形激光充电系统，包括连续激光器、准直系统、云台、太阳能电池板、计算机、变形反射镜、红外相机、电池输出功率实时监测无线发射模块和若干片贴片式温度传感器；连续激光器、变形反射镜、准直系统和红外相机均固定在云台上，变形反射镜位于连续激光器的出射光路上，准直系统位于变形反射镜的反射光路上，太阳能电池板的前表面位于准直系统的出射光路上，若干片贴片式温度传感器以阵列形式粘贴在太阳能电池板后表面，电池输出功率实时监测无线发射模块将贴片式温度传感器的温度数据和太阳能电池板的实时输出功率采集后以无线形式传给计算机，变形反射镜和红外相机分别与计算机连接，红外相机的镜头对准太阳能电池板前表面。
所述连续激光器发出的激光经变形反射镜反射到准直系统，经准直系统准直放大后，射到太阳能电池板的前表面上，云台用于调节准直系统出射的激光束方向对准太阳能电池板，红外相机采集太阳能电池板图像，获取表面光强分布数据，并传递到计算机，同时电池输出功率实时监测无线发射模块将贴片式温度传感器的温度数据和太阳能电池板的实时输出功率采集后以无线形式传给计算机，计算机根据获得的太阳能电池板的温度、实时输出功率及其前表面光强分布，自适应控制变形反射镜，使太阳能电池板的功率输出达到最佳。
基于自适应波前整形激光充电系统的充电方法，方法如下：打开连续激光器，连续激光器发出的激光经变形反射镜反射到准直系统，经准直系统准直放大后，射到太阳能电池板的前表面上；红外相机采集太阳能电池板图像，获取表面光强分布数据，并传递到计算机，同时电池输出功率实时监测无线发射模块将贴片式温度传感器的温度数据和太阳能电池板的实时输出功率采集后以无线形式传给计算机，计算机根据获得的太阳能电池板的温度、实时输出功率及其前表面光强分布，自适应控制变形反射镜，使太阳能电池板的功率输出达到最佳。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）本发明在太阳能电池板后表面粘贴了贴片式温度传感器，在云台上安装了红外相机，通过贴片式温度传感器和红外相机可以实时监测太阳能电池后表面的温度分布和前表面的光照强度分布，该数据可有效的预测太阳能电池的输出性能，进而对光照强度分布做出调整；（2）计算机通过计算处理温度，光强分布数据和实时电池板电流输出，通过控制变形反射镜调整激光束波前，不断改变光强分布，使太阳能电池始终处于最佳工作状态；（3）本发明能够实现自适应波前整形，整个激光充电系统实现自动化智能化。
附图说明
图1为本发明自适应波前整形激光充电系统的原理示意图。
图2为本发明的太阳能电池板后表面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1和图2，一种自适应波前整形激光充电系统，包括连续激光器1、准直系统3、云台6、太阳能电池板4、计算机7、变形反射镜2、红外相机5、电池输出功率实时监测无线发射模块9和若干片贴片式温度传感器8；连续激光器1、变形反射镜2、准直系统3和红外相机5均固定在云台6上，变形反射镜2位于连续激光器1的出射光路上，准直系统3位于变形反射镜2的反射光路上，太阳能电池板4的前表面位于准直系统3的出射光路上，若干片贴片式温度传感器8以阵列形式粘贴在太阳能电池板4后表面，电池输出功率实时监测无线发射模块9将贴片式温度传感器8的温度数据和太阳能电池板4的实时输出功率采集后以无线形式传给计算机7，变形反射镜2和红外相机5分别与计算机7连接，红外相机5的镜头对准太阳能电池板4前表面。
所述连续激光器1发出的激光经变形反射镜2反射到准直系统3，经准直系统3准直放大后，射到太阳能电池板4的前表面上，云台6用于调节准直系统3出射的激光束方向对准太阳能电池板4，红外相机5采集太阳能电池板图像，获取表面光强分布数据，并传递到计算机7，同时电池输出功率实时监测无线发射模块9将贴片式温度传感器8的温度数据和太阳能电池板4的实时输出功率采集后以无线形式传给计算机7，计算机7根据获得的太阳能电池板4的温度、实时输出功率及其前表面光强分布，自适应控制变形反射镜2，使太阳能电池板4的功率输出达到最佳。
所述各贴片式温度传感器8之间相互独立。
连续激光器1输出波长范围1060~1080nm，输出能量0~200W连续可调，光斑直径7mm。
所述变形反射镜2由基于MEMS（微机电系统）的压电可变形反射镜实现，反射镜的光瞳10mm，适用光谱范围450nm~20um，该反射镜具有40个电极控制变形，可在±2mrad范围内向任意方向偏转，最高刷新频率4kHz，通过USB总线接口与计算机建立连接。
本发明的连续激光器1、变形反射镜2、准直系统3和红外相机5固定在云台6上，云台6有两部步进电机控制，分别可以在水平方向的圆周运动，以及竖直方向的圆周运动，运动角度分别为±45°和±15°。通过计算机7的控制使激光照射在太阳能电池板4的前表面。
若干片贴片式温度传感器8以阵列的形式均匀分布于太阳能电池板4后表面，测量后表面的二维温度分布，其相互间独立，且分别与电池输出功率实时监测无线发射模块9相连。红外相机5固定与云台6上，用于拍摄太阳能电池板4前表面的激光强度分布，并将数据传输给计算机7。
基于自适应波前整形激光充电系统的充电方法，方法如下：打开连续激光器1，连续激光器1发出的激光经变形反射镜2反射到准直系统3，经准直系统3准直放大后，射到太阳能电池板4的前表面上；红外相机5采集太阳能电池板图像，获取表面光强分布数据，并传递到计算机7，同时电池输出功率实时监测无线发射模块9将贴片式温度传感器8的温度数据和太阳能电池板4的实时输出功率采集后以无线形式传给计算机7，计算机7根据获得的太阳能电池板4的温度、实时输出功率及其前表面光强分布，自适应控制变形反射镜2，使太阳能电池板4的功率输出达到最佳。

Claims (5)

1.一种自适应波前整形激光充电系统，包括连续激光器（1）、准直系统（3）、云台（6）、太阳能电池板（4）和计算机（7）；其特征在于：还包括变形反射镜（2）、红外相机（5）、电池输出功率实时监测无线发射模块（9）和若干片贴片式温度传感器（8）；连续激光器（1）、变形反射镜（2）、准直系统（3）和红外相机（5）均固定在云台（6）上，变形反射镜（2）位于连续激光器（1）的出射光路上，准直系统（3）位于变形反射镜（2）的反射光路上，太阳能电池板（4）的前表面位于准直系统（3）的出射光路上，若干片贴片式温度传感器（8）以阵列形式粘贴在太阳能电池板（4）后表面，电池输出功率实时监测无线发射模块（9）将贴片式温度传感器（8）的温度数据和太阳能电池板（4）的实时输出功率采集后以无线形式传给计算机（7），变形反射镜（2）和红外相机（5）分别与计算机（7）连接，红外相机（5）的镜头对准太阳能电池板（4）前表面；
所述连续激光器（1）发出的激光经变形反射镜（2）反射到准直系统（3），经准直系统（3）准直放大后，射到太阳能电池板（4）的前表面上，云台（6）用于调节准直系统（3）出射的激光束方向对准太阳能电池板（4），红外相机（5）采集太阳能电池板图像，获取前表面光强分布数据，并传递到计算机（7），同时电池输出功率实时监测无线发射模块（9）将贴片式温度传感器（8）的温度数据和太阳能电池板（4）的实时输出功率采集后以无线形式传给计算机（7），计算机（7）根据获得的太阳能电池板（4）的温度、实时输出功率及其前表面光强分布，自适应控制变形反射镜（2），使太阳能电池板（4）的功率输出达到最佳。
2.根据权利要求1所述的自适应波前整形激光充电系统，其特征在于：所述各贴片式温度传感器（8）之间相互独立。
3.根据权利要求1所述的自适应波前整形激光充电系统，其特征在于：所述连续激光器（1）输出波长范围1060~1080nm，输出能量0~200W连续可调，光斑直径7mm。
4.根据权利要求1所述的自适应波前整形激光充电系统，其特征在于：所述变形反射镜（2）采用基于MEMS的压电可变形反射镜，反射镜的光瞳10mm，适用光谱范围450nm~20um。
5.一种基于权利要求1-4中任意一项所述的自适应波前整形激光充电系统的充电方法，其特征在于，方法如下：打开连续激光器（1），连续激光器（1）发出的激光经变形反射镜（2）反射到准直系统（3），经准直系统（3）准直放大后，射到太阳能电池板（4）的前表面上；红外相机（5）采集太阳能电池板图像，获取前表面光强分布数据，并传递到计算机（7），同时电池输出功率实时监测无线发射模块（9）将贴片式温度传感器（8）的温度数据和太阳能电池板（4）的实时输出功率采集后以无线形式传给计算机（7），计算机（7）根据获得的太阳能电池板（4）的温度、实时输出功率及其前表面光强分布，自适应控制变形反射镜（2），使太阳能电池板（4）的功率输出达到最佳。
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