CN113541336B - 一种激光无线功率传输中功率球接收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光无线功率传输中功率球接收器，包括：功率球，设置有至少两个光入口；反射棱镜，位于所述功率球内；分光组件，用于将激光分成至少两束，并分别从所述至少两个光入口进入所述功率球，且经过所述反射棱镜反射至所述功率球。在将激光分成至少两束分光束的基础上，每束分光束自光入口进入功率球后，经过反射棱镜分别反射至功率球，扩大直射区域的范围，提高功率球的光均匀性。

Description

一种激光无线功率传输中功率球接收器

技术领域

本发明涉及功率球接收器技术领域，尤其涉及的是一种激光无线功率传输中功率球接收器。

背景技术

功率球是由光伏电池拼接成的封闭的球体，是激光无线功率传输中的接收器，功率球的内表面为光伏电池的光接收面，用于激光的吸收。由于功率球的激光入射口直径很小，经过远程传输的激光进入功率球后，会被“囚禁”在相对封闭的功率球内。在光伏电池光接收面上，部分激光被吸收，部分激光被反射，反射的激光会被传输到功率球其他位置的光伏电池上，再次被吸收和反射，如此循环下去直到激光被完全吸收完。

基于上述原理，功率球要获得理想的光均匀效果，激光必须能够进行足够多次的反射。现有技术中，由于光伏电池的吸收高于70％，直接照射的光伏电池吸收的激光功率远大于反射激光的功率，同时造成大部分激光快速的被吸收掉，也就是激光在传输过程中快速衰减，能够反射的次数有限，最终形成了被入射激光直接照射区域的功率远高于被反射激光照射区域，造成功率球的光均匀性较差。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种激光无线功率传输中功率球接收器，旨在解决现有技术中功率球的光均匀性较差的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种激光无线功率传输中功率球接收器，其中，包括：

功率球，设置有至少两个光入口；

反射棱镜，位于所述功率球内；

分光组件，用于将激光分成至少两束，并分别从所述至少两个光入口进入所述功率球，且经过所述反射棱镜反射至所述功率球。

所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其中，所述反射棱镜位于所述功率球的球心处；所述反射棱镜包括：

至少两个球冠部，各所述球冠部的弧形面分别朝向各所述光入口。

所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其中，所述光入口有两个，所述分光组件将激光分成两束，所述球冠部有两个，两个所述光入口以及所述反射棱镜位于同一条直线上。

所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其中，所述弧形面两端的切线相互垂直。

所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其中，所述激光的波长选自808nm、532nm、1064nm中的一种；和/或

所述球冠部的弧形面上设置有反射膜，所述反射膜为反射对应波长的激光的膜；和/或

所述球冠部的底面直径等于所述激光的光斑直径；和/或

所述激光为平行光。

所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其中，所述分光组件包括：

分光镜，所述分光镜分束的激光分别经两个光入口进入所述功率球；

其中，所述分光镜为半透半反镜、立体分光镜或偏振分光镜。

所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其中，所述分光镜为半透半反镜；所述分光组件还包括：

第一反射镜和第二反射镜，均位于所述直线上；

所述第一反射镜用于将所述半透半反镜反射的激光反射至所述反射棱镜；

所述第二反射镜用于将所述半透半反镜透射的激光反射至所述反射棱镜。

所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其中，所述分光组件还包括：

第三反射镜，位于所述半透半反镜的反射方向上，并将所述半透半反镜反射的激光反射至所述第一反射镜；

所述第二反射镜位于所述半透半反镜的透射方向上；或者当所述第二反射镜不位于所述半透半反镜的透射方向上时，所述分光组件还包括：

第四反射镜和第五反射镜；

其中，所述第四反射镜位于所述半透半反镜的透射方向上并将所述半透半反镜透射的激光反射至所述第五反射镜；所述第五反射镜将所述第四反射镜反射的激光反射至所述第二反射镜。

一种提高激光无线功率传输中功率球接收器的均匀性的方法，其中，应用于如上述任意一项所述的激光无线功率传输中功率球接收器，所述方法包括步骤：

提供激光；

通过所述分光组件将所述激光分成至少两束，并分别从所述至少两个光入口进入所述功率球；

通过所述反射棱镜将至少两束光反射至所述功率球。

所述的提高激光无线功率传输中功率球接收器的均匀性的方法，其中，各所述光入口呈中心对称分布，所述方法还包括：

每隔预设时间，以球心为中心旋转所述功率球，其中，旋转后功率球的光入口的位置与旋转前功率球另一光入口的位置重合。

有益效果：在将激光分成至少两束分光束的基础上，每束分光束自光入口进入功率球后，经过反射棱镜分别反射至功率球，扩大直射区域的范围，提高功率球的光均匀性。

附图说明

图1是本发明实施例中激光无线功率传输中功率球接收器的结构示意图。

图2是本发明实施例中反射棱镜的结构示意图。

附图标记说明：

1、功率球；11、光入口；2、反射棱镜；21、球冠部；30、分光镜；31、第一反射镜；32、第二反射镜；33、第三反射镜；34、第四反射镜；35、第五反射镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参阅图1-图2，本发明提供了一种激光无线功率传输中功率球接收器的一些实施例。

如图1所示，本发明的一种激光无线功率传输中功率球1接收器，包括：

功率球1，设置有至少两个光入口11；

反射棱镜2，位于所述功率球1内；

分光组件，用于将激光分成至少两束，并分别从所述至少两个光入口11进入所述功率球1，且经过所述反射棱镜2反射至所述功率球1。

功率球1是指由光伏电池拼接成的封闭的球体，反射棱镜2是指具有反射功能的器件，分光组件是指用于将光分成若干束的器件。值得说明的是，现有技术中，提高功率球1的光均匀效果，常用的方法有两种：一是增加直射面积，二是减小直射功率密度。本发明将激光分成至少两束，且至少两束分光束分别进入功率球1，缩小了直射功率球1的光和反射功率球1的光之间的功率差。直射功率球1是指激光未经过功率球1反射直接照射功率球1，反射功率球1是指激光未被功率球1吸收而经过功率球1反射后再照射功率球1。分光束的数量越多，直射功率球1的光和反射功率球1的光之间的功率差越小。

在将激光分成至少两束分光束的基础上，每束分光束自光入口11进入功率球1后，经过反射棱镜2分别反射至功率球1，扩大直射区域的范围，提高功率球1的光均匀性。反射棱镜2反射各分光束至功率球1可以使激光覆盖整个功率球1，由于通过反射棱镜2反射至功率球1，则可以形成至少两个直射区域，各直射区域可以相互重合，所有直射区域覆盖整个功率球1，尽可能多地将光分散于功率球1，提高了光均匀性。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述反射棱镜2位于所述功率球1的球心处。

具体地，反射棱镜2的位置根据分光束传播方向确定，以便自光入口11进入功率球1的激光到达反射棱镜2，并经过反射棱镜2进行反射。为了使所有分光束都可以到达反射棱镜2且扩大反射棱镜2的反射区域，本发明中分光束沿功率球1的径向传播，且反射棱镜2放置在所述功率球1的球心位置。为了确保反射区域能覆盖整个功率球1，本发明中各光入口11均匀分布在功率球1上。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述反射棱镜2包括：

至少两个球冠部21，各所述球冠部21的弧形面分别朝向各所述光入口11。

具体地，球冠部21是指呈球冠形状且具有反射功能的部件，球冠形状是指一个球体被平面所截后剩下部分的形状，球冠部21具有一弧形面和圆平面，弧形面的四周与圆平面的四周连接形成球冠部21。弧形面具有反射功能，采用球冠部21时，通过弧形面反射激光，可以尽可能地扩大反射区域，那么也就扩大该球冠部21对应的直射区域，确保覆盖整个功率球1，并提高了光均匀性。

激光照射到弧形面上，由于弧形面上每一点的法线都是以球冠部21所在球的球心为中心，以不同的角度向外辐射，均匀的分布弧形面的每个点上。根据光反射的定律，照射到此弧形面上的激光将对称的分布于法线的两端，因此反射光也将在以功率球1的球心为中心，均匀的向外辐射到功率球1的内表面上。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述光入口11有两个，所述分光组件将激光分成两束，所述球冠部21有两个，两个所述光入口11以及所述反射棱镜2位于同一条直线上。

具体地，光入口11的数量可以根据需要设置，例如，设置两个光入口11，两个光入口11对称设置在功率球1上，那么两个光入口11位于功率球1的直径的两端，则两个光入口11与反射棱镜2位于同一直线上，也就是位于直径所在的直线上。分光组件将激光分成两束分光束，球冠部21也有两个，每个光入口11对应一个分光束，且对应一个球冠部21，每束分光束经过对应的光入口11进入功率球1，并到达对应的球冠部21。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述光入口11有四个，所述分光组件将激光分成四束，所述球冠部21有四个，两个所述光入口11以及所述反射棱镜2位于同一条直线上，其余两个光入口11以及反射棱镜2位于另一条直线上。例如，四个光入口11分别位于反射棱镜2的前后左右四个方向上。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述光入口11有六个，所述分光组件将激光分成六束，所述球冠部21有六个，六个光入口11分别位于反射棱镜2的前后左右上下六个方向上。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2所示，所述弧形面两端的切线相互垂直。

具体地，弧形面的两端是指弧形面截面上弧线的两端，为了充分覆盖功率球1，弧形面两端的切线相互垂直，则弧形面的反射区域为半球形，则两个球冠部21的弧形面可以覆盖功率球1。

当然也可以是弧形面两端的法线相互垂直，两条法线与圆形面的夹角为45度，垂直照射到该点的激光，入射角为45度，反射角也为45度，也就是激光经过反射棱镜2反射发生90度偏转，因此该分路的入射激光经过反射可以照射到180度范围内的区域，也就是半个功率球1的内表面被这一路激光直接照射。

由于两路激光是对称分布于功率球1的两端，同理另外一路入射激光必将均匀照射到剩余半个功率球1内表面(如1所示，功率球1内实线箭头和虚线箭头分别为两个球冠部反射的，分别属于两路分光路)，形成整个功率球1的内表面都被激光直接照射到，解决入射激光不能完全照射功率球1所有区域的问题，使得直射区域和反射区域的差别不影响功率球1的光均匀效果。

在功率球1中心位置有两个球冠部21，入射的激光分成两路，分别照射到两个球冠部21上，每个球冠部21将一路激光反射到半个功率球1上，形成半个直接照射区域，两个球冠部21的使用，使得功率球1的每个区域都能获得直接照射。分光光路的使用也降低了每路输入激光的功率，从而减小直射和反射的功率差，解决功率球1使用过程中的均匀效果差的问题。

同时分光光路的使用在没有减少总的输入功率的情况下，减少了每路激光的输入功率，从而减少了照射到功率球1内表面的功率球1密度，在吸收率相同的情况下，减少了不同次反射光之间的功率差，降低由于功率球1内表面反射光不能完全照射整个球面造成的光不均匀效果，同时减少激光照射下光伏电池温度升高程度，进而提高光伏电池的转换效率。

采用反射棱镜2的球面反射的方法，将小孔径的光入口11的入射激光增大，均匀的照射到以球心为中心的半个功率球1内表面上。而对称分光光路的使用，进一步将直接照射区域增大到整个功率球1内表面，这样就完全消除掉非直接照射区域，解决掉由于光伏电池光吸收率造成的直射区域远高于反射区域的问题，为功率球1达到光均匀效果提高了基础。

用于提高激光直接照射区域的原理简单，器件的设计和制造简单快捷，加工精度要求低，加工方法常规，加工时间短，成本低，安装精度不高，解决了使用聚光器存在的结构复杂，加工困难，加工成本高等问题。

需要说明的是，采用两个球冠部21时，两个球冠部21的圆形面重合，且球心与圆形面的圆心重合。当采用多个球冠部21时，例如，采用4个球冠部21(分别朝向前后左右四个方向)时，相邻两个球冠部21对应的反射区域重叠。采用6个球冠部21(分别朝向前后左右上下六个方向)，相邻两个球冠部21对应的反射区域重叠。也能充分覆盖功率球1。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述激光的波长选自808nm、532nm、1064nm中的一种。具体地，激光的波长可以根据需要确定。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述球冠部21的弧形面上设置有反射膜，所述反射膜为反射对应波长的激光的膜。

具体地，为了提高球冠部21的反射率，可以在弧形面上设置反射对应波长的反射膜。球冠部21可以采用熔融石英、铝、铜等材料制成球冠形状体，然后在球冠形状体上制作反射膜。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述球冠部21的底面直径等于所述激光的光斑直径。具体地，球冠部21的底面为圆形面，激光进入功率球1后，可以覆盖球冠部21的整个弧形面。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1所示，所述激光为平行光。具体地，激光采用平行光，激光在经过分光组件分光时不会发散，提高激光的利用率。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述分光组件包括：

分光镜30，所述分光镜30分束的激光分别经两个光入口11进入所述功率球1。

具体地，分光镜30是指用于分光的镜构件。分光镜30将激光分成两束，并分别从两个光入口11进入功率球1。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述分光镜30为半透半反镜、立体分光镜30或偏振分光镜30。可以根据需要采用不同的分光镜30。半透半反镜直径为100mm，分光比为50:50，可用波长为355nm-1064nm。分光镜30直径和分光比也可以根据实际需要进行适当调整，分光镜30镜面法线向上，并与入射激光光轴保持45度夹角，入射激光经过半透半反镜后，激光被分成功率相等的两路激光，一路为透射激光，一路为反射激光。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，分光镜30采用半透半反镜时，所述分光组件还包括：

第一反射镜31和第二反射镜32，均位于所述直线上；

所述第一反射镜31用于将所述半透半反镜反射的激光反射至所述反射棱镜2；

所述第二反射镜32用于将所述半透半反镜透射的激光反射至所述反射棱镜2。

具体地，由于两个光入口11分别位于功率球1的两侧，经过分光镜30分束的激光无法直接到达两个光入口11，设置第一反射镜31和第二反射镜32改变分光束的传播方向，使得分光镜30分束的激光可以达到两个光入口11。

由上可知，第一反射镜31和第二反射镜32分别位于两条分光路上，可以理解的是，第一反射镜31和第二反射镜32可以位于同一条分光路上，例如，分光镜30分出的一束分光束直接到达对应的光入口11，另一束分光束通过第一反射镜31和第二反射镜32到达对应的光入口11。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述分光组件还包括：

第三反射镜33，位于所述半透半反镜的反射方向上，并将所述半透半反镜反射的激光反射至所述第一反射镜31。

具体地，半透半反镜的反射方向和透射方向垂直，为了方便控制分光束的传播方向，分光束的传播方向采用竖直方向和水平方向两种，半透半反镜分束的两个分光束无法直接到达第一反射镜31和第二反射镜32，因此，设置第三反射镜33，半透半反镜、第一反射镜31、第二反射镜32以及第三反射镜33形成矩形分布，则可以实现传播方向均为竖直方向和水平方向，那么可以更容易的调整各反射镜的角度，避免激光跑偏的问题。可以理解的是，第三反射镜33，可以位于所述半透半反镜的反射方向上，并将所述半透半反镜反射的激光反射至所述第一反射镜31，还可以位于所述半透半反镜的透射方向上，并将所述半透半反镜透射的激光反射至所述第二反射镜32。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述第二反射镜32位于所述半透半反镜的透射方向上，也就是说，半透半反镜、第一反射镜31、第二反射镜32以及第三反射镜33形成矩形分布。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，当所述第二反射镜32不位于所述半透半反镜的透射方向上时，所述分光组件还包括：

第四反射镜34和第五反射镜35；

其中，所述第四反射镜34位于所述半透半反镜的透射方向上并将所述半透半反镜透射的激光反射至所述第五反射镜35；所述第五反射镜35将所述第四反射镜34反射的激光反射至所述第二反射镜32。

具体地，为了确保两条分光路的传播距离相等，将第三反射镜33设置在反射分光路上，在透射分光路上设置第四反射镜34和第五反射镜35，且激光指向反射透镜，则可以实现反射分光路的长度和透射分光路的长度相同。

基于上述任意一实施例所述的激光无线功率传输中功率球接收器，本发明还提供了一种提高激光无线功率传输中功率球接收器的均匀性的方法的较佳实施例：

如图1所示，本发明实施例的提高激光无线功率传输中功率球接收器的均匀性的方法，应用于如上述任意一实施例所述的激光无线功率传输中功率球接收器，方法包括以下步骤：

步骤S100、提供激光。

具体地，可以通过激光器提供激光。激光在传输前经过扩束镜准直，因此传输中的激光基本上为准直激光，也就是平行光，光斑直径为100mm，以及其他根据实际使用激光器而发生变化的光斑直径。

步骤S200、通过所述分光组件将所述激光分成至少两束，并分别从所述至少两个光入口进入所述功率球。

具体地，通过分光组件将激光分束成至少两束分光束，每束分光束从对应的光入口进入功率球。

步骤S300、通过所述反射棱镜将至少两束光反射至所述功率球。

具体地，各分光束进入功率球后到达反射棱镜，通过反射棱镜反射到达功率球上，从而被光伏电池吸收。

需要说明的是，各光入口可以是呈中心对称分布的，这里的中心具体为球心，为了进一步提高功率球的光均匀性，方法还包括步骤：

步骤S400、每隔预设时间，以球心为中心旋转所述功率球，其中，旋转后功率球的光入口的位置与旋转前功率球另一光入口的位置重合。

通过旋转功率球消除不同分光路带来的差异。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光无线功率传输中功率球接收器，其特征在于，包括：

功率球，设置有至少两个光入口；所述功率球为光伏电池拼接成的球体；

反射棱镜，位于所述功率球内；

分光组件，用于将激光分成至少两束，并分别从所述至少两个光入口进入所述功率球，且经过所述反射棱镜反射至所述功率球。

2.根据权利要求1所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其特征在于，所述反射棱镜位于所述功率球的球心处；所述反射棱镜包括：

至少两个球冠部，各所述球冠部的弧形面分别朝向各所述光入口。

3.根据权利要求2所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其特征在于，所述光入口有两个，所述分光组件将激光分成两束，所述球冠部有两个，两个所述光入口以及所述反射棱镜位于同一条直线上。

4.根据权利要求2-3任意一项所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其特征在于，所述弧形面两端的切线相互垂直。

5.根据权利要求3所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其特征在于，所述激光的波长选自808nm、532nm、1064nm中的一种；和/或

所述球冠部的弧形面上设置有反射膜，所述反射膜为反射对应波长的激光的膜；和/或

所述球冠部的底面直径等于所述激光的光斑直径；和/或

所述激光为平行光。

6.根据权利要求3所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其特征在于，所述分光组件包括：

分光镜，所述分光镜分束的激光分别经两个光入口进入所述功率球；

其中，所述分光镜为半透半反镜、立体分光镜或偏振分光镜。

7.根据权利要求6所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其特征在于，所述分光镜为半透半反镜；所述分光组件还包括：

第一反射镜和第二反射镜，均位于所述直线上；

所述第一反射镜用于将所述半透半反镜反射的激光反射至所述反射棱镜；

所述第二反射镜用于将所述半透半反镜透射的激光反射至所述反射棱镜。

8.根据权利要求7所述的激光无线功率传输中功率球接收器，其特征在于，所述分光组件还包括：

第三反射镜，位于所述半透半反镜的反射方向上，并将所述半透半反镜反射的激光反射至所述第一反射镜；

所述第二反射镜位于所述半透半反镜的透射方向上；或者当所述第二反射镜不位于所述半透半反镜的透射方向上时，所述分光组件还包括：

第四反射镜和第五反射镜；

其中，所述第四反射镜位于所述半透半反镜的透射方向上并将所述半透半反镜透射的激光反射至所述第五反射镜；所述第五反射镜将所述第四反射镜反射的激光反射至所述第二反射镜。

9.一种提高激光无线功率传输中功率球接收器的光均匀性的方法，其特征在于，应用于如权利要求1-8任意一项所述的激光无线功率传输中功率球接收器，所述方法包括步骤：

提供激光；

通过所述分光组件将所述激光分成至少两束光，并分别从所述至少两个光入口进入所述功率球；

通过所述反射棱镜将所述至少两束光反射至所述功率球。

10.根据权利要求9所述的提高激光无线功率传输中功率球接收器的光均匀性的方法，其特征在于，各所述光入口呈中心对称分布，所述方法还包括：

每隔预设时间，以球心为中心旋转所述功率球，其中，旋转后功率球的光入口的位置与旋转前功率球另一光入口的位置重合。

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