CN207442543U - 基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置，所述充电装置包括激光器、扩束镜、积分棒、光伏电池板和充电控制电路，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棒，所述积分棒的输出侧安置有光伏电池板，所述光伏电池板和充电控制电路连接，所述积分棒采用高井壁反射率的实心多边形匀光棒，用于将入射激光在光棒的内壁处形成全反射，不同反射次数的全反射光在光棒出口处叠加形成许多二次光源，达到光积分作用，实现输出光均匀化。本实用新型提供一种适应性较好、制作成本较低、根据入射光束变化在线调整的基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线充电技术，尤其是一种激光无线充电装置。
背景技术
充电技术的发展和进步目前集中在两块，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实用新型。目前主要的几种无线充电方法主要有太阳能、电磁感应和激光等。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。
激光无线能量传输技术是以激光束作为能量传输的载体，以光伏接收器来实现光电转换，从而达到能量的远距离无线传输的目的。由于激光光束具有高斯能量分布特征，因此能量分布不均匀，导致各个光伏电池接收的光强不同，光生电流大小不同，串联电路的电流受限于光生电流最小的光伏电池，并联电路的电压受限于光生电压最小的光伏电池，导致传输能量的损失，甚至造成光伏电池的损坏，降低电能输出效率。
因此需要通过光束整形将高斯光束转换为能量均匀分布的平顶光，以消除激光光强分布不均匀引起的不良效果。所谓光束整形是将输入平面上光束的复振幅分布经光学系统调整后，变换为输出平面上符合要求的光束复振幅分布的过程。光束整形技术有孔径光阑整形、衍射光学元件整形、非球面透镜整形及微透镜阵列整形等。以上方法具有适应性差，制作成本高，无法根据入射光束变化在线调整等缺陷。
发明内容
为了克服已有激光无线充电装置中激光能量分布不均匀导致的电能输出效率低的问题，以及现有光学整形方法成本高、适应性差等不足，本实用新型提供一种适应性较好、制作成本较低、根据入射光束变化在线调整的基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置，所述充电装置包括激光器、扩束镜、积分棒、光伏电池板和充电控制电路，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棒，所述积分棒的输出侧安置有光伏电池板，所述光伏电池板和充电控制电路连接，所述积分棒采用高井壁反射率的实心多边形匀光棒，用于将入射激光在光棒的内壁处形成全反射，不同反射次数的全反射光在光棒出口处叠加形成许多二次光源，达到光积分作用，实现输出光均匀化。
进一步，所述积分棒采用熔融石英材料的4mmX4mm，长度25mm的实心匀光棒，所述积分棒的端面为圆形、三角形、五边形或六变形。
再进一步，所述激光器为半导体激光器或二极管泵浦固体激光器。
更进一步，所述扩束镜为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。
所述光伏电池板采用平板式多晶硅、单晶硅、GaAs、铟嫁砷InGaAs材料的太阳能电池板，其带隙宽度和808nm波长或者1000nm激光匹配。
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任意直流电压可获得稳定直流电压输出。
本实用新型的技术构思为：本实用新型提出的基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置采用高井壁反射率的实心多边形匀光棒，入射激光在匀光棒内反射面上经过多次反射后，极大地破坏了原来激光光源的干涉作用，输出光能重新分布，在出射端得到强度均匀分布的出射光。具有结构简单、造价低廉，易于装调，匀光效果理想，透过率高等优点。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。
本实用新型的有益效果主要表现在：
1、基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置中采用积分棒作为光束均匀的方法，激光进入积分棒，在光棒的内壁处形成全反射，不同反射次数的全反射光在光棒出口处叠加形成许多二次光源，达到光积分作用，实现输出光均匀化。相对于采取光学整形器和衍射光学元件等方法，具有结构简单、装调简易、设计灵活、开发周期短，加工工艺简单、加工成本低、价格低廉而得到更多的实际应用。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。
2、基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置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％。
3、基于积分棒光束均匀技术的激光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。
4、基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置中采用扩束镜调整激光光斑大小，保证激光光斑基本均匀的覆盖在光伏接收器上，不出现光斑对于光伏接收器过小或者过大的现象。使得光伏接收器不会在小光斑的强激光器的照射下过热而损坏；又不会光斑过大超出光伏接收器接收范围而浪费，造成激光在传输过程的损耗。
5、基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置中平板式光伏接收器是由多个光伏电池单元串并联组成，具有结构简单，体积小，使用方便。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。
6、用于激光远距离无线充电的组合式光伏接收器中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是基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置的示意图。
图2是积分棒均匀光束原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图1和图2，一种基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置，包括激光器1、扩束镜2、积分棒3、光伏电池板4、充电控制电路5和终端设备6；
基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置中，激光器1可采用半导体激光器，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，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％，所以对于采用808nm波长激光器的充电系统中的光伏电池板4最好采用GaAs。
基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置中，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％)太阳能电池板。
基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置中，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，扩束镜将激光器1发出的激光束转变成符合激光无线充电所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，调整激光光斑大小，使的激光光斑基本均匀的照射到整个光伏电池板4上，不会出现光斑相对光伏电池板4过小或者过大的现象。这样就能保证光伏电池板4不会在小光斑的强激光器的照射下过热而损坏；又不会光斑过大超出光伏电池板4接收范围而浪费，造成激光在传输过程的损耗，提高了传输距离。
基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置中积分棒3采用熔融石英材料的4mmX4mm，长度25mm的实心匀光棒。端面可以为圆形、三角形、五边形、六变形等多边形的均光棒，可根据实际效果选择匀光棒端面外形和尺寸。
如图2所示，基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置中激光器1发出的具有一定发散角的激光斜入射进入积分棒，在入射段发生折射后继续传播，在光棒的内壁处形成全反射，不同入射角度的光发生不同次数的全反射，有的光线经过n次全反射就到达出口处，有的光线经过n-1、n+1等不同次数到达出口处。如图中光线1、2、3所示，入射光线1、3对称分布于位于光轴位置的光线2两侧，经过积分棒多次反射，在出射端形成光线1、3、2的排列，即经过多次全反射后，出射光线不再是以一定发散角传播的光束，而是杂乱无章的向各个方向传播的。在积分棒输出端不同入射角光束形成许多叠加的二次光源，达到光积分作用，实现输出光均匀化。这样具有一定发散角的入射激光经过多次内反射，在出口处形成均匀分布的输出光，这样的均光系统具有结构简单、造价低廉，易于装调，匀光效果理想，透过率高等优点。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。
基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置中光伏电池板4采用平板式多晶硅、单晶硅、GaAs、铟嫁砷(InGaAs)材料的太阳能电池板，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。光伏接收器由多个的光伏电池单元串并联组成，具有结构简单，体积小，使用方便。
基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置中充电控制电路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。
基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置中光伏电池板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。
Claims (6)
1.一种基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置，其特征在于：所述充电装置包括激光器、扩束镜、积分棒、光伏电池板和充电控制电路，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棒，所述积分棒的输出侧安置有光伏电池板，所述光伏电池板和充电控制电路连接，所述积分棒采用高井壁反射率的实心多边形匀光棒，用于将入射激光在光棒的内壁处形成全反射，不同反射次数的全反射光在光棒出口处叠加形成许多二次光源，达到光积分作用，实现输出光均匀化。
2.如权利要求1所述的基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置，其特征在于：所述积分棒采用熔融石英材料的4mmX4mm，长度25mm的实心匀光棒，所述积分棒的端面为圆形、三角形、五边形或六变形。
3.如权利要求1或2所述的基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置，其特征在于：所述激光器为半导体激光器或二极管泵浦固体激光器。
4.如权利要求1或2所述的基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置，其特征在于：所述扩束镜为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。
5.如权利要求1或2所述的基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置，其特征在于：所述光伏电池板采用平板式多晶硅、单晶硅、GaAs、铟嫁砷InGaAs材料的太阳能电池板，其带隙宽度和808nm波长或者1000nm激光匹配。
6.如权利要求1或2所述的基于积分棒光束均匀技术的激光无线充电装置，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任意直流电压获得稳定直流电压输出。
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