CN207968090U - 基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

一种基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，包括激光器、发射装置、接收装置、功率球光伏接收器和电源管理模块，激光器的输出侧安置有发射装置，发射装置输出侧安置有接收装置，接收装置与用于将激光信号转化成电信号的功率球式光伏接收器连接，功率球式光伏接收器的输出端与电源管理模块连接，功率球式光伏接收器为双球体结构功率球式光伏接收器，双球体结构功率球式光伏接收器包括功率球光伏接收器、冷却球、进气止回阀、出气止回阀和气管，功率球光伏接收器上安装进气止回阀和出气止回阀，进气止回阀通过气管与冷却球的进气口连通，出气止回阀通过气管与冷却球的出气口相接。本实用新型光电转换效率较高、散热效果好。

Description

基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输 系统

技术领域

本实用新型属于无线能量传输系统，尤其是一种采用激光的无线能量传输系统。

背景技术

随着激光技术和太阳能电池技术的快速发展，激光在远距离能量传输技术中逐渐显示出其优势，国外开展激光无线能量传输技术研究的主要有美国、日本和德国等国家。国内针对激光无线能量传输的研究还少有报道,而且大部分的研究也还处于理论研究或初期阶段，主要针对大功率激光器、高斯光束整形、光电池光电转换效率等问题进行研究。

单个电池的输出电压通常不能满足负载工作电压的需求，通常情况下，需要通过多个电池串、并联构成光伏接收器。传统平板型光伏接收器结构简单，对跟踪精度的要求比较低。会聚型则只是增加会聚透镜，将入射激光会聚在小面积的光伏电池上。虽然提高了光照强度，降低了光伏电池的使用面积，极大地降低了成本，但总体形式还是平板式。它们都是设计用于低强度、高均匀的太阳光辐照使用，当用在高强度、非均匀激光辐照中时，每个串、并联的光伏电池收到的光功率密度不同，则将有可能造成失配损耗，降低光电转换效率，限制了系统的整体性能发挥。因此对于激光无线能量传输中使用的光伏接收器，设计过程中还必须要考虑激光光强不均匀的问题，该问题的来源主要是激光束本身能量分布的不均匀性和大气的影响。

功率球型接收器将入射激光“囚禁”在相对密闭的空腔内，通过入射激光在光伏电池表面的多次反射，实现相对均匀的光照，从而避免激光光强分布不均匀问题；并且多次反射可以重复利用没有吸收的光照，充分吸收入射辐射的能量，提高整个激光无线能量传输系统的能量输出效率。但是其结构的密闭性，在高功率激光辐照下，散热问题将变得突出，同时功率球开口大小的限制，对激光发射装置的跟踪精度要求很高。

发明内容

为了克服用于激光无线能量传输系统中的功率球型接收器的光电转换效率较低、散热困难等问题，本实用新型提供一种光电转换效率较高、主动散热的基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，所述系统包括激光器、发射装置、接收装置、功率球光伏接收器和电源管理模块，所述激光器输出侧安置有发射装置，所述发射装置输出侧安置有接收装置，所述接收装置与用于将激光信号转化成电信号的功率球式光伏接收器连接，所述功率球式光伏接收器的输出端与所述电源管理模块连接，所述功率球式光伏接收器为双球体结构功率球式光伏接收器，所述双球体结构功率球式光伏接收器包括功率球光伏接收器、冷却球、进气止回阀、出气止回阀和气管，所述功率球光伏接收器上安装所述进气止回阀和出气止回阀，所述进气止回阀通过气管与所述冷却球的进气口连通，所述出气止回阀通过气管与所述冷却球的出气口相接。

进一步，所述进气止回阀、出气止回阀均为单向阀，所述单向阀包括阀体、托杆、密封圈、挡板和弹簧，所述阀体内设有供气体流过的阀孔，所述挡板上布置密封圈，所述挡板与所述阀孔配合，所述挡板可上下滑动地套装在托杆上，所述托杆固定在阀体内腔，所述挡板与弹簧的一端连接，所述弹簧的另一端固定在所述托杆的底部。

再进一步，所述功率球光伏接收器采用封闭球体结构，空心球体里充满CO2或N2或Xe大分子气体；入射激光进入功率球光伏接收器的内部空心球体里，激光以设定的角度照射到内壁上某一位置光伏电池，其中光伏电池是单晶硅、多晶硅、GaAs或铟嫁砷(InGaAs)材料构成，其带隙宽度和808nm波长或者1000nm激光匹配。

所述接收装置采用圆锥形结构，朝向激光器方向接收端面直径大；所述接收装置侧面镀有808nm或者1000nm高反膜，入射激光经过侧面反射后，全部通过小端面输出口注入功率球光伏接收器。

所述发射装置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。

所述激光器采用808nm波长的激光器作为激光无线能量传输的光源，采用GaAs太阳能电池。

所述激光器采用二极管泵浦固体激光器，采用在1000nm激光波长处转换效率高的铟嫁砷InGaAs太阳能电池。

所述电源管理模块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；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。

本实用新型的技术构思为：本实用新型提出的基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统采用功率球光伏接收器和冷却球的双球结构，并在球体里充满大分子直径气体作为冷却介质，激光的照射引起接收器球体内气体温度上升膨胀，与冷却球体的冷却气体构成热胀冷缩的自循环流动，从而带走光伏电池中的热量，降低光电转换过程中的热量累积，提高光电转换效率。并且选择适当的大分子气体，使其分子直径接近激光波长，提高入射光在气体中的散射效果，可进一步提高入射激光的均匀性，减少光伏电池接收到的光功率密度不同造成的失配损耗。而圆锥型接收装置则解决功率球开口太小对激光发射装置的跟踪精度要求高的问题。

本实用新型的有益效果主要表现在：1、采用功率球光伏接收器和冷却球的双球结构，并在球体里充满大分子直径气体作为冷却介质，解决功率球式接收器在高功率激光辐照下由于密闭性造成的散热问题，而圆锥型接收装置则解决功率球开口太小对激光发射装置的跟踪精度要求高的问题。大分子气体的散射效果也进一步提高了光电转换前激光的均匀性，保证各块光伏电池能均匀获得辐射光照；2、功率球中充满大分子气体，可增加辐射激光的散射能力，提高入射辐射的均匀性，减少入射激光某一时刻集中在部分光伏电池上，提高光伏电池的光吸收能力，增加各光伏电池获得均匀的光功率密度可能性，减少光伏电池接收到的光功率密度不同造成的失配损耗；3、采用圆锥型接收装置，使得接收端面大，能接收的激光多，发射装置对准和跟踪精度要求降低。接收装置侧面全反射结构保证接收到的激光能全部从小端面输出口注入功率球中，同时小口径注入口能减少非光伏电池占用有限的接收空间，增加光电转换的面积，提高传输电压；4、通过采用充满气体的双球体和单向止回阀的方式，以激光作为驱动源，通过热胀冷缩形成一个单向流动的气体自循环，再通过冷却球增加了气体冷却面积，加速气体温度的降低。冷气体的不断流入可带走光伏电池中的热量，降低光电转换过程中的热量累积，提高功率球的散热效率，改善光电转换的环境，提高光电转换效率；5、双球体结构采取激光作为循环冷却的驱动源，使得激光转换热量的废弃能量得到充分利用，无需外部供应能量就能驱动激光无线能量传输系统的主动散热系统，提高系统的散热效率、能量利用率，减少热量排放；6、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；7、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；8、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％；9、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；10、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是双球体结构功率球型光伏接收器的示意图。

图2是止回阀的结构图。

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2，一种基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，包括激光器1、发射装置2、接收装置3、功率球光伏接收器4、进气止回阀5、出气止回阀6、充电控制电路7、终端设备8、气管9和冷却球10；

所述激光器1采用808nm波长的激光器作为激光无线能量传输的光源。半导体激光器808nm的波长和GaAs材料的光伏电池带隙宽度正好匹配，光电转换效率可达50％，因此对于采用808nm波长激光器的无线能量传输系统中4(功率球光伏接收器)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，因此也适合激光无线能量传输。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。

所述发射装置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。扩束镜的作用是将激光器1发出的激光束转变成符合激光传输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，确保传输的激光能全部进入功率球光伏接收器4。

所述接收装置3采用圆锥形结构，朝向激光器方向接收端面直径大，接收面积大从而能接收的激光多，发射端对准接收端面相对容易，解决功率球开口小的限制问题，减少对激光发射装置的跟踪精度要求。接收装置3侧面镀有808nm或者1000nm高反膜，入射激光经过侧面反射后，全部通过小端面输出口注入功率球光伏接收器4。小端口设计目的是能减少非光伏电池占用有限的接收空间，增加功率球光伏接收器4接收面积，减少其他因素占用有限的接收空间。

入射激光进入功率球光伏接收器4的内部空心球体里，激光以一定的角度照射到内壁上某一位置光伏电池，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。一部分光照射到pn结上时，产生电子―空穴对，在半导体内部结附件生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入P区，结果使n区储存了过剩的电子，P区没有过剩的空穴，它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。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。

功率球光伏接收器4采用封闭球体结构，空心球体里充满CO2或N2或Xe等大分子气体，入射激光通过球体内部时遇到CO2、N2、Xe等分子，一部分激光辐射将以质点为中心向四面八方传播开来，改变这部分辐射的方向，空气分子直径和激光波长越接近，散射越厉害。使得入射激光不再集中在部分光伏电池上，进一步增加各光伏电池获得均匀的光功率密度可能性，减少光伏电池接收到的光功率密度不同造成的失配损耗。

进气止回阀5和出气止回阀6都是单向阀，如图2所示：由5-1(阀体)、5-2(托杆)、5-3(密封圈)、5-4(挡板)、5-5(弹簧)构成，可保证气体单向流动。当入射激光照射到气体上时，气体温度升高膨胀，球体内压力增大，压紧5-5(弹簧)，顶起5-4(挡板)并带动5-3(密封圈)，膨胀气体通过中间孔隙进入到气管9中，这样功率球光伏接收器4中气压减小。排出的高温气体经过气管9和冷却球10产生风冷，温度降低。

所述冷却球10接收了高温气体，气体增加但体积不变，所以腔内压强增大。一旦两球体气压相同后，功率球光伏接收器4中气体由于惯性流动继续流出部分气体，使得冷却球10腔内压强高于功率球光伏接收器4，则冷却球10的冷气体通过出气止回阀6进入功率球光伏接收器4，冷却光伏电池，减低功率球光伏接收器4腔内温度。持续的激光入射使得进入的冷气体最终又变成高温气体，功率球光伏接收器4中压强又增大。如此不断循环，形成一个单向流动的热胀冷缩的自循环，从而带走光伏电池中的热量，降低光电转换过程中的热量累积，提高光电转换效率。

所述电源管理模块7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，电信号通过电源管理模块7的稳压控制后，实现终端设备8的远程无线充电。

Claims (8)

1.一种基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，所述系统包括激光器、发射装置、接收装置、功率球光伏接收器和电源管理模块，所述激光器的输出侧安置有发射装置，所述发射装置输出侧安置有接收装置，所述接收装置与用于将激光信号转化成电信号的功率球式光伏接收器连接，所述功率球式光伏接收器的输出端与所述电源管理模块连接，其特征在于：所述功率球式光伏接收器为双球体结构功率球式光伏接收器，所述双球体结构功率球式光伏接收器包括功率球光伏接收器、冷却球、进气止回阀、出气止回阀和气管，所述功率球光伏接收器上安装所述进气止回阀和出气止回阀，所述进气止回阀通过气管与所述冷却球的进气口连通，所述出气止回阀通过气管与所述冷却球的出气口相接。

2.如权利要求1所述的基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，其特征在于：所述进气止回阀、出气止回阀均为单向阀，所述单向阀包括阀体、托杆、密封圈、挡板和弹簧，所述阀体内设有供气体流过的阀孔，所述挡板上布置密封圈，所述挡板与所述阀孔配合，所述挡板可上下滑动地套装在托杆上，所述托杆固定在阀体内腔，所述挡板与弹簧的一端连接，所述弹簧的另一端固定在所述托杆的底部。

3.如权利要求1或2所述的基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，其特征在于：所述功率球光伏接收器采用封闭球体结构，空心球体里充满CO2或N2或Xe大分子气体；入射激光进入功率球光伏接收器的内部空心球体里，激光以设定的角度照射到内壁上某一位置光伏电池，其中光伏电池是单晶硅、多晶硅、GaAs 或铟嫁砷InGaAs材料构成，其带隙宽度和808nm波长或者1000nm激光匹配。

4.如权利要求1或2所述的基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，其特征在于：所述接收装置采用圆锥形结构，朝向激光器方向接收端面直径大；所述接收装置侧面镀有808nm或者1000nm高反膜，入射激光经过侧面反射后，全部通过小端面输出口注入功率球光伏接收器。

5.如权利要求1或2所述的基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，其特征在于：所述发射装置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。

6.如权利要求1或2所述的基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，其特征在于：所述激光器采用808nm波长的激光器作为激光无线能量传输的光源，采用GaAs太阳能电池。

7.如权利要求1或2所述的基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，其特征在于：所述激光器采用二极管泵浦固体激光器，采用在1000nm激光波长处转换效率高的铟嫁砷InGaAs太阳能电池。

8.如权利要求1或2所述的基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，其特征在于：所述电源管理模块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；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。