CN209879067U - 一种基于导光板的激光阵列无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其包括至少两个激光发射器、导光板以及光伏接收器，所述导光板用于将所述至少两个激光发射器发出的激光相互交叉并导向至所述光伏接收器，所述导光板的底面设置有用于将非均匀的入射激光转变为均匀的外射激光的微结构阵列。本实用新型采用至少两个激光发射器构成激光阵列，所述激光阵列作为激光无线能量传输系统的光源，激光经过远距离传输之后照射到导光板端面，形成多个光源等距分布在导光板端面，激光进入导光板后各个点光源相互交叉，提高了输出的面光源的均匀性，解决了单个光源下中心光强强，边缘光强弱的问题，可提高输出均匀光的面积，进而提高系统的整体转换效率问题。

Description

一种基于导光板的激光阵列无线能量传输系统

技术领域

本实用新型涉及无线能量传输领域，尤其涉及一种基于导光板的激光阵列无线能量传输系统。

背景技术

无线能量传输系统是指不依赖能量传输线，而是利用其他载体向特定环境下工作的目标提供能源支持，使其顺利完成指定任务的能源输送系统，尽管目前无线能量传输的效率低于有线系统，但对于特殊的应用场所来说，无线能量传输技术是向远端供电的唯一选择。

无线能量传输的构想早在1890年就被物理学家尼古拉·特斯拉提出，目前研究的传输方式从距离上来说包括近、中、远的感应耦合、磁场共振、微波、激光等不同形式。其中激光无线能量传输方向性强、能量集中，可以用较小的发射功率实现远距离的供电，并且随着激光技术的快速发展，逐渐显示出其优势，成为目前研究的热点方向。

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。但对于这样光伏接收器来说，非均匀的激光辐照下每个光伏电池片接收到的光功率是不同的，光伏接收器的输出电流将受限于光生电流最小的光伏电池，输出电压将受限于光生电压最小的光伏电池，严重影响了系统的功率输出和效率，因此要使激光无线能量系统能得到大量的很好应用，解决接收端激光均匀问题是关键。

因此，现有技术还有待于改进。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，旨在解决现有激光无线能量传输系统对于更大面积的区域还是不能获得均匀的面光源的问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其中，包括至少两个激光发射器、导光板以及光伏接收器，所述导光板用于将所述至少两个激光发射器发出的激光相互交叉并导向至所述光伏接收器，所述导光板的底面设置有用于将非均匀的入射激光转变为均匀的外射激光的微结构阵列。

所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其中，所述至少两个激光发射器分别发射的激光的波长大小均相同。

所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其中，所述至少两个激光发射器分别发射的激光的波长大小至少有两个不相同。

所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其中，包括三个激光发射器，所述三个激光发射器发射的激光波长分别为808nm、532nm和980nm。

所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其中，所述光伏接收器由三结光伏电池构成，所述三结光伏电池由三个子电池层叠构成，其中位于顶层的子电池为GaInP光伏电池，位于中间层的子电池为GaAs光伏电池，位于底层的为Ge光伏电池。

所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其中，所述微结构阵列为呈阵列排布的导光点组成。

所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其中，所述微结构阵列为大小相同且疏密程度相同的导光点组成，或者所述微结构阵列为大小不同且疏密程度不同的导光点组成。

所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其中，所述导光点为球形凸起、柱形凸起、规则多边形凸起或不规则多边形凸起中的一种。

所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其中，所述导光板为矩形板，其包括四个侧面、底面和顶面，其中一个侧面为激光入射面，所述顶面为激光射出面，所述另外三个侧面和底面均设置有反射板。

所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其中，所述激光发射器前端均设置有用于调整激光光斑尺寸大小的扩束镜；所述激光发射器、扩束镜以及导光板位于同一水平面，所述光伏接收器位于导光板的正上方。

有益效果：本实用新型提供的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统采用至少两个激光发射器构成激光阵列，所述激光阵列作为激光无线能量传输系统的光源，激光经过远距离传输之后照射到导光板端面，形成多个光源等距分布在导光板端面，激光进入导光板后各个点光源相互交叉，提高了输出的面光源的均匀性，解决了单个光源下中心光强强，边缘光强弱的问题，可提高输出均匀光的面积，进一步提高基于导光板光均匀技术的无线能量传输系统的的整体转换效率问题。

附图说明

图1为本实用新型一种基于导光板的激光阵列无线能量传输系统较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供一种基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，如图1所示，所述基于导光板的激光阵列无线能量传输系统包括包括至少两个激光发射器10、导光板20以及光伏接收器30，所述导光板20用于将所述至少两个激光发射器10发出的激光相互交叉并导向至所述光伏接收器30，所述导光板20的底面设置有用于将非均匀的入射激光转变为均匀的外射激光的微结构阵列21。

在本实施例中，所述导光板通过引导光的散射方向，改变光的传播方向，将由点光源发出的光线从导光板端面导入，最终在导光板上端面获得均匀的出射光。将导光板用于激光无线能量传输可以提高激光的均匀度，并将圆形的光斑整形成和光伏板一样的方形光斑，对于激光无线能量传输系统来说是种很好的解决方案。但是对于单激光的无线能量传输系统来说，容易出现激光进入导光板后正前方发光强度最强，靠近边缘的部分亮度几乎等于零的情况，即在一定范围内光达到了均匀的目的，但对于更大面积的区域还是不能获得均匀的面光源。基于此，本实施例通过采用至少两个激光发射器构成激光阵列，所述激光阵列作为激光无线能量传输系统的光源，激光经过远距离传输之后照射到导光板端面，形成多个光源等距分布在导光板端面，激光进入导光板后各个点光源相互交叉，提高了输出的面光源的均匀性，解决了单个光源下中心光强强，边缘光强弱的问题，可提高输出均匀光的面积，进一步提高基于导光板光均匀技术的无线能量传输系统的的整体转换效率问题。

在一些实施方式中，所述至少两个激光发射器分别发射的激光的波长大小均相同。在本实施例中，由于不同激光发射器发射的激光的波长大小相同，因此所述光伏接收器可由同一种半导体材料制备的光伏电池组成。作为举例，当所述激光发射器为808nm波长半导体激光器，所述光伏接收器由GaAs光伏电池单元组成。半导体激光器发出的808nm的波长和光伏电池中的GaAs材料带隙宽度正好匹配，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，光伏接收器最好采用GaAs光伏电池。当所述激光发射器为波长大于1000nm的二极管泵浦固体激光器时，所述光伏接收器由InGaAs光伏电池单元组成。所述二极管泵浦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，所述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%）光伏电池。

在一些实施方式中，所述至少两个激光发射器分别发射的激光的波长大小至少有两个不相同。在本实施例中，由于不同激光发射器发射的激光的波长大小至少有两个不相同，因此所述光伏接收器可由多结光伏电池构成，所述多结光伏电池是将多种不同禁带宽度的半导体材料叠在一起，相当于将多个子电池串联起来，不同子电池吸收不同波段范围的光辐射。

在一种具体的实施方式中，所述基于导光板的激光阵列无线能量传输系统包括三个激光发射器，所述三个激光发射器发射的激光波长分别为808nm、532nm和980nm。在本实施例中，所述基于导光板的激光阵列无线能量传输系统中的光伏接收器由三结光伏电池构成，所述三结光伏电池由三个子电池层叠构成，每层可以吸收不同波长的激光，其中位于顶层的子电池为GaInP光伏电池，位于中间层的子电池为GaAs光伏电池，位于底层的为Ge光伏电池；所述顶层的子电池GaInP可以吸收能量较高的532nm入射光，中间层的子电池GaAs可以吸收能量次高的808nm入射光，底部的子电池Ge可以吸收能量更小的980nm入射光。所述光伏接收器吸收了相应光子能量的子电池会产生光生载流子，从而输出电流。

在本实施例中，所述基于导光板的激光阵列无线能量传输系统采用不同的波长的激光发射器构成激光阵列，所述激光阵列作为激光无线能量传输系统的光源，激光经过远距离传输之后照射到导光板端面，形成多个具有不同波长的光源等距分布在导光板端面，激光进入导光板后各个点光源相互交叉，提高了输出的面光源的均匀性，解决了单个光源下中心光强强，边缘光强弱的问题，可提高输出均匀光的面积，进一步提高基于导光板光均匀技术的无线能量传输系统的的整体转换效率问题。并且采用多个不同波长的激光器照射多结光伏电池构成的光伏接收器，能够保证多个波长的光子能够高效的被光伏电池吸收。

在一些实施方式中，所述设置在导光板底面的微结构阵列能够将射入导光板内的激光由全反射状态转变为漫反射状态，即所述微结构阵列能够改变激光的传播方向，所述激光在经过反射、折射和散射后可实现均匀出射的目的，从而提高光伏接收器上的辐照激光的均匀性，减少串并联的光伏接收器由于收到功率不同的激光而造成的失配损耗，提高激光无线能量传输系统的输出功率和效率。同时激光在导光板传输过程中由点状的激光被转换成面光源，便于传统平板型光伏接收器接收到激光辐照，使得激光容易充满整个接收面板，进一步的节省了光束整形器件，减小器件的能量损耗，节约了系统的成本。

在一些实施方式中，所述导光板是利用光学级透明材料制备而成，所述微结构阵列为呈阵列排布的导光点组成，所述导光点是采用化学蚀刻、精密机械雕刻、模具注射成型等方法在导光板底面制备而成的。本实施例通过在导光板的底面制作导光点，利用光的散射原理，当激光照射到导光点上时，会将一条光线散射成多条光线，这些散射光线的一部分会射出导光板，另一部分则会继续反射，直至遇到下一个导光点，重复散射过程；因此，通过在导光板底面设置呈阵列排布的导光点可有效提高从导光板射出的激光的均匀性（90%以上），这可以有效解决激光无线能量传输过程中由于激光的不均匀性导致的光伏接收器输出电流受限于最小光生电流，光伏接收器输出电压受限于最小光生电压的问题，从而可提高激光无线能量传输系统的输出效率和输出功率。在本实施例中，所述导光板通过其底面设置的导光点可引导激光均匀照射到整个光伏接收器上，从而更高效地控制光的分布以及更高效地利用激光提高光电效率。

在一些实施方式中，由于激光具有很高的温度，当采用PMMA等材料作为导光板材料时，导光板容易在激光传输过程损坏，所以本实施例采用耐高温的熔融石英作为导光板材料，它的耐热性很高，很好的满足了激光传输的特点。在一些实施方式中，所述导光板的激光入射面和正面输出面均镀有808nm或1000nm增透膜，用于提高激光的耦合效率和输出效果。

在一些实施方式中，所述导光板可以整块制作，也可以单独制作并随意拼接成整体，其工艺简单、制作简便。在一些实施方式中，所述微结构阵列为大小相同且疏密程度相同的导光点组成，即采用均匀同一的激光网点布局。在另一些实施方式中，所述微结构阵列为大小不同且疏密程度不同的导光点组成，即根据光伏接收器的规格，做大小不同、疏密程度不同的网点布局。通过设计导光点的疏密、大小的不同可提高无线能量传输系统中光伏接收器接收到的激光的均匀性，即从导光板射出的激光整体非常均匀，光均匀性可达到90%以上，这对于大面积使用导光板的激光无线能量传输系统来说，能够有效提升其光电效率。所述导光板中，导光点的材料、大小、排布规律以及加工方式决定了导光板的输出激光表面的照度和均匀度，对所述导光点进行合理的排布，破坏激光的全反射条件，从而可达到激光在经过反射、折射和散射后均匀出射的目的。

在一些实施方式中，如图1所示，所述导光板为矩形板，其包括四个侧面、底面和顶面，其中一个侧面为激光入射面，所述顶面为激光射出面，所述另外三个侧面和底面均设置有反射板22。在本实施例中，所述反射板可将未被散射的激光反射再进入光传导区内，以提高光的利用率，减少激光在导光板中的功率损耗，提高导光板中的激光传输率。反射板可采用金属反射片，反射方式为镜面反射，金属反射面不仅反射率高，而且有利于激光在导光板中传输过程中的产生的热传导，降低温度对设备和器件的影响，提高设备的寿命。当激光从到光面的激光入射面耦合进入导光板后，由于反射板的存在，所述激光会在导光板底面及侧面来回反射，然后从所述导光板的顶面射出；当激光遇到所述设置在导光板底面的导光点时，由于其破坏了激光的全反射条件，所述激光在照射到导光点后会散射到各个方向，从而形成漫反射，由于导光板的三个侧面以及底面均设置有反射板，所述激光在经过多次折射、反射后从导光板的顶面透射出来形成正面输出的均匀的面光源，从而使得圆形入射光斑整形成为方形光斑，这种形状的均匀激光正好满足平板型的光伏接收器外形要求，可以很好地和光伏接收器配合使用。

在一些实施方式中，所述导光点为球形凸起、柱形凸起、规则多边形凸起或不规则多边形凸起中的一种，但不限于此。

在一些实施方式中，如图1所示，所述激光无线能量传输系统还包括设置在所述激光发射器前端的扩束镜40，所述激光发射器10、扩束镜40以及导光板20依次位于同一水平面，所述光伏接收器30位于所述导光板的正上方。在本实施例中，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，增加激光的透光率。所述扩束镜的作用是将激光发射器发出的激光进行准直，减小激光束的发散角，调整激光光斑尺寸，确保传输的激光能够全部进入导光板中。所述激光发射器发出的激光经过扩束镜准直后经过空气或者其他没接远距离传输至导光板，进入导光板的激光光斑形状为圆形，所述圆形激光光斑的直径要小于所述导光板的侧面厚度。

在一些实施方式中，所述光伏接收器由多个光伏电池单元串并联组成，其具有结构简单、体积小、使用方便等特点。所述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，从而产生光生电压，该光伏接收器具有结构简单、性能稳定，经久耐用、利用率高等优点。

所述光伏接收器还具有充电控制电路，控制电路的作用是保持输出电压的稳定，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。

综上所述，本实用新型提供的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统采用至少两个激光发射器构成激光阵列，所述激光阵列作为激光无线能量传输系统的光源，激光经过远距离传输之后照射到导光板端面，形成多个光源等距分布在导光板端面，激光进入导光板后各个点光源相互交叉，提高了输出的面光源的均匀性，解决了单个光源下中心光强强，边缘光强弱的问题，可提高输出均匀光的面积，进一步提高基于导光板光均匀技术的无线能量传输系统的的整体转换效率问题。并且本实用新型采用多个不同波长的激光发射器照射多结光伏电池构成的光伏接收器，能够保证多个波长的光子能够高效的被光伏电池吸收。

应当理解的是，本实用新型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实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其特征在于，包括至少两个激光发射器、导光板以及光伏接收器，所述导光板用于将所述至少两个激光发射器发出的激光相互交叉并导向至所述光伏接收器，所述导光板的底面设置有用于将非均匀的入射激光转变为均匀的外射激光的微结构阵列。

2.根据权利要求1所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其特征在于，所述至少两个激光发射器分别发射的激光的波长大小均相同。

3.根据权利要求1所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其特征在于，所述至少两个激光发射器分别发射的激光的波长大小至少有两个不相同。

4.根据权利要求3所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其特征在于，包括三个激光发射器，所述三个激光发射器发射的激光波长分别为808nm、532nm和980nm。

5.根据权利要求4所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其特征在于，所述光伏接收器由三结光伏电池构成，所述三结光伏电池由三个子电池层叠构成，其中位于顶层的子电池为GaInP光伏电池，位于中间层的子电池为GaAs光伏电池，位于底层的为Ge光伏电池。

6.根据权利要求1所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其特征在于，所述微结构阵列为呈阵列排布的导光点组成。

7.根据权利要求6所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其特征在于，所述微结构阵列为大小相同且疏密程度相同的导光点组成，或者所述微结构阵列为大小不同且疏密程度不同的导光点组成。

8.根据权利要求7所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其特征在于，所述导光点为球形凸起或多边形凸起中的一种。

9.根据权利要求1所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其特征在于，所述导光板为矩形板，其包括四个侧面、底面和顶面，其中一个侧面为激光入射面，顶面为激光射出面，另外三个侧面和底面均设置有反射板。

10.根据权利要求1所述的基于导光板的激光阵列无线能量传输系统，其特征在于，所述激光发射器前端均设置有用于调整激光光斑尺寸大小的扩束镜；所述激光发射器、扩束镜以及导光板位于同一水平面，所述光伏接收器位于导光板的正上方。