JP2005039162A

JP2005039162A - レーザーパワー給電装置

Info

Publication number: JP2005039162A
Application number: JP2003297932A
Authority: JP
Inventors: Etsuo Fujiwara; 閲夫藤原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】レーザーの光エネルギーを太陽電池で電気エネルギーに変換する光電変換装置において、太陽電池からの反射光は有効利用されないばかりでなく、高出力レーザーを使用していることから反射光強度も高く人体に取って危険であり安全対策が別途必要である。
【解決手段】光電変換装置は内部が空洞の立体構造体であり、内部の空洞に光ファイバで光パワーを導き、空洞内面に太陽電池が密着してある。光の太陽電池表面での反射損失をより低減するために、太陽電池が密着されている部分以外の空洞内面は、光反射率の高い材料で覆うことにより、光が空洞内面を多数回反射して太陽電池に無駄なく吸収されるために光をより高い効率で電力に変換できる。また、外部に光が漏れ難い構造にすることにより、レーザーに対する安全対策が不要である。
【選択図】図２

Description

本発明はレーザーで光パワーを発生し、光ファイバにより光パワーを伝送し、伝送した後で光パワーを電力に再変換し、再変換された電力を負荷に供給するためのレーザーパワー給電装置に関する。

従来のレーザーパワー給電装置の概略を図４に示す。図４において、電力を光パワーに変換する半導体レーザー（１０）と光パワーを伝送する光ファイバ（２０）と光パワーを電力に再変換する光電変換装置（３０）及び負荷（４０）からなる。従来の光電変換装置（３０）は光ファイバ（２０）の出口端の延長線上にレーザー光（１５）をほぼ垂直に受けるように太陽電池（３５）が置かれている。レーザー光（１５）の多くは太陽電池（３５）で吸収されるものの残りは吸収されずに反射する。反射光は有効利用されないばかりでなく、出力の大きなレーザーを使用することから反射光も強く、人体にとって危険なために反射光を防ぐ安全対策が別途必要である。従来は太陽電池（３５）と出力安定化回路（５５）を納めた外部に光が漏れない大きな金属ケース（５０）を使用しているが、大きなばかりでなく、組み立て調整の作業者にとって安全とは言えない。

本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、光パワーを効率良く太陽電池に吸収させるとともに、光が光電変換装置（３０）から外部に漏れない構造にする事によって安全性でも問題が生じない装置を実現することを目的とするものである。

本発明のレーザーパワー給電装置は、上記の目的を達成するため、レーザーで発生した光パワーを光ファイバに通して伝送し、光パワーを太陽電池で電力に変換する光電変換装置を備えたレーザーパワー給電装置において、光電変換装置は内部が空洞で光が外部に漏れ難い立体構造体であり、空洞の内面に太陽電池を密着してあることを特徴とする。

また、光電変換装置に開けられた光が透過する穴を通して内部空洞に光ファイバで光パワーを導くことを特徴とする。この場合、光が透過する穴に光ファイバのコネクタを用いることによって光パワーを内部の空洞に導くことが好適である。太陽電池が密着されている面材には太陽電池からの発熱を効率よく除去するために高熱伝導率金属材料であるＣｕ或いはＡｌが好適である。

本発明においては、比較的小出力のレーザーパワー給電装置では、太陽電池表面をレーザー波長に対して無反射コーティングを施すことによって光の反射損失を低減できる。

また、本発明においては、比較的高出力のレーザーパワー給電装置では、光の反射損失をより低減するために太陽電池が密着されている部分以外の光電変換装置の空洞内面は、光反射率の高い鏡、あるいは鏡面研磨した金属、あるいは光反射率の高いセラミックで覆うことにより、光が空洞内面を多数回反射して太陽電池に無駄なく吸収されるために光をより高い効率で電力に変換できる。これは太陽電池表面に無反射コーティングを施した場合でも太陽電池表面での光反射損失が避けられないためである。意図的に太陽電池表面に無反射コーティングを施さない場合には、光が空洞内面をより多く反射するために複数の太陽電池からより均一な電気出力が得られる特徴がある。光の入射穴を持った正面から見て箱形立体構造体の内部空洞の断面を正多角形にするとともに、正多角形の中心に光の入射穴を配置することによって、内部空洞の側面に密着した複数の太陽電池から均一な電気出力を取り出すことができる。複数の光ファイバを用いる高出力の給電装置では、正多角形の中心近傍に光ファイバコネクタを束ねて配置するのがよい。

また、光電変換装置を外部に光が漏れない密閉に近い構造にする事によって、出力の大きなレーザーに対する人体への安全性が高まるばかりでなく、光電変換装置の外部から空洞内部への埃の侵入も防ぐことができるために、埃に弱い光学材料の劣化を低減できる。

以上説明したように、本発明のレーザーパワー給電装置は、光を効率良く電力に変換でき、外部に光が漏れない構造であることからレーザーに対する人体への安全性も高まり、埃の侵入も防ぐことができるために光電変換装置の長期劣化を抑制できる。

図面を用いて本発明の実施例を説明する。図１は第１実施例を説明する光電変換装置の概略図であり、図４の（３０）光電変換装置と同様に光パワーを電力に変換する役割である。レーザー給電装置の動作について説明する。

図１の半導体レーザー（１０）によって光パワーを発生する。実施例における半導体レーザー（１０）はレーザー出力３ＷのＧａＡｌＡｓ半導体レーザー（波長８１０ｎｍ）であり、光ファイバ（２０）にはコア径２００μｍのステップインデックス型マルチモード石英ファイバである。光ファイバ（２０）より光パワーを搬送し、光電変換装置（３０）により光パワーを電力に変換する。光電変換装置（３０）は図１では円筒形の形状であり、一端面に光ファイバ（２０）のコネクタ（３１）を取り付け、他端面に一片２ｃｍの正方形の太陽電池（３５）を接着した。太陽電池表面には無反射コーティングが施してある。円筒形の長さは、光ファイバから出射した光の拡がり角を考慮して長さ５ｃｍであり、直径は４ｃｍである。光電変換装置はコネクタ（３１）を省いて金属材料であるＡｌで作られている。実験では、光ファイバから出射された光パワー１．８Ｗに対して、０．７Ｗの電気出力が得られ、光パワーから電力への変換効率は３９％であった。

図２は本発明の第２実施例を説明する光電変換装置（３０）の概略図であり、図４の光電変換装置（３０）と同様に光パワーを電力に変換する役割である。レーザー給電装置の動作について説明する。図２の半導体レーザー（１０）によって光パワーを発生する。実施例における半導体レーザー（１０）はレーザー出力３０ＷのＧａＡｌＡｓ半導体レーザー（波長８１０ｎｍ）であり、光ファイバ（２０）にはコア径６００μｍのステップインデックス型マルチモード石英ファイバである。光ファイバ（２０）より光パワーを搬送し、光電変換装置（３０）により光パワーを電力に変換する。図３は図２の断面図である。図３に示すように光ファイバコネクタ（３１）の付いた光の入射面の断面は、内面の内寸法で一片２ｃｍの正方形断面であり、図３に示すように空洞内面が並行６面体柱の形状をしている。太陽電池（３５）には一片９ｍｍ他辺５０ｍｍの長方形形状のＧａＡｓ太陽電池を各内面に２枚接着し、側面が４面あることから合計８枚の太陽電池を光電変換装置の内面に接着してそれぞれの太陽電池を直列接続した。図３の実施例では断面が正方形であるが、正方形も含めて断面を正多角形にすることができる。正多角形の中心に光ファイバコネクタを設けることによって、光ファイバ出射端面から各太陽電池までの距離を同じくすることができ、同じ光量が各太陽電池に入射する。その結果、各太陽電池からの電気出力を均一化できる。光の入射面と対向する面は、本実施例では光吸収を低減するために鏡面研磨した２ｃｍ角断面の銅板（３２）を用いた。光ファイバから出射する光の拡がり角度が約１１度と小さいために、実施例では光ファイバ出口に無反射コーティングを施した凹レンズ（３３）を設けて光を広げている。レンズを設けない場合には、光ファイバから出た光は拡がるもののファイバ出口から５ｃｍ離れたところでようやく太陽電池表面に当たり、また長い太陽電池を用いなければならなかった。レンズで光を広げることによって太陽電池の長手方向の長さを短くすることができ、実施例では太陽電池の長さを５０ｍｍとした。光ファイバ出口にレンズを設ける代わりに、光ファイバ出射端面をレンズ形状に加工してレンズを省略しても良い。実施例での光電変換装置（３０）は内面を鏡面研磨した厚さ１０ｍｍの銅ブロックを６枚組み合わせて外部に光が漏れない構造にすると共に、外側表面に溝を設けることによって放熱を良くして光電変換装置（３０）の温度上昇を抑制している。

実験では、光ファイバから出射された光パワー１８Ｗに対して、６．７Ｗの電気出力が得られ、光パワーから電力への変換効率は３７％であった。８枚の個々の太陽電池の電気出力は０．７７Ｗから０．９Ｗと約１５％ほどのばらつきがあったが、太陽電池の背着方法やレンズの取り付け位置精度の影響と考えられる。また、光の入射面と対向する鏡面研磨した２ｃｍ角断面の銅板を黒色塗装した場合には変換効率が約３％低下したことから、内面を光を反射する鏡面にすることが効率向上に有効なことがわかった。

第１実施例を説明する光電変換装置の図第２実施例を説明する光電変換装置の図第２実施例を説明する図２の光電変換装置の断面図従来のレーザーパワー給電装置の概略構成図

符号の説明

１０半導体レーザー
１５レーザー光
２０光ファイバ
３０光電変換装置
３１光ファイバコネクタ
３２鏡面研磨した銅板
３３凹レンズ
３５太陽電池
４０負荷
５０金属ケース
５５出力安定化回路

Claims

半導体レーザーを用いて電力を光パワーに変換し、光パワーを光ファイバを通して伝送し、伝送された光パワーを光電変換装置を用いて電力に再変換するレーザーパワー給電装置において、
光電変換装置は内部が空洞の立体構造体であり、空洞内面に太陽電池が密着して取り付けられており、立体構造体に開けられた光が透過する穴を通して太陽電池に光パワーを導くことを特徴とするレーザーパワー給電装置。
請求項１に記載の光電変換装置において、光が透過する穴を持った面から見て光電変換装置の空洞断面が正多角形であり、空洞が並行多面体柱の形状をした立体構造体であり、複数の太陽電池は立体構造体の空洞内面に密着して固定されていることを特徴とするレーザーパワー給電装置。
請求項２に記載の光電変換装置において、太陽電池が密着されている部分以外の光電変換装置の空洞内面の一部或いは全面は、光反射率の高い材料で覆われており、光の入射穴に光ファイバのコネクタを用いることを特徴とするレーザーパワー給電装置。