激光無線能量傳輸接收裝置研究

張建德 郭春輝 于閎飛

（山東航天電子技術研究所，山東煙臺 264670）

1 引言

激光無線能量傳輸技術可以廣泛應用于航空航天領域［1-4］（如空間太陽能電站［5］、無人機無線供能等）。因此，激光無線能量傳輸技術越來越受重視。在激光無線能量傳輸技術［6-9］的應用中，傳輸效率是無線能量傳輸的關鍵指標。而影響激光無線能量傳輸效率的因素包括激光器的電光轉換效率、空間傳輸損耗和接收裝置的轉換效率。其中，接收裝置的轉換效率是影響激光無線能量傳輸效率的主要因素。日本近畿大學在2006年利用激光能量傳輸給風箏、直升機進行激光供能試驗［10］。當以200 W 激光器輸出時，風箏獲得了42 W 功率。

傳統的太陽能發電系統以太陽光作為能源具有光強分布均勻的特點，并且光電池板的尺寸不受光斑大小的約束。而激光無線能量傳輸由于激光光斑能量分布不均勻，光電池板形狀受激光光斑形狀約束，傳統的光電池板設計無法滿足激光無線能量傳輸光電轉換應用需求。

本文在分析光電池布局對光電轉換效率影響的基礎上，主要針對激光無線能量傳輸光斑能量分布不均勻的特點，結合光電池最優布局和最大功率跟蹤技術，提出了一種高轉換效率的光電池接收裝置，并進行了試驗驗證。

2 理論設計

在激光無線能量傳輸技術的實際應用中，由常規單片光電池構成的光電池板是無法滿足輸出功率的要求。因此，光電池板必須采用光電池串并聯結構才能滿足輸出功率要求。為了獲得較高的光電轉換效率，需要采用光電池最優布局和最大功率跟蹤技術設計接收裝置。

2．1 光電池最優布局

1）光電池串聯最優布局設計

在光電池接收裝置中光電池單元的串聯特性參數包括：開路電壓Voc和短路電流Ⅰsc、最佳工作電壓Vmp、最佳工作電流Ⅰmp、最大輸出功率Pmp。

由于激光光斑能量分布不均勻的特性，光電池板的每一片光電池的特性參數均不一致。對特性參數不一致的光電池組件，分別取光電池單元中最小的Ⅰsc＿i、Ⅰmp＿i作為整個支路的Ⅰsc、Ⅰmp。對光電池單元有

式中：Voc＿n為第n個光電池的開路電壓；Vmp＿n為第n個光電池的最佳工作電壓；Ⅰsc＿n為第n個光電池的短路電流；Ⅰmp＿n為第n個光電池的最佳工作電流；n表示串聯光電池的編號。

光電池單元的理想輸出功率為

光電池單元的最佳輸出功率為

由式（2）、（4）和（6）得，光電池串聯的最大輸出功率主要由單片光電池的最小輸出電流決定。因此在進行串聯光電布局設計時盡可能地布置在光強分布相同的位置。

2）光電池并聯最優布局設計

對整個光電池陣列，分別取所有并聯支路中最小的Vo＿j，Vm＿j作為整個方陣的Vo，Vm。對整個方陣有

式中：Vo＿j為第j串聯支路的開路電壓；Vm＿j為第j串聯支路的最佳工作電壓；Ⅰs＿j為第j串聯支路的短路電流；Ⅰm＿j為第j串聯支路的最佳工作電流；j表示串聯支路編號。

因此，整個方陣理想輸出功率

整個方陣最佳輸出功率

整個方陣最佳轉換效率

式中：Plaser為激光器發射光功率。

在激光無線能量傳輸實際應用中，需要采用二維轉臺跟瞄對準進行無線能量傳輸，由于存在跟瞄精度的問題，將會產生陰影效應。此時每一個支路需要串聯一個二極管，可防止位于陰影區的電池片受損壞。

3）光電池最優布局設計

激光光斑的能量分布屬于高斯分布，即中心光照強度最強、邊緣光照強度最弱。因此，光電池進行布局設計時，其最優布局設計是盡量把串聯的光電池布置在相同光照強度的位置。

如圖1中光電池板由4組光電池單元組成，每個光電池單元分別由16片光電池串聯而成，各光電池單元中光電池數目相等，從而讓各光電池單元輸出電壓相等。由于光電池長寬尺寸不相同，因此光電池板進行縱橫不對稱設計。這種布局方式一方面可以減少光斑能量不均勻對光電池光電轉換效率的影響；另一方面由于跟瞄對準過程中跟瞄精度使得光斑在光電池板上發生偏移，此時只有外圍一組光電池單元因未照射到光沒有輸出，不影響其他被照射到的光電池單元的輸出，降低了跟瞄精度對光電池板的整體輸出功率的影響。

圖1 光電池布局示意圖Fig．1 Optimal layout of the cell

2．2 最大功率跟蹤技術

本文采用擾動觀察法實現最大功率點跟蹤。擾動觀察法是控制DC／DC 轉換器改變輸出端的電壓，不斷地變動光電池的輸出電壓來跟蹤最大功率點，當到達最大功率點附近之后，其擾動并不會停止，而會在最大功率點左右振蕩，因此造成能量損耗并降低光電池的效率；尤其是在氣候條件變化緩慢時，能量損耗的情況更為嚴重，這是因為氣候條件變化緩慢時，光電池所產生的電壓及電流變動并沒有什么太大的變化，而此方法仍然會繼續擾動以改變其電壓值而造成能量損失，此為擾動法的最大缺點。

激光無線能量傳輸系統在采用跟瞄系統進行跟瞄對準無線能量傳輸時，由于存在跟瞄精度，激光光斑在光電池上是晃動的，此時外界條件變換快速，光電池產生的電壓及電流變動明顯，因此不會出現能量損耗嚴重的現象。

2．3 接收裝置設計

由于光電池的輸出特性具有非線性特征，其輸出跟光照強度、溫度和負載有很大的關系。激光無線能量傳輸接收端的激光光斑能量分布是不均勻的，因此光電池接收裝置的每一片光電池的輸出特性是不同的。在進行光電池串并聯設計時，需要根據光斑能量分布進行合理的光電池布局設計。負載同樣對光電池的輸出功率具有很大的影響，為了把負載與光電池進行隔離，并得到最大的功率輸出，本文采用最大功率跟蹤技術進行優化設計。光電池接收裝置主要由光電池陣列和能源管理單元構成，如圖2所示。

圖2 接收裝置組成框圖Fig．2 Fame of receiver device

其中，光電池陣列采用光電池最優布局方法進行串并聯設計；能源管理單元由二極管和最大功率跟蹤模塊組成。光電池板是由j個光電池單元并聯構成，其中光電池單元是由n個光電池串聯構成。整個接收裝置的轉換效率為

式中：ηm為光電池板的最佳轉換效率；ηe為能源管理單元的轉換效率。

3 實驗系統設計

3．1 實驗系統構成

本實驗系統主要由半導體激光器、光電池板和能源管理單元構成，如圖3所示。實驗過程中，激光光斑正好完全覆蓋光電池板上的光電池片，并且光電池板背面安裝散熱片通過風冷進行散熱。同時考慮空間應用，光電池板背面可采用表面發黑處理、填充導熱材料等高可靠性的導熱和輻射方式進行散熱。

圖3 激光無線能量傳輸系統原理圖Fig．3 Laser energy transmission system

1）半導體激光器

本實驗中選用的半導體激光器的主要參數為：輸出波長為808nm，最大輸出光功率為100 W，光纖芯徑為200μm，數值孔徑（NA）為0．22（數值孔徑用來描述光進出光纖時的錐角大小，不同廠家生產的光纖的數值孔徑不相同）。

2）光電池板

光電池板是由下列元器件組成：光電池片、電極和基板，如圖4所示。光電池板由224片光電池組成，共分為14路輸出，每一路16片光電池。基板采用鎂鋰合金材料，不僅具有良好的散熱效果，還能夠有效地減輕光電池板質量。

圖4 光電池板實物圖Fig．4 Optical-electro conversion device

3）能源管理單元

根據設計要求，能源管理單元具有14路輸入對應光電池板的14路輸出，經過二極管后合并成一路輸入最大功率跟蹤單元，通過擾動控制算法保持最大功率輸出。光電池最大功率跟蹤單元的輸入電壓為7～40V，輸出電壓必須高于輸入電壓，可以根據需求調節輸出電壓的范圍為輸入電壓到40V。

3．2 實驗結果及分析

測試條件為在室內無強背景光條件下，光電池板溫度恒定在25 ℃左右，采用808nm 的半導體激光器直接照射光電池板，由于激光器功率較小，為了保證光照強度，使得光斑剛好覆蓋光電池板中心兩組光電池單元。光電池板的光電轉換效率受溫度、光照強度和負載阻抗的影響，此時將集中反映到輸出電壓上，因此不同的輸出電壓對應著不同的轉換效率。圖5是在不加能源管理單元時，光電池板的輸出電壓與轉換效率的關系，橫坐標為光電池板的輸出電壓，縱坐標為光電池的光電轉換效率。當光電池板的輸出電壓為15．5V 時，其光電轉換效率最大達到31．3%。

為了能夠在實際應用中始終獲得最大的光電轉換效率，本設計采用最大功率跟蹤方法自動調節光電池板輸出電壓，使得光電池板在不同的光照強度、溫度和負載阻抗的條件下保持最大輸出功率。為了模擬激光無線能量傳輸的實際應用場景，把半導體激光器的發射端放在二維轉臺上，使得激光光斑在光電池附近來回抖動，此時光電池板輸出電壓和輸出電流快速變化，能源管理單元能夠自動快速進行最大功率跟蹤，解決了擾動法最大功率跟蹤的缺陷。

能源管理單元具有調節輸出電壓的作用，在輸入電壓和輸出電壓轉換過程中會有能量損耗。為了更明確地說明能源管理單元的功能和性能，設置能源管理輸出電壓為20V，此時輸入電壓與能源管理單元的轉換效率的關系如圖6 所示。輸入電壓為8～16．5V 時，能源管理單元的轉換效率隨著輸入電壓的增大而增大；輸入電壓大于16．5V 時，由于能源管理單元內部開關頻率變高引起開關損耗變大，因此能源管理單元的轉換效率下降。

激光無線能量傳輸接收裝置的轉換效率是由光電池板的光電轉換效率和能源管理單元的轉換效率共同決定的，并且主要由光電池板的輸出電壓決定。當光照強度和溫度保持不變，此時能源管理單元的輸入電壓始終保持在15．5 V，其轉換效率為94．5%，由式（14）可得接收裝置的轉換效率為29．6%。因此，采用能源管理單元對光電池板功率進行跟蹤，能夠有效地提高整個接收裝置的轉換效率。

圖6 能源管理單元輸入電壓與轉換效率的關系Fig．6 Output characteristics of energy management unit

4 結論

能量接收裝置是激光無線能量傳輸系統的重要組成部分，其具有如下特點：①激光無線能量傳輸過程中激光光斑能量分布不均勻，能量接收裝置能夠在非均勻的光照強度下，通過對光電池合理布局，有效降低光照強度不均勻對接收裝置轉換效率的影響；②外界條件（光照強度、溫度和負載）的改變都將影響光電池的輸出特性，能量接收裝置能夠在外界條件發生變化時，通過采用最大功率跟蹤技術，始終保證最大功率輸出。

本文通過對激光無線能量傳輸過程中影響接收裝置效率的因素進行分析，采用光電池串并聯最優布局和擾動觀察最大功率跟蹤技術，設計了一種高效率的光電池板和能源管理系統；測試結果表明該技術可解決激光無線能量傳輸動態能量獲取問題，獲得高達29．6%的動態轉換效率。因此，本文的研究成果對動態激光無線能量傳輸系統高效光電轉換裝置設計具有工程應用價值。

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