劉曉光，華文深，楊 佳，郭 彤

(1.軍械工程學院電子與光學工程系，河北石家莊050003;2.中國人民解放軍第66046部隊，河北石家莊050003)

1 引言

無人機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮的作用日趨明顯，世界各軍事強國均對無人機技術(shù)開展了廣泛的研究。作為無人機家族的重要組成部分，電動無人機由于體積小，重量輕，便于攜帶操作，隱蔽性強，在戰(zhàn)術(shù)乃至戰(zhàn)役層面發(fā)揮的作用日趨顯著。目前，無人機裝備較為普遍的美國、以色列等國家均部署大量電動無人機［1］。但是，電動無人機往往面臨機載蓄電池容量有限，續(xù)航時間短的問題，極大地限制其效能的發(fā)揮。

激光無線能量傳輸技術(shù)通過將激光束作為能量傳輸?shù)妮d體，光伏接收器實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，以達到能量遠距離無線傳輸?shù)哪康摹Ｍㄟ^該技術(shù)對無人機在飛行過程中充電，將極大地延長無人機的巡航時間。美日等國均對激光供能無人機進行相關(guān)研究［2－3］。美國激光動力公司更是實現(xiàn)了無人機連續(xù)48 h的飛行，創(chuàng)造了電動無人機飛行時間的記錄［4－5］。由于光伏接收器是整個系統(tǒng)最為關(guān)鍵的器件之一，本文從光伏接收器的任務需求出發(fā)，對影響光伏接收器設計的五個方面問題進行分析研究，為后續(xù)設計奠定了基礎。

2 結(jié)構(gòu)分析

激光供能無人機的工作原理圖如圖1所示。

圖1 激光供能無人機原理圖Fig.1 Principle of laser powered unmanned aerial vehicle

從圖1中可以看出，無人機的激光供能系統(tǒng)主要分為兩大部分:地面系統(tǒng)和機載系統(tǒng)。地面系統(tǒng)以激光器為核心，作為能量源。機載系統(tǒng)以光伏接收器為核心構(gòu)成能量轉(zhuǎn)換和存儲系統(tǒng)。光伏接收器的作用是為無人機提供飛行動力和機載設備工作所需的電能。設計光伏接收器，在選材和設計過程中應滿足以下方面:

(1)單體光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率高，對入射激光的功率特性和溫度特性好。

(2)光伏接收器具有與無人機相稱的體積重量，電能輸出效率高。

(3)散熱系統(tǒng)散熱性能良好，功耗較低，體積重量小。

(4)角度效率衰減系數(shù)小。

為了達到以上要求，在進行光伏接收器設計時，應該充分考慮五個方面的內(nèi)容:系統(tǒng)的工作模式，光伏電池的選擇，接收器的結(jié)構(gòu)布局，散熱系統(tǒng)和角度衰減系數(shù)。

3 關(guān)鍵因素分析

3.1 工作模式

激光供能無人機的工作模式?jīng)Q定了整個系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)設計。其工作模式主要有兩種:實時供能和補充式供能。實時供能要求激光發(fā)射系統(tǒng)實時跟蹤無人機，無人機的飛行動力和機載負荷的電力來源均來自于實時提供的激光能量。只有在雨雪霧天或云彩遮擋無法進行激光充電時，利用機載本身攜帶的蓄電池提供電力。補充式供能則是在接受到無人機發(fā)出的蓄電池電能過低需要充電時才進行充電的工作模式。在這種工作模式在激光發(fā)射裝置不需要實時跟蹤無人機，在正常情況下，無人機正常工作所需要的電能來源于機載蓄電池供電。只有在充電過程中，其電力來源為激光能量。

在實時供能的工作模式下，激光束需要實時輻照光伏接收器，這不僅對跟蹤系統(tǒng)的跟蹤提出較高的要求，而且對激光器的散熱、壽命以及光伏接收器的散熱系統(tǒng)設計均提出挑戰(zhàn)。同時，在戰(zhàn)場條件下，激光束長時間照射將大大增加暴露自身的幾率，但這種方式能夠為飛行動力提供大功率的電能輸出。補充式供能只需要在供能期間對無人機進行精確定位跟蹤。這將大大降低對激光發(fā)射裝置的性能要求，同時也有利于延長激光器的使用壽命和光伏接收器的散熱。從使用成本、可行性以及隱蔽性等諸多方面來看，補充式充電是激光供能無人機工作模式的最佳選擇。

3.2 光伏電池

光伏電池是設計光伏接收器的基礎。在選擇光伏電池時，應以實用高功率激光器為基礎，著重考慮激光的功率特性、溫度特性和波長響應特性對光伏電池的影響。功率特性和溫度特性衡量的是光伏電池輸出與入射激光功率、光伏電池溫度之間關(guān)系?？紤]波長響應特性時，還要考慮相應波長激光的大氣傳輸特性。目前，高功率激光器技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是半導體激光器在功率、體積以及光伏電池響應率方面均有較好表現(xiàn)，能夠提供有效的高功率激光輻照。

最常用的光伏電池有硅電池，砷化鎵電池，薄膜電池。硅電池成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積的鋪設，但其轉(zhuǎn)換效率相對較低。同時溫度特性較差，隨著溫度的升高，其效率下降嚴重。而在高功率激光照射下，光伏電池溫度必然升高。同時，硅電池的峰值響應波長在950 nm左右，該波段在大氣中傳輸，衰減嚴重［6］，不適合作為供能來源。砷化鎵電池的光電轉(zhuǎn)換效率較高，溫度特性好。在現(xiàn)有激光器波長800 nm附近，有光電轉(zhuǎn)換效率達60%的報道［7］。但普通的硅電池和砷化鎵電池隨激光功率的升高而效率下降較為嚴重。其主要原因在于電池設計所針對的是太陽光等光強較弱的情況，在高功率激光輻照下，光伏電池在高注入條件下工作，性能受到串聯(lián)內(nèi)阻、復合電流等電池內(nèi)在參數(shù)影響嚴重［8］。同時，砷化鎵電池的使用成本也比較高。薄膜電池體積重量的優(yōu)勢有利于電動無人機有效載荷有限的實際條件。但是，目前薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低，轉(zhuǎn)換效率過低必然需要以提高激光功率，延長充電時間等為代價，這將對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能提出更高要求。因此，光伏電池的最佳選擇是基于選定的激光工作波長，設計能夠承受高功率激光輻照的高性能光伏電池。

3.3 接收器結(jié)構(gòu)布局

目前，光伏接收器的結(jié)構(gòu)形式主要有三種:平板型光伏接收器，會聚型光伏接收器和光伏眼［9－10］，如圖2所示。

圖2 三種常見光伏接收器Fig.2 Three kinds of photovoltaic receiver

平板型光伏接收器結(jié)構(gòu)最為簡單，呈平面結(jié)構(gòu)。這種接收器結(jié)構(gòu)簡單，對跟蹤精度的要求也較低。會聚型光伏接收器通過采用會聚透鏡，將入射激光會聚在小面積的光伏電池上。提高了光照強度，降低了光伏電池的使用面積，極大地降低了成本，但同時散熱系統(tǒng)的要求也比較高，結(jié)構(gòu)較為復雜，體積重量都比較大。同時，對于激光發(fā)射裝置的跟蹤精度要求高。光伏眼通過將入射激光“囚禁”在相對密閉的空腔內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)在光伏電池表面被反射激光的重復利用，提高整體的效率。但是其結(jié)構(gòu)的密閉性，在高功率激光輻照下，散熱問題將變得突出;同時，由于光伏眼開口大小的限制，對激光發(fā)射裝置的跟蹤精度要求很高。

在光伏接收器的設計中還必須要考慮激光光強不均的問題。該問題的來源主要是激光束本身能量分布的不均性和大氣的影響。通常采用的激光束為高斯光束，光束本身存在能量分布不均的問題。激光在大氣中傳輸，不僅面臨大氣折射、氣溶膠散射吸收等造成功率損失的問題，而且大氣湍流作用下，由于隨機相位的疊加，造成激光束能量分布的隨機性［11］，甚至影響激光束照準精度［12］。在中弱湍流條件下，激光束將呈現(xiàn)近高斯分布，而在強湍流作用下，高斯光束將被徹底破壞，呈現(xiàn)極不均勻的能量分布。激光能量分布的不均性對光伏接收器的影響在于電能輸出效率的降低。在串聯(lián)支路中，支路電流受限于光生電流最小的光伏電池。在并聯(lián)支路中，支路電壓取決于電壓最小的光伏電池。采用旁路二極管和阻塞二極管來提高輸出功率的情況下，將會造成接收器輸出的多峰特性。此時，需要引入最大功率點追蹤電路，增加了系統(tǒng)復雜性。在上述三種光伏接收器中，平板型和會聚型均面臨這種問題。但是在光伏眼中，通過將腔體內(nèi)表面設計為朗伯面，或者通過對反射式會聚器進行設計，能夠?qū)崿F(xiàn)相對均勻的光照，從而避免激光光強分布不均的問題。

3.4 散熱系統(tǒng)

在高功率激光輻照下，光伏電池的溫度將會迅速升高，降低光伏電池的效率，同時也是光伏電池物理損傷的主要原因［13］。影響光伏電池溫度的因素包括有效的激光入射功率，光伏電池的材料結(jié)構(gòu)，風速，環(huán)境溫度和散熱系統(tǒng)的性能［14］。通過對激光能量建立能量守恒關(guān)系式如式(1)所示:

其中，CPV為光伏電池的熱容;TPV為光伏電池的溫度;Qin為入射到光伏電池表面的激光功率;Pout為電能輸出功率;Qconv、Qrad、Qcond分別為光伏電池通過對流、輻射和傳導的散熱。確定合理的參數(shù)取值，對激光輻照下光伏電池溫度變化的規(guī)律進行仿真研究。研究表明光伏電池的溫度與有效的入射激光功率成線性關(guān)系，而風速的增大，環(huán)境溫度的降低能夠有效降低光伏電池的溫度。針對具體的工作環(huán)境，需要對激光輻照下光伏電池進行必要的應力分析，確定其最大工作溫度和光伏電池所能承受的最大溫度，并采取合適的散熱措施。光伏電池溫度在激光輻照下的溫度模型和應力變化模型是散熱系統(tǒng)設計的基礎。

3.5 角度衰減系數(shù)

定義角度衰減系數(shù)來衡量激光在非正入射條件下，光伏接收器的效率損失程度。角度衰減系數(shù)的大小在一定程度上影響了系統(tǒng)的有效作用距離。在不能保證正入射時，在相同條件下，角度衰減系數(shù)越小，系統(tǒng)的工作距離越大。

對于平板型光伏接收器而言，在激光正入射條件下，光電轉(zhuǎn)換效率最高。在斜入射條件下，能量損失的主要原因在于激光在光伏電池表面反射造成有效光強衰減。在一定角度入射條件下，輻照光伏電池的實際有效光強由公式(2)給出［15］:

其中，E為輻照光伏電池的有效激光強度;E0為激光器出射光強;α為光伏電池蓋板透射系數(shù);θ為激光入射角度。

從式(2)可以看出，在斜入射條件下，輻照光伏電池的激光強度與入射角度呈余弦關(guān)系。激光束斜入射進一步造成激光能量分布的不均性，加劇光伏接收器的效率損失。而會聚型光伏接收器對于激光入射角度的要求更高。由于入射激光需要經(jīng)過會聚透鏡進行聚焦，在激光斜入射時，必定造成激光光斑偏離光伏電池，光伏電池接收的激光功率下降，造成嚴重的能量損失［9］。對于光伏眼而言，激光斜入射不會加劇能量分布不均的影響［10］。但是，為了避免角度盲區(qū)，只有為光伏眼安裝相應的跟蹤設備，與激光束進行相對對準，才能保證系統(tǒng)的正常工作，這就增加了系統(tǒng)的復雜程度。

4 結(jié)論

針對小型電動無人機體積較小載荷有限的特點，提出光伏接收器的性能要求，并分析了影響光伏接收器設計的五個方面問題。在設計光伏接收器時首先應根據(jù)具體的工作模式，選擇高性能的光伏電池。在設計光伏接收器的結(jié)構(gòu)布局時，消除光強分布不均和激光入射角度的影響，并根據(jù)激光輻照下的光伏接收器的溫度模型，確定合理的散熱系統(tǒng)。

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