張建德 郭春輝 于閎飛

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺 264670）

1 引言

激光無線能量傳輸技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)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(shù)越來越受重視。在激光無線能量傳輸技術(shù)［6-9］的應(yīng)用中，傳輸效率是無線能量傳輸?shù)年P(guān)鍵指標(biāo)。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(zhuǎn)換效率、空間傳輸損耗和接收裝置的轉(zhuǎn)換效率。其中，接收裝置的轉(zhuǎn)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(xué)在2006年利用激光能量傳輸給風(fēng)箏、直升機進行激光供能試驗［10］。當(dāng)以200 W 激光器輸出時，風(fēng)箏獲得了42 W 功率。

傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)的光電池板設(shè)計無法滿足激光無線能量傳輸光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用需求。

本文在分析光電池布局對光電轉(zhuǎn)換效率影響的基礎(chǔ)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(jié)合光電池最優(yōu)布局和最大功率跟蹤技術(shù)，提出了一種高轉(zhuǎn)換效率的光電池接收裝置，并進行了試驗驗證。

2 理論設(shè)計

在激光無線能量傳輸技術(shù)的實際應(yīng)用中，由常規(guī)單片光電池構(gòu)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(lián)結(jié)構(gòu)才能滿足輸出功率要求。為了獲得較高的光電轉(zhuǎn)換效率，需要采用光電池最優(yōu)布局和最大功率跟蹤技術(shù)設(shè)計接收裝置。

2．1 光電池最優(yōu)布局

1）光電池串聯(lián)最優(yōu)布局設(shè)計

在光電池接收裝置中光電池單元的串聯(lián)特性參數(shù)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(shù)均不一致。對特性參數(shù)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(lián)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(lián)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(lián)光電布局設(shè)計時盡可能地布置在光強分布相同的位置。

2）光電池并聯(lián)最優(yōu)布局設(shè)計

對整個光電池陣列，分別取所有并聯(lián)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(lián)支路的開路電壓；Vm＿j為第j串聯(lián)支路的最佳工作電壓；Ⅰs＿j為第j串聯(lián)支路的短路電流；Ⅰm＿j為第j串聯(lián)支路的最佳工作電流；j表示串聯(lián)支路編號。

因此，整個方陣?yán)硐胼敵龉β?/p>

整個方陣最佳輸出功率

整個方陣最佳轉(zhuǎn)換效率

式中：Plaser為激光器發(fā)射光功率。

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

3）光電池最優(yōu)布局設(shè)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(shè)計時，其最優(yōu)布局設(shè)計是盡量把串聯(lián)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(lián)而成，各光電池單元中光電池數(shù)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(shè)計。這種布局方式一方面可以減少光斑能量不均勻?qū)怆姵毓怆娹D(zhuǎn)換效率的影響；另一方面由于跟瞄對準(zhǔn)過程中跟瞄精度使得光斑在光電池板上發(fā)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(shù)

本文采用擾動觀察法實現(xiàn)最大功率點跟蹤。擾動觀察法是控制DC／DC 轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)竭_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(yán)重，這是因為氣候條件變化緩慢時，光電池所產(chǎn)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(xù)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(tǒng)在采用跟瞄系統(tǒng)進行跟瞄對準(zhǔn)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(chǎn)生的電壓及電流變動明顯，因此不會出現(xiàn)能量損耗嚴(yán)重的現(xiàn)象。

2．3 接收裝置設(shè)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(fù)載有很大的關(guān)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(lián)設(shè)計時，需要根據(jù)光斑能量分布進行合理的光電池布局設(shè)計。負(fù)載同樣對光電池的輸出功率具有很大的影響，為了把負(fù)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(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。光電池接收裝置主要由光電池陣列和能源管理單元構(gòu)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(yōu)布局方法進行串并聯(lián)設(shè)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(lián)構(gòu)成，其中光電池單元是由n個光電池串聯(lián)構(gòu)成。整個接收裝置的轉(zhuǎn)換效率為

式中：ηm為光電池板的最佳轉(zhuǎn)換效率；ηe為能源管理單元的轉(zhuǎn)換效率。

3 實驗系統(tǒng)設(shè)計

3．1 實驗系統(tǒng)構(gòu)成

本實驗系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體激光器、光電池板和能源管理單元構(gòu)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(fēng)冷進行散熱。同時考慮空間應(yīng)用，光電池板背面可采用表面發(fā)黑處理、填充導(dǎo)熱材料等高可靠性的導(dǎo)熱和輻射方式進行散熱。

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

1）半導(dǎo)體激光器

本實驗中選用的半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)為：輸出波長為808nm，最大輸出光功率為100 W，光纖芯徑為200μm，數(shù)值孔徑（NA）為0．22（數(shù)值孔徑用來描述光進出光纖時的錐角大小，不同廠家生產(chǎn)的光纖的數(shù)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?；宀捎面V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(zhì)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(jù)設(shè)計要求，能源管理單元具有14路輸入對應(yīng)光電池板的14路輸出，經(jīng)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(jù)需求調(diào)節(jié)輸出電壓的范圍為輸入電壓到40V。

3．2 實驗結(jié)果及分析

測試條件為在室內(nèi)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(dǎo)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(zhuǎn)換效率受溫度、光照強度和負(fù)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(yīng)著不同的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率的關(guān)系，橫坐標(biāo)為光電池板的輸出電壓，縱坐標(biāo)為光電池的光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)光電池板的輸出電壓為15．5V 時，其光電轉(zhuǎn)換效率最大達到31．3%。

為了能夠在實際應(yīng)用中始終獲得最大的光電轉(zhuǎn)換效率，本設(shè)計采用最大功率跟蹤方法自動調(diào)節(jié)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(fù)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?shù)膶嶋H應(yīng)用場景，把半導(dǎo)體激光器的發(fā)射端放在二維轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)輸出電壓的作用，在輸入電壓和輸出電壓轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)換效率的關(guān)系如圖6 所示。輸入電壓為8～16．5V 時，能源管理單元的轉(zhuǎn)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(nèi)部開關(guān)頻率變高引起開關(guān)損耗變大，因此能源管理單元的轉(zhuǎn)換效率下降。

激光無線能量傳輸接收裝置的轉(zhuǎn)換效率是由光電池板的光電轉(zhuǎn)換效率和能源管理單元的轉(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)換效率為94．5%，由式（14）可得接收裝置的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率。

圖6 能源管理單元輸入電壓與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系Fig．6 Output characteristics of energy management unit

4 結(jié)論

能量接收裝置是激光無線能量傳輸系統(tǒng)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?qū)邮昭b置轉(zhuǎn)換效率的影響；②外界條件（光照強度、溫度和負(fù)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(fā)生變化時，通過采用最大功率跟蹤技術(shù)，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(lián)最優(yōu)布局和擾動觀察最大功率跟蹤技術(shù)，設(shè)計了一種高效率的光電池板和能源管理系統(tǒng)；測試結(jié)果表明該技術(shù)可解決激光無線能量傳輸動態(tài)能量獲取問題，獲得高達29．6%的動態(tài)轉(zhuǎn)換效率。因此，本文的研究成果對動態(tài)激光無線能量傳輸系統(tǒng)高效光電轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計具有工程應(yīng)用價值。

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