［周丹］

基于激光無線供能系統(tǒng)的傳輸效率分析

［周丹］

摘要為了研究一款激光無線供能系統(tǒng)的傳輸效率，系統(tǒng)地分析了系統(tǒng)的組成模塊及影響傳輸效率的因素，最后對提高系統(tǒng)傳輸效率提出了解決方案，高電光轉換效率的半導體激光器、減小透鏡損耗、高轉換效率的多結砷化鎵薄膜太陽能電池等都會提高整個系統(tǒng)的傳輸效率。

關鍵詞：激光 無線供能 光電池 轉換效率

周丹

女，重慶郵電大學，光電工程學院，電磁場與微波工程研究所研究室2，碩士研究生。

引言

隨著各項技術的成熟與突破，無線供能在通信、工業(yè)、醫(yī)療、電力、航空航天、節(jié)能環(huán)保等領域呈現(xiàn)良好應用前景[1]。近年來，全球無線供能的市場規(guī)模逐年遞增，不久，電力傳輸就會迎來一個“無線”時代。

實現(xiàn)無線供能的方法大致有兩種，一種是兩個線圈的電磁感應方法，另一種是將電能以激光或者微波的形式。2012年7月，美國開發(fā)了利用激光充電技術為無人機充電的激光充電系統(tǒng)，并進行了相關測試[2]； 2013年5月，裝備了世界首款激光充電系統(tǒng)的垂直起降飛機進行首次飛行。由于無人機的提出，激光充電技術得到越來越多的關注也愈發(fā)成熟。而它也因其激光方向性好，系統(tǒng)設備簡單、使用方便，不易對周圍無線通信系統(tǒng)造成干擾，可用于太空或沙漠特殊環(huán)境等優(yōu)點得到很多研究人員的青睞。

傳輸效率作為激光無線供能的關鍵性指標，目前研究的系統(tǒng)傳輸效率可達18%左右。本文建立了一種利用高效光電池實現(xiàn)光電轉換的激光無線供能系統(tǒng)，本文主要針對整個系統(tǒng)的傳輸效率及其的提高進行研究分析，對提高系統(tǒng)傳輸效率提出了解決方案，高效的半導體激光器、低透鏡損耗、高轉換效率的光電池等都會提高整個系統(tǒng)的傳輸效率。

1　系統(tǒng)設計與分析

整個供能系統(tǒng)由激光器、光電池、充電電路以及相應的光學裝置等組成。該裝置的能量的轉換效率和裝置間的傳輸效率等因素起了關鍵性的作用系統(tǒng)結構如圖1。

圖1　激光無線供能系統(tǒng)結構示意圖

激光器作為發(fā)射端的關鍵部件，它的光電轉換效率、激光波長、功率、光斑形狀等性能參數(shù)都將直接影響整個系統(tǒng)的效率。目前常見的激光器有氣體激光器、半導體激光器和固體激光器等。為了更好的接收到激光光束使光束能夠準直均勻地照射到光電池全表面，我們要對激光光束進行擴束準直。常見的擴束準直系統(tǒng)主要有雙凸透鏡組合、凹凸透鏡組合、棱鏡組合等。

光電池作為接收端是將高密度的入射單色光直接為負載供電的。除了工藝相對成熟的單晶硅、多晶硅、非晶硅等太陽能電池，砷化鎵（GaAs）、銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）等化合物薄膜太陽能電池及薄膜Si系太陽能電池作為第三代太陽能電池近年來發(fā)展迅速。

充電電路要具備儲能、升壓、整流的功能，包括電能儲存單元、升壓穩(wěn)壓單元、充電控制單元，使電路可以輸出穩(wěn)定的電流、電壓實現(xiàn)一定的供能功能，將光電池接收到激光光束轉換為電能并加以輸出。

2　影響傳輸效率的因素分析

激光供能系統(tǒng)的能量轉化效率η：

式中η1—激光器的電-光轉換效率；

η2—激光在空間中的傳輸效率；

η3—光學裝置的傳輸效率；

η4—光電池的光-電轉換效率。

（1）通常情況下，半導體激光器的電光轉換效率約為40%-70%，輸出波長范圍532-950nm;以二氧化碳激光器為例的分子氣體激光器的電光轉換效率達10%-25%（離子激光器的轉換效率較低），激光波長10.6um；以摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光器為例的固體激光器的電光轉換效率約為5%，輸出激光波長為1064nm。綜合考慮系統(tǒng)需要連續(xù)、穩(wěn)定、大功率的輸出要求，系統(tǒng)選用半導體激光器，通常取η1=45%。

（2）激光發(fā)射出光束，在大氣中的傳輸與控制會受到天氣、環(huán)境等因素的影響,出現(xiàn)吸收、散射、擴散等現(xiàn)象,也會影響激光的傳輸效率。選擇激光波長時應盡量避開水蒸氣、CO2的吸收波長[3]?？紤]到目前傳輸距離較小，且選在了常溫下的室內，可認為激光在空間中的傳輸效率η2=1。

（3）由于激光光束具有發(fā)散角，會造成在傳輸過程中能量的損耗，當激光光束沒有全部照射到電池板時陰影部分會產(chǎn)生暗電流也會影響光電池的光電轉換效率，為了更好的接收到激光光束使光束能夠準直均勻地照射到光電池全表面，我們要對激光光束進行擴束準直。因此根據(jù)光電池的尺寸、傳輸距離和發(fā)散角等來設計擴束準直系統(tǒng)，本系統(tǒng)中采用兩個共焦的雙凸透鏡組合形式準直，焦距分別為f1、f2，如圖2[4]。

圖2　擴束準直系統(tǒng)示意圖

設激光光束束腰為w0，光束的共焦參數(shù)經(jīng)透鏡L1后束腰變w1，發(fā)散角由θ0擴大到θ1，經(jīng)透鏡L2后束腰變w2，發(fā)散角由θ1縮小到θ2。根據(jù)高斯光束性質可知最后射出的光束束腰半徑其中λ為光束波長。w2隨著w1減小而增大[5]，從而實現(xiàn)擴束，該裝置的擴束比：

其中準直過程中能量損耗主要由透鏡造成，用光功率計測出經(jīng)透鏡L1前后的光功率P1、P1‘，經(jīng)透鏡L2前后的光功率P、P’，即22

（4）為了盡量獲取更多的電力，高效率是光電池最重要的指標之一。光電池的光伏發(fā)電能力與所受光的波長有關。頻譜特性是光電池輸入輸出特性的重要指標之一。特別是作為激光能量接收器的光伏裝置，所用激光器的波長與光伏電池的光譜響應特性的配合對于提高輸送效率十分重要。

光電池的光電轉換效率[6]為最大輸出功率與照射到電池上的入射光功率之比，理論值為：

式中 Pm―為最大輸出功率；

Pi―為入射光功率；

Um―為光電池最大工作電壓（即最大輸出功率下的輸出電壓）；

Im―為最大工作電流；

A―為光電池的有效面積；

Pin―為單位面積的入射光功率一般取1kW/m2。

光電池的光電轉換效率與電池的結構、材質、特性、放射性粒子輻射損傷和工作環(huán)境等有關，尤其是其半導體材料禁帶寬度。禁帶寬度會直接影響短路電流和開路電路的大小，材料禁帶寬度大小與短路電流的大小成反比，與開路電壓成正比[8]。

3　轉換效率提高的措施

造成整個系統(tǒng)傳輸效率低的原因主要有發(fā)射端電光轉換效率較低、透鏡損耗、光電池轉化效率偏低等。從以上分析可以看出，短距離能量傳輸忽略大氣中的損耗，光電池對激光的接收效率還有待提高，為了提高整個系統(tǒng)的傳輸效率，必須對各個環(huán)節(jié)進行優(yōu)化設計，選用高效的器件，達到系統(tǒng)的最高傳輸效率。

（1）考慮到該系統(tǒng)需要連續(xù)、穩(wěn)定、大功率輸出的要求和光電池的最大靈敏度，選用波長800nm左右波長半導體激光器。近年來，國內外均將研究開發(fā)新型高功率、高光束質量的大功率半導體激光器作為一個重要研究方向，作為大功率半導體激光器的關鍵技術之一的半導體激光芯片外延生長技術也取得了重大進展。采用應變量子阱結構來提高大功率半導體激光器的光電性能，降低了器件的閾值電流密度，并擴展了GaAs基材料系的發(fā)射波長覆蓋范圍；采用無鋁有源區(qū)提高了激光芯片端面光學災變損傷光功率密度，提高器件的輸出功率，并增加了器件的使用壽命；采用寬波導大光腔結構增加了光束近場模式的尺寸，減小了輸出光功率密度，從而增加了輸出功率，并延長了器件壽命；采用了非對稱波導結構減小器件的光損耗[7]。目前，電光轉換效率現(xiàn)在最好的公司大約可以做到60%左右，實驗室可以做到70%以上了。預計在不久的將來，半導體激光器芯片的電光轉換效率能達到85%以上。這將帶來整個傳輸系統(tǒng)的傳輸效率提高。

（2）考慮到同等焦距能力條件下，雙凸透鏡的球差比平凸透鏡的小些，故選擇兩個雙凸透鏡的組合，一定程度上還可以增大傳輸距離。光線通過透鏡后，一部分光能量被吸收、反射和散射造成損耗，即反射率+吸收率+透射率=1。透鏡選擇也尤為重要，因此為了減小這部分損失，擴束準直系統(tǒng)中的透鏡應盡可能的選擇如超白玻璃、石英玻璃這樣透明系數(shù)高、光潔度高的材質或者在透鏡表面鍍一層相應光學薄膜來減少光的反射和散射；

（3）目前廣泛應用的是硅電池。在大氣條件為AM1.5的條件下測試，硅光電池的理論光電轉換效率可達24.8%左右，目前商品硅光電池的光電轉換效率一般為12%～20%。而單結的砷化鎵電池理論效率達到27%，而多結的砷化鎵電池實驗室理論效率更超過50%（來自IBM公司數(shù)據(jù)），實際轉換效率也達到了30%以上。各種太陽能電池的理論最高轉換效率見表1。

表1　各種太陽能電池的最高轉換效率

硅光電池和砷化鎵電池的光譜響應特性曲線如圖3[8]，由圖可知砷化鎵電池的有效光波長范圍為400～980nm，最大靈敏度在800nm～850nm左右；硅光電池的有效光波長范圍為400～1100nm，最大靈敏度在800nm～900nm左右。

太陽能電池的光電轉換效率作為衡量電池質量和技術水平的重要參數(shù)，其中與制造電池半導體材料禁帶寬度的關系最為直接。砷化鎵的禁帶較硅為寬，使得它的光譜響應性和空間太陽光譜匹配能力較硅好。考慮到高轉換效率、耐高溫等優(yōu)點，多結砷化鎵薄膜太陽能電池可使系統(tǒng)獲得更高的傳輸效率。研究表明目前GaAs光伏電池的轉換效率高達50%，不僅可以提高整體的能量傳輸效率還可以降低對激光器輸出功率的要求。實際實驗中盡量選擇尺寸偏小的光電池，使電池最大面積的接收到激光光束。

當太陽能電池的短路電流、開路電壓和填充因子都達到最大值時，其轉換效率可達最高。但實際上幾個參數(shù)相互制約，同時還受材料質量的影響。從提高短路電流上考慮，主要包括光吸收和光譜響應兩方面。在硅電池表層中，少數(shù)載流子的壽命極低，表層吸收短波光子所產(chǎn)生的光生載流子對電池的光電流輸出貢獻甚微，即“死層”。為了改善電池的短波光譜響應，可將發(fā)射結結深做淺以減少“死層”的影響。在電池表面加上有紋理的減反射膜，也可在較寬波長范圍內增大光能的吸收量，也進一步提高了短路電流。近年來，背面點接觸結構的電池及配套工藝在國外廣泛研究。這些新工藝、新技術已在高效電池中得到應用，并取得了較好的效果。

圖3　太陽能電池的光譜響應曲線

4　結論

通過對激光無線供能傳輸效率的研究與分析，激光無線供能技術具有一定的可行性，目前傳輸過程能量損耗較大，傳輸效率較低但通過系統(tǒng)優(yōu)化整個系統(tǒng)的傳輸效率還有很大的提升空間。目前，高效率的半導體激光器、GaAs電池等都會對激光無線供能傳輸效率有所提高，將來隨著光電、電光轉換技術的不斷發(fā)展以及更加新型高效的激光器和光電池的出現(xiàn)，都會使供能系統(tǒng)能量傳輸效率將從根本上得到提高。

參考文獻

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.016

收稿日期：（2015-12-21）