趙長(zhǎng)明，王云石，郭陸燈，張海洋，張子龍，張立偉，鄭 征，李 建

(1.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán) 電子科學(xué)研究院,北京 100041；3.中國(guó)電子科技集團(tuán) 海洋信息研究院, 陵水 572427)

引 言

無(wú)論微波還是激光，都是攜帶能量的電磁波，不僅可以用來(lái)傳遞信息，也可以用來(lái)傳遞能量。以激光或微波傳遞能量，大大拓展了能量傳輸?shù)母拍?，豐富了能量傳輸?shù)姆绞?，為一些特殊?chǎng)合的供能提供了一條新的途徑。

無(wú)線能量傳輸(wireless power transmission,WPT)即以微波或激光的方式，將能量(一般是電能)從空間某一點(diǎn)(電源)傳遞到另一點(diǎn)(負(fù)載)。以微波作為傳能載波稱(chēng)為微波無(wú)線能量傳輸(microwava wireless power transmission,MWPT)，以激光作為傳能載波稱(chēng)為激光無(wú)線能量傳輸(laser wireless power transmission,LWPT)。由于激光具有波長(zhǎng)短、單色性好、方向性好、高單色亮度的特點(diǎn)，一般而言，LWPT相比于MWPT具有設(shè)備體積較小、傳輸距離較遠(yuǎn)、無(wú)電磁干擾的特點(diǎn)。

本文中主要針對(duì)LWPT的基本系統(tǒng)組成、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展、現(xiàn)階段面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)以及未來(lái)研究的課題方向進(jìn)行整理闡述，并對(duì)LWPT涉及到的技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)。

1 激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)基本組成

LWPT系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)等。激光發(fā)射系統(tǒng)由電源、激光驅(qū)動(dòng)器、激光器、激光發(fā)射系統(tǒng)、跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等構(gòu)成；激光接收機(jī)由激光電池、散熱系統(tǒng)等構(gòu)成；能源管理系統(tǒng)包括最大功率點(diǎn)跟蹤器、儲(chǔ)能電池和能量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

LWPT系統(tǒng)的基本工作原理為：電源為激光器供電，激光器將電能轉(zhuǎn)換成激光并由光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直并發(fā)射，通過(guò)瞄準(zhǔn)與追蹤系統(tǒng)獲取目標(biāo)位置并進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，控制發(fā)射機(jī)將激光束照射到激光電池上，激光電池將激光光能轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)過(guò)電源管理系統(tǒng)獲得電能輸入，驅(qū)動(dòng)目標(biāo)動(dòng)力裝置及電子設(shè)備或?qū)δ繕?biāo)上的儲(chǔ)能裝置充電。

2 激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)國(guó)外研究進(jìn)展

LWPT始于1968年美國(guó)GLASER博士提出的空間太陽(yáng)能電站構(gòu)想。設(shè)想在地球同步軌道(geosynchronous orbit,GEO)上搭建空間太陽(yáng)能電站，從而在太空收集穩(wěn)定的、高強(qiáng)度的太陽(yáng)輻射，再將其轉(zhuǎn)換為激光或者微波的形式進(jìn)行傳輸，在地面上建立的能量接收系統(tǒng)，將接收到的激光或者微波形式的能量轉(zhuǎn)換為電能后進(jìn)行儲(chǔ)存及后續(xù)利用。

2004年,歐洲空間局(European Space Agency,ESA)對(duì)不同的太陽(yáng)能衛(wèi)星方案進(jìn)行了評(píng)估，計(jì)劃進(jìn)行LWPT實(shí)驗(yàn)，使用4個(gè)10kW Nd∶YAG激光器，光斑直徑1m，傳輸距離60000km，到達(dá)目標(biāo)光斑直徑39m，能量密度34W/m2。接收端采用100m2的光電池陣列，整體效率7.1%[1]。圖1所示是激光太陽(yáng)能衛(wèi)星的概念圖。

圖1 激光太陽(yáng)能衛(wèi)星概念圖

2004年,歐洲光可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃對(duì)GEO太陽(yáng)能衛(wèi)星概念進(jìn)行研究，見(jiàn)圖2。攜帶110.7km2太陽(yáng)電池陣列及太陽(yáng)光匯聚器件的太陽(yáng)能衛(wèi)星，收集275GW太陽(yáng)光能量，經(jīng)電池陣列轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生53GW電能，抽運(yùn)激光器產(chǎn)生激光。入射到面積為68.9km2的地面激光電池接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換，最可得到7.9GW的電功率[2]。

2004年，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)提出在GEO軌道上放置太陽(yáng)光匯聚裝置，聚焦太陽(yáng)光直接抽運(yùn)Nd∶YAG激光器產(chǎn)生1GW激光輸出。傳輸?shù)胶Ｉ显O(shè)置的激光電池接收裝置，實(shí)現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換。利用轉(zhuǎn)換來(lái)的電能分解海水制造氫氣。預(yù)計(jì)激光-電的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)70%[3]。

圖2 空間激光產(chǎn)生系統(tǒng)

2009年,美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)開(kāi)展空對(duì)地LWPT研究。設(shè)想在近地軌道上，利用直徑70m超薄高反射率匯聚鏡匯聚太陽(yáng)光能產(chǎn)生激光。同時(shí)利用直徑5m的可折疊充氣激光衍射鏡，將激光匯聚到激光電池上。該系統(tǒng)每90min繞地球一圈。若在地面搭建10個(gè)激光接收站，每個(gè)接收站可持續(xù)接收9min兆瓦級(jí)激光能量，實(shí)現(xiàn)單空間太陽(yáng)能電站為多地面站供電的可能[4]。

1997年,日本YUGAMI等人[5]進(jìn)行了LWPT場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖3。發(fā)射端選用CO2激光器，功率25W，通過(guò)口徑150mm離軸拋物面鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，傳輸距離500m，接收端使用150mm的離軸拋物面鏡進(jìn)行匯聚，接收激光功率15W，激光-激光的傳輸效率60%；同時(shí)測(cè)試了808nm的激光二極管照射尺寸為2cm×2cm的單結(jié)GaAs電池，激光-電效率為40%。

2006年日本Kinki大學(xué)利用波長(zhǎng)808nm、功率200W光纖耦合LD為帶有光伏電池的風(fēng)箏和旋翼無(wú)人機(jī)供能，見(jiàn)圖4。激光器電-光效率為34.2%，光伏組件由30片4cm×7cm的GaAs芯片組成，激光-電效率為21%，總的電-光轉(zhuǎn)換效率為7.2%[6]。

圖3 日本激光無(wú)線能量傳輸?shù)牡孛鎸?shí)驗(yàn)

圖4 日本Kinki大學(xué)激光無(wú)線供能風(fēng)箏和旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)

圖5為日本JAXA 設(shè)計(jì)的基于LWPT的太陽(yáng)能衛(wèi)星[7]。空間中聚光鏡將太陽(yáng)光匯聚到激光器上，激光器把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為激光發(fā)射到地球，海面上建立激光接收站，利用激光照射海水制氫，收集后供使用。太陽(yáng)能衛(wèi)星使用Nd∶YAG激光器波長(zhǎng)為1.06μm。每個(gè)單元使用兩面100m×100m的聚光鏡，產(chǎn)生10MW的功率，100個(gè)單元組成一個(gè)1GW級(jí)太陽(yáng)能衛(wèi)星。

圖5 日本JAXA設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能衛(wèi)星概念圖

俄羅斯研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一套小衛(wèi)星與國(guó)際空間站進(jìn)行LWPT的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，傳輸距離大于1000m，傳輸功率大于1000W，系統(tǒng)兼具激光通信和測(cè)量功能[8]，如圖6所示。

圖6 激光能量傳輸、通信、測(cè)量一體機(jī)

隨著空間技術(shù)的進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)于月球的探索正在逐步推進(jìn)。圖7是日本Kinki大學(xué)TAKEDA等人設(shè)計(jì)的月球LWPT冰探測(cè)機(jī)器人演示圖。設(shè)計(jì)中利用兩個(gè)

圖7 月球冰探測(cè)機(jī)器人激光供能設(shè)計(jì)圖

機(jī)器人，一個(gè)在月球坑外面，利用太陽(yáng)光獲取能量，轉(zhuǎn)換成激光后照射到探測(cè)機(jī)器人上安裝的光電池板，接收激光能量轉(zhuǎn)化為電能。在月球環(huán)境下，傳輸距離至少5km，接收板尺寸小于1m[6]。

2005年,PARISE等人對(duì)月球探測(cè)機(jī)器人進(jìn)行了LWPT實(shí)驗(yàn)[9]，如圖8所示。發(fā)射系統(tǒng)采用200W的LD，通過(guò)光纖孔徑為400μm、數(shù)值孔徑為0.22的光纖輸出，激光接收采用直徑70cm的電池板。成功地進(jìn)行了地面演示。

圖8 激光供能月球探測(cè)機(jī)器人原型系統(tǒng)a—激光發(fā)射系統(tǒng) b—月球探測(cè)機(jī)器人

圖9是美國(guó)人設(shè)計(jì)的無(wú)線充電電動(dòng)汽車(chē)示意圖。路邊每隔特定距離豎立一個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)電量不足時(shí)，向無(wú)線充電網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)該信號(hào)確定電動(dòng)汽車(chē)位置和移動(dòng)情況，激活距離最近無(wú)線充電單元追蹤電動(dòng)汽車(chē)，通過(guò)微波或激光方式向汽車(chē)充電[9]。

圖9 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電示意圖

2007年,美國(guó)加州大學(xué)圣馬科斯分校研究人員使用能量球作為接收裝置進(jìn)行了LWPT實(shí)驗(yàn)[10]，如圖10所示。光伏電池位于能量球內(nèi)壁，入射到能量球內(nèi)的激光在球內(nèi)多次反射而不會(huì)溢出，提高了光-電效率。實(shí)驗(yàn)中選用Nd∶YAG激光器，功率為160W，傳輸距離為3m，從能量球輸出功率為18.96W[11]。

圖10 光伏眼及其工作原理

美國(guó)宇航局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)也開(kāi)展了LWPT研究。2003年9月進(jìn)行了模型飛機(jī)激光供能飛行實(shí)驗(yàn)，如圖11所示。實(shí)驗(yàn)中使用1kW紅外激光器，航模馬達(dá)功率為6W，只要接收到激光照射就可持續(xù)飛行。首次實(shí)現(xiàn)了僅靠激光供能的模型飛機(jī)飛行演示[12]。

圖11 激光供能航模飛機(jī)

NASA自2005年起開(kāi)始舉辦LWPT太空電梯競(jìng)賽。每個(gè)參賽隊(duì)制作一個(gè)機(jī)械裝置(電梯)，沿著垂直的繩子往上運(yùn)動(dòng)，能源部分位于地面，通過(guò)LWPT供給電梯。使用的激光器單個(gè)10mm bar條功率大于100W，效率大于60%，總功率2.5kW～10kW，波長(zhǎng)800nm～980nm，發(fā)散角壓縮至1mrad[13]。2009年,Laser Motive代表隊(duì)實(shí)現(xiàn)了太空電梯爬升高度1km的目標(biāo)，平均速度為3.9m/s，圖12是比賽中的“電梯”。

圖12 NASA太空電梯比賽

2002年,SLEINSIEK等人進(jìn)行了地面LWPT實(shí)驗(yàn)[14]。用Nd∶YAG全固態(tài)激光器，倍頻輸出532nm綠光驅(qū)動(dòng)裝有光伏電池的小車(chē)，擴(kuò)束后光束直徑30mm～50mm，輸出功率為5W;光電池中心裝有角反射鏡，實(shí)現(xiàn)追蹤功能,光電池效率25%，見(jiàn)圖13。

圖13 德國(guó)地面激光無(wú)線能量傳輸驅(qū)動(dòng)小車(chē)實(shí)驗(yàn)

2009年,美國(guó)激光動(dòng)力公司完成激光輸能PELICAN四旋翼直升機(jī)飛行試驗(yàn)，創(chuàng)造了懸停飛行12.5h的記錄[15]，見(jiàn)圖14。2012年，該公司與洛·馬公司合作，在美軍特種作戰(zhàn)部隊(duì)裝備的小型無(wú)人機(jī)Stalker加裝激光輸能系統(tǒng)，完成了室內(nèi)和野外激光輸能飛行試驗(yàn)，取得了里程碑成果[16]，見(jiàn)圖15。

圖14 激光輸能PELICAN四旋翼無(wú)人機(jī)飛行試驗(yàn)

激光驅(qū)動(dòng)公司已經(jīng)完成了一套完整的便攜式LWPT系統(tǒng)， 可將幾百瓦功率傳送到1km外的移動(dòng)飛行器中。而當(dāng)距離更近時(shí)，傳輸功率可超過(guò)1000W。2009年11月,在美國(guó)愛(ài)德華空軍基地該系統(tǒng)已經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，達(dá)到5級(jí)技術(shù)成熟度(technology readiness level5,TRL5)，在封裝和集成上只需稍作改進(jìn)，便可達(dá)到TRL6，進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用[17-18]。

圖15 “闊步者”無(wú)人機(jī)激光無(wú)線供能實(shí)驗(yàn)

2013年,美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了40m LWPT無(wú)人機(jī)飛行試驗(yàn)，如圖16所示。采用2kW的單模光纖激光器(1.07μm)，激光電池采用Spectrolab Inc.研發(fā)的InGaAs激光電池陣列。單個(gè)芯片效率40%～50%，電池陣列可提供160W～190W電力。使用了光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，將激光束自動(dòng)定位在激光電池陣列中心[19]。

圖16 美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室無(wú)人機(jī)LWPT實(shí)驗(yàn)

2.2 激光無(wú)線能量傳輸國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)開(kāi)展LWPT研究的主要單位包括北京理工大學(xué)、山東航天電子技術(shù)研究所、南京航空航天大學(xué)、解放軍裝備指揮學(xué)院、軍械學(xué)院等。

2013年,北京理工大學(xué)HE等人設(shè)計(jì)了LWPT地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),見(jiàn)圖17。理論分析了激光波長(zhǎng)、光電轉(zhuǎn)換材料等關(guān)鍵參量對(duì)傳輸效率的影響，分別用793nm和808nm光纖耦合LD，進(jìn)行了10m LWPT實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，以793nm激光為光源、GaAs電池的LWPT系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，光-電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)48%，系統(tǒng)總的直流到直流(direct current to direct current,DC-DC)傳輸效率18%[20]。同年HE等人又演示了高功率激光傳輸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了效率達(dá)42.3%的多片GaAs陣列,見(jiàn)圖18。激光輸入功率24W時(shí),可實(shí)現(xiàn)10W的電功率輸出，測(cè)量了陣列效率對(duì)波長(zhǎng)、激光功率和溫度的關(guān)系[21]。

圖17 10m激光能量傳輸系統(tǒng)原理圖

圖18 激光無(wú)線能量傳輸電池陣列

2014年,HE等人采用793nm、功率24W的半導(dǎo)體激光器和GaAs電池，進(jìn)行了距離100m的LWPT實(shí)驗(yàn),見(jiàn)圖19。自行設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的LWPT效率測(cè)試軟件。激光發(fā)射功率為24W(功率密度為6kW/m2)時(shí)，光-電效率為40.4%，輸出電壓為4V，整體電-電效率為11.6%[22]。

圖19 百米激光無(wú)線能量傳輸實(shí)驗(yàn)

2015年,北京理工大學(xué)ZHANG等人建立激光電池的單指數(shù)等效模型，推導(dǎo)出激光電池的伏安特性函數(shù)、產(chǎn)生電流、復(fù)合電流及擴(kuò)散電流的表達(dá)公式，將激光電池的P-N結(jié)參量與輸出參量聯(lián)系起來(lái)。對(duì)圓對(duì)稱(chēng)激光電池進(jìn)行建模仿真，計(jì)算出圓對(duì)稱(chēng)GaAs激光電池在基模激光照射下光-電轉(zhuǎn)換效率的理論極限[23]。實(shí)驗(yàn)中研究了入射激光波長(zhǎng)、激光功率、激光光斑大小及激光電池工作溫度對(duì)電池光-電轉(zhuǎn)換效率及輸出參量的影響。實(shí)驗(yàn)表明，GaAs激光電池在2.48W的793nm激光照射下，獲得了高達(dá)50.33%的光-電轉(zhuǎn)換效率[24]。

2013年,山東航天電子技術(shù)研究所的LI和SHI等人綜述了LWPT技術(shù)的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展及應(yīng)用，分析了其優(yōu)勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)[25];根據(jù)分布式集群飛行器系統(tǒng)能量分配需求，建立了系統(tǒng)框架模型，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)各組成模塊，進(jìn)行了仿真，獲得了理想的光-電轉(zhuǎn)換效率[26-27]。2014年10月,山東航天電子技術(shù)研究所進(jìn)行了兩飛艇之間的LWPT動(dòng)態(tài)試驗(yàn),見(jiàn)圖20。兩飛艇距離為50m～100m，速率為5m/s;輸入電壓為22V，輸入電流為4A，輸入功率為88W;最大接收功率為13.43W，最大傳輸效率為16.08%[28]。2015年,山東航天電子研究所LI等人總結(jié)了LWPT技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，分析了LWPT技術(shù)在航天方面的應(yīng)用需求、系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)，展望了發(fā)展趨勢(shì)[29]。同年，ZHANG等人分析LWPT中影響接收裝置效率的因素，結(jié)合光電池最優(yōu)布局和最大功率跟蹤技術(shù)，提出一種轉(zhuǎn)換效率高達(dá)29．6%、且不受負(fù)載阻抗影響的LWPT接收裝置[30]，見(jiàn)圖21。

圖20 飛艇之間動(dòng)態(tài)LWPT實(shí)驗(yàn)

圖21 光電池板實(shí)物圖

2015年,SHI設(shè)計(jì)了一種基于激光相控陣技術(shù)的多光束激光發(fā)射天線及LWPT系統(tǒng)，對(duì)LWPT在軌應(yīng)用具有參考價(jià)值[31]。LI提出了一種可用于空間太陽(yáng)能電站的LWPT系統(tǒng)[32]。WU研究了多光束傳輸?shù)腖WPT系統(tǒng)協(xié)同捕獲、瞄準(zhǔn)與跟蹤方法，分析了單終端多光束系統(tǒng)和多終端多光束系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法及構(gòu)成，針對(duì)單光束、7光束和9光束發(fā)射系統(tǒng)的目標(biāo)重構(gòu)光斑進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，精確的多光束協(xié)同ATP系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)光束重構(gòu)，能量密度和分布得到改善[33]。

2012年，南京航空航天大學(xué)YANG等人提出激光照射下理想電池轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算方法，推導(dǎo)出解析表達(dá)式，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了激光波長(zhǎng)、激光強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響。結(jié)果表明，單晶硅電池對(duì)單色激光的光-電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)太陽(yáng)光明顯提高，最高可達(dá)27.7%[34]。2014年,QIAO優(yōu)化設(shè)計(jì)了LWPT系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中研究單結(jié)GaAs光電池當(dāng)808nm激光以0.23W/cm2的功率密度照射時(shí)，轉(zhuǎn)換效率為61.2%，光功率密度增強(qiáng)到1.15W/cm2時(shí)，效率保持在40%以上。使用30mm×40mm光電池產(chǎn)生了1W以上輸出功率[35]。2015年,ZHOU等人研究了LD在連續(xù)和脈沖模式兩種驅(qū)動(dòng)模式下，注入電流對(duì)LD電光轉(zhuǎn)換效率的影響[36-37]。2016年,ZHOU等人研究了高斯光束對(duì)激光電池陣列轉(zhuǎn)換效率的影響，提出使用不同的光伏(photovoltaic，PV)配置減少高斯激光束引起損耗的方法[38]。JIANG等人研究了中小型偵察無(wú)人機(jī)LWPT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率和信息同時(shí)傳輸技術(shù)[39]，搭建原理樣機(jī)驗(yàn)證了可行性[40]。

2014年,解放軍裝備指揮學(xué)院YANG等人研究了模塊化航天器的天基激光輸能技術(shù)[41]。針對(duì)同軌道平面兩星之間激光能量傳輸時(shí)的姿態(tài)指向控制問(wèn)題，基于反射法提出一種自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)方法[42]。2015年,CUI等人研究了一定激光功率密度下GaAs和Si電池在不同溫度下的伏安特性，以及短路電流、開(kāi)路電壓、匹配負(fù)載、最大輸出功率、填充因子、轉(zhuǎn)換效率隨電池溫度的變化規(guī)律，并給出定量表達(dá)式[43]。2016年,CUI等人實(shí)驗(yàn)研究了高斯光束對(duì)光電池輸出的影響，證明輻射形狀排列可以獲得更高輸出[44]。分析了激光輻照條件下最佳激光波長(zhǎng)與光電材料禁帶寬度的關(guān)系，得到了光電池各類(lèi)輸出性能參量的計(jì)算方法[45]。

2015年,石家莊軍械學(xué)院LIU等人采用940nm激光輻照單晶Si光電池，研究了光電池輸出特性隨激光強(qiáng)度和電池溫度的變化規(guī)律[46]。建立了光伏電池的動(dòng)態(tài)熱模型，分析了光伏電池溫度與激光功率、風(fēng)速、環(huán)境溫度的關(guān)系[47]。2016年,HUA等人采用單結(jié)GaAs光電池和808nmLD，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了光電池性能參量與激光功率和電池溫度的關(guān)系[48]。

此外，國(guó)防科技大學(xué)、四川大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所等單位也對(duì)LWPT技術(shù)進(jìn)行了一些理論和實(shí)驗(yàn)研究。

3 LWPT面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

LWPT技術(shù)涉及激光技術(shù)、大氣效應(yīng)、光伏技術(shù)、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(automatic target recognition，ATR)技術(shù)以及電源管理系統(tǒng)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，是一項(xiàng)涉及范圍廣、技術(shù)帶動(dòng)性強(qiáng)的新興技術(shù)。

LWPT技術(shù)的核心是效率，主要影響因素是激光器的效率和光束質(zhì)量、傳輸效率和光-電池的效率。激光器的效率和光束質(zhì)量是激光工作者持之以恒的追求，800nm～950nm LD是目前電-光效率最高(60%)的激光器，但光束質(zhì)量較低，適用于近程LWPT，遠(yuǎn)程LWPT可能考慮光纖激光器。大氣傳輸效率在近紅外波段，無(wú)論是800nm～950nm LD，還是Nd∶YAG激光器，透過(guò)率在一般距離均較高，空間LWPT則不需考慮這個(gè)問(wèn)題。目前成熟的光電池基于Si和GaAs兩種材料，GaAs光電轉(zhuǎn)換效率明顯高于Si電池，雖然價(jià)格昂貴，但與整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)相比尚可接受。

4 LWPT需進(jìn)一步研究的課題

4.1 LWPT系統(tǒng)建模與仿真

整體效率是衡量LWPT系統(tǒng)性能的最重要參量，因此建立LWPT系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)整體效率進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，分析、評(píng)價(jià)和模擬仿真系統(tǒng)效率，指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，至關(guān)重要。

4.2 高功率激光非相干組束拓?fù)渑c遠(yuǎn)場(chǎng)勻化技術(shù)

在遠(yuǎn)距離LWPT系統(tǒng)中，需要研究高功率激光非相干組束拓?fù)浼夹g(shù)，采用非相干疊加的方法對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布進(jìn)行勻化。

4.3 LWPT系統(tǒng)中大氣干擾效應(yīng)與對(duì)策研究

對(duì)高空目標(biāo)進(jìn)行供能時(shí)，一般情況下激光處于斜程傳輸狀態(tài)，大氣折射率沿傳輸路徑非均勻變化，有必要對(duì)激光傳能中斜程大氣的干擾特性進(jìn)行充分研究。

4.4 LWPT系統(tǒng)加速充電技術(shù)

處于動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程LWPT系統(tǒng)，激光束需要持續(xù)性照射到電池表面才能提供系統(tǒng)足夠的能量。可以采用快速充電的策略，提高系統(tǒng)的充電速度。

4.5 LWPT系統(tǒng)動(dòng)態(tài)閉環(huán)充電調(diào)控技術(shù)研究

針對(duì)不同負(fù)載情況，對(duì)系統(tǒng)中的瞬時(shí)功率進(jìn)行閉環(huán)控制，使得激光器與光伏陣列都處于最佳工作點(diǎn)，從而保證系統(tǒng)效率最大化。

4.6 激光電池的熱特性分析與管理

有必要對(duì)電池溫度與輸出效率進(jìn)行理論研究和仿真優(yōu)化。在大規(guī)模激光陣列的應(yīng)用中，電池的熱特性分析和管理是核心問(wèn)題之一。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，LWPT技術(shù)提供了一種通過(guò)空間傳輸能量的新途徑，在空間和地面都存在多種潛在的應(yīng)用，其中一些已經(jīng)具備技術(shù)上的可行性，找到適合LWPT技術(shù)應(yīng)用的場(chǎng)景是促進(jìn)其應(yīng)用的關(guān)鍵。

LWPT技術(shù)涉及激光技術(shù)、光伏技術(shù)、ATR技術(shù)以及電源管理系統(tǒng)等多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及范圍較廣、技術(shù)帶動(dòng)性強(qiáng)。