推薦單位：北京科學(xué)技術(shù)期刊學(xué)會

成果來源：中國科學(xué)院力學(xué)研究所

科研代表：吳臣武

轉(zhuǎn)化作者：張穎

在生活中，充電和吃飯、睡覺一樣，幾乎成了一項必須的基本活動。目前，移動設(shè)備的充電方式主要以有線充電和電磁感應(yīng)無線充電為主，這些充電方式受到距離的限制。電磁感應(yīng)技術(shù)已經(jīng)較好地實現(xiàn)了厘米級和分米級的無線充電，但在實現(xiàn)十米級、百米級無線充電方面還存在難以克服的困難。近年來，隨著激光技術(shù)和光電池制造技術(shù)的發(fā)展，使用激光充電技術(shù)進行無線充電成為可能，并且其能實現(xiàn)更遠程的無線充電。

針對當前移動設(shè)備充電領(lǐng)域使用距離范圍小、激光充電系統(tǒng)穩(wěn)定性和能力轉(zhuǎn)換效率低等問題，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究團隊建立了從激光輸入到電能輸出的耦合模型，發(fā)展了光能吸收分布求解的數(shù)學(xué)格式，闡明了光能向電能、熱能、應(yīng)變能轉(zhuǎn)化的耦合機制。

什么是激光充電

百度百科顯示，激光充電技術(shù)是利用光纖進行遠距離能量傳輸?shù)囊环N技術(shù)，由洛克希德·馬丁公司與美國激光動力公司共同研發(fā)。其研發(fā)的激光充電系統(tǒng)采用比銅線更輕的光纖進行能量傳輸，可為無人機不間斷地安全提供能量。從本質(zhì)上看，激光充電實際上是利用激光束和電池，通過光能向電能的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)遠距離、無線充電，其通?？蓱?yīng)用于無人機續(xù)航和便攜式電器充電等。激光遠程充電系統(tǒng)主要由激光發(fā)射端和激光接收端兩部分組成。

激光充電的大致過程如下：首先，以激光發(fā)射器作為發(fā)射端，把電能轉(zhuǎn)化成激光的光能;然后，光能沿著無線的光路傳播，直到它照射到接收端光電池上;最后，作為接收端的光電池接收到光能后，把光能轉(zhuǎn)化成電能。這樣就完成了給蓄電池或負載充電。激光充電在無人機中使用得比較廣泛，無人機的續(xù)航時間影響其任務(wù)的執(zhí)行時間，無人機動力系統(tǒng)技術(shù)是提高續(xù)航能力的關(guān)鍵。激光在給飛行中的無人機電池充電方面具有理論可能性，這可以使其飛行時間無限長，無需著陸重新充電。

激光充電的優(yōu)勢

與電磁感應(yīng)無線充電技術(shù)相比，激光充電技術(shù)具有以下3個特點。第一，由于激光的準直性較好，可以實現(xiàn)較遠距離的充電;第二，由于激光的功率密度較高，加之光電池高達50%的光電轉(zhuǎn)換效率，一束激光可以產(chǎn)生較大的功率;第三，激光擁有較低的空間傳輸損耗，光功率集中，遠距離傳輸?shù)墓β蕮p失較少。

據(jù)中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究人員介紹，激光充電技術(shù)的優(yōu)勢在于高效、遠程、無干擾。從數(shù)據(jù)上看，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究團隊可以在1平方厘米的面積上穩(wěn)定獲取電功率。直觀地講，如果該激光充電技術(shù)能夠成功應(yīng)用到新能源汽車上，和有線充電相比，其可以壓縮40%左右的充電時間。此外，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究團隊的初步研究結(jié)果顯示，該激光充電技術(shù)還可以較大程度地延長蓄電池的壽命。

激光充電效率陷阱

研究發(fā)現(xiàn)，激光充電的過程中總是會存在效率陷阱現(xiàn)象。簡單來講，即當工作參數(shù)趨近于某個臨界點時，即使增加投入，產(chǎn)出也不會增加，可能反而會下降，甚至還可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。激光充電技術(shù)的關(guān)鍵在于高亮度激光輻照環(huán)境的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，因為激光輻照光電池的光電轉(zhuǎn)換過程總是伴隨著熱耗散，熱耗散引起的材料升溫又會通過若干機制（改變材料帶隙、縮短載流子壽命等）降低光電效率，使更多光能耗散成熱能的情況進一步加劇，其甚至?xí)?dǎo)致光電池暫時或永久失效。

為了避免落入效率陷阱，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究團隊做了很多基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)了臨界轉(zhuǎn)變規(guī)律，并進行優(yōu)化設(shè)計。同時，其還建立了一系列系統(tǒng)參數(shù)匹配準則。在此基礎(chǔ)上，其研制實現(xiàn)了實驗樣基，并進行了測試。測試結(jié)果顯示，在所希望的參數(shù)水平上，系統(tǒng)的效率衰減始終小于30%。

激光充電的安全性

在激光充電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用之前，其安全性是人們關(guān)注的重點。據(jù)研究人員介紹，激光充電對人體并沒有傷害，其進行激光充電相關(guān)研究時特別關(guān)注安全性問題，安全性是強制性的標準。激光充電技術(shù)的基本原則，即一定要用低功率的探測光先探測整個光路，待收到探測光的反饋信號，確保其安全性后，再發(fā)射和傳播能量光光束。

激光充電技術(shù)可能會創(chuàng)造一個更大的市場需求

激光充電技術(shù)如果真正落地應(yīng)用、實現(xiàn)產(chǎn)品化，還需大量的資金投入。例如，實現(xiàn)一個10米級的激光充電系統(tǒng)，需要在激光發(fā)生系統(tǒng)、光束整形系統(tǒng)、指示探測系統(tǒng)和接收轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行研發(fā)投入，大約需要研發(fā)費用共500萬元。此外，將其制成全套產(chǎn)品的產(chǎn)品造價約為每套900元。無線充電的市場有多大呢？根據(jù)M&M2020年發(fā)布的市場調(diào)研報告，無線充電的市場規(guī)模將超過8000億美元，其中遠程無線充電的市場規(guī)模將占到一半以上。

未來，激光充電技術(shù)可能會切割無線充電的市場份額，但其更加可能會創(chuàng)造一個更大的市場需求。