CN103532253B - 激光无线输能*** - Google Patents
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Abstract
一种激光无线输能***，包括：一激光器；一匀光器，其位于激光器的输出光路上；一准直器，其位于匀光器的输出光路上；一激光能量接收器，其位于准直器的输出光路上；一监控器，其输入端与激光能量接收器的输出端连接。本发明可实现能量的远程无线传输，同时具有结构简单，成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及能源领域，尤其涉及一种激光无线输能***。
背景技术
电力输运有多种形式，最常见的是有线输运，即采用金属线将电能从甲地输运至乙地；也可以采用蓄电池携带，在甲地充电在乙地放电；还可以用无线输能的方式进行。无线输能有两种形式，其一微波输能，其二是激光输能，两种形式都是将电能转化为波能，波在空中传递，到达目的地后进行接收，再将波能转化为电能的过程。相对而言，激光***的能量传输密度大，为微波***的100倍；其次方向性好，强度不受限，但不能在大气层内雾大云多的天气下工作。与其相反，微波传能***可以在大气层内坏天气下供应能源，但微波发散性强，从而使得***接收天线尺寸过大，而且受大气电离层干扰其强度受限。由此可见，只要避开阴雨天气，或在云层上方，激光输能就是最佳选择。
激光输能往往用于特殊场合，如无法架线、无法运输且又需长期供电的两地之间。因此，它的市场较小，但很重要。
参考文献：
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[2]熊绍珍、朱美芳，《太阳能电池基础与应用》，第五章：硅基薄膜太阳电池，科学出版社，第一版，2009年10月。
首先是光斑中光强的均匀性问题。通常最好的激光都是单模，光强呈现高斯分布，即光强随半径而减弱。由于光强的差别，接收器的接收效率会大受影响，如果电池是串联，则以光强最弱一片为基准，整个接收器的电流为最小值。而如果电池是并联，虽然电流可以叠加，但整个接收器的电压仅为0.5V，电流很大，升压困难。
其次是激光光束的准直性问题。随着激光的传输的距离增加，常规激光有着5毫弧度的发散角，在传输了一段距离之后光斑会变的很大，而光强减弱。例如，在激光传输1000米后，激光光斑会变成半径为5米的大圆斑。因此，激光发散角应控制在0.5毫弧以内。
第三是高倍光强下的光电转换问题。目前光伏电池是以1个太阳光强(0.1W／cm2)为标准而设计的浅结(<0.5μm)和宽栅(>1mm)结构。但当激光光强上升到100倍(10W／cm2)或1000倍的太阳光强时(100W／cm2)，光生载流子成百倍和千倍的增加，聚集在电池表层，其复合也大幅度增加，因此，其效率会下降。通常太阳电池在3倍聚光下效率开始下降。因此，要想克服这一困难，必须重新设计电池结构。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种激光无线输能***，其可实现能量的远程无线传输，同时具有结构简单，成本低的优点。
本发明提供一种激光无线输能***，包括：
一激光器；
一匀光器，其位于激光器的输出光路上；
一准直器，其位于匀光器的输出光路上；
一激光能量接收器，其位于准直器的输出光路上；
一监控器，其输入端与激光能量接收器的输出端连接。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果。
1、利用本发明，可以使用多模激光进行激光输能，也可以使用多模激光进行激光输能，大大降低了输能的成本。
2、利用本发明，可以使激光光斑的强度均匀化，从而提高激光输能的效率。
3、利用本发明，可以将激光输运到更远的距离，而激光光斑变化不大。
4、利用本发明，可以使电池经受住高能量激光的辐照，且使激光能量接收器的光电转换效率不降低。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中匀光器的结构示意图；
图3是图1中准直器的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1-图3所示，本发明提供一种激光无线输能***，包括：
一激光器11，所述激光器11的波长在可见及红外波段，即从0.5微米至12微米；
一匀光器12，其位于激光器11的输出光路上；
一准直器13，其位于匀光器12的输出光路上，所述准直器13为单波长多透镜组合，其控制光束发散角，控制激光在远处目的地的光斑大小，所述准直器13包括，一第一透镜131，一第二透镜132，该第一透镜131和第二透镜132位于同一光路上，该第二透镜132位于一步进电机滑轨133上，以调节与第一透镜131的距离；
一激光能量接收器14，其位于准直器13的输出光路上，所述激光能量接收器14为半导体光伏电池及其散热和封装的集成，该激光能量接收器14的材料为硅、铟镓砷、锑化镓、锡化铅或碲化锗，其带隙在1.1至0.1eV之间，对应的波长在1.1-10微米之间，所述激光能量接收器14为承受预定功率密度的pn结光伏电池，光伏电池的栅电极为密集分布，达到栅极间隔在1mm以下，以更多俘获光生载流子；光伏电池的结深大于0.5微米，以减小电池的串联电阻，所述激光能量接收器14为背结电池，其pn结在电池的背面，而迎光面无遮挡，使受光面积最大化，所述激光能量接收器14为垂直结电池，其pn结垂直于迎光面，且迎光面无遮挡，使受光面积最大化，所述激光能量接收器14为多个光伏电池的串并连接，以应对接收器升压和激光能量密度的不均匀性；
一监控器15，其输入端与激光能量接收器14的输出端连接。
采用激光器、匀光器、准直器、激光能量接收器和监控器组成激光无线输能***。利用本发明，可以将能量以无线的方式从甲地传输至乙地，从而形成无线输能。
采用近红外波段，即从0.5微米至12微米，在该波段，激光能量在空间损失较小；而比12微米波长更长的激光器则没有。
采用匀光器，改变激光光强随半径的变化分布，使到达激光能量接收器时光强均匀，从而提高接收器的接收效率。
采用单波长透镜组合，控制光束发散角，控制激光在远处目的地的光斑大小。
采用与激光波长对应的光伏电池，电池的带隙宽度略小于波长对应的光子能量，使接收效率最大化。
采用硅、铟镓砷、锑化镓、锡化铅、碲化锗为所述激光能量接收器的材料，其带隙在1.1至0.1eV之间，对应的波长在1.1-10微米之间。
采用可承受一定功率密度的pn结光伏电池，光伏电池的栅电极为密集分布，达到栅极间隔在1mm以下，以更多俘获光生载流子；光伏电池的结深大于0.5微米，以减小电池的串联电阻。
采用背结电池为激光能量接收器，其pn结在电池的背面，而迎光面无遮挡，使受光面积最大化。
采用垂直结电池为激光能量接收器，其pn结垂直于迎光面，且迎光面无遮挡，使受光面积最大化。
采用多个光伏电池的串联和并联，以构成激光能量接收器。光伏电池的串联是为了增加输出电压，而并联则可以抵御激光能量密度不均匀所导致的接收效率降低，两者为有机结合。
四、原理说明
1、光斑中光强的均匀性
利用激光输出的光学衍射特性，利用锥型壁对光线的全反射特性，经光线追踪模拟，可以得出形成匀光的最佳多结锥型结构，使单模或多模的激光光强经匀光器后呈均匀分布，而非高斯分布。
2、激光光束的准直性
选取两个透镜，进行准直组合。针对激光波长，对其蒸镀光学增透膜，使单个透镜的透过率大于95％，透镜组合的透过率大于90％。通过对两个几何透镜相对位置的微调，使其准直性大为提高，可以低于0.5以下。
3、高倍光强下的光电转换
平行结电池：加大结深，加密栅线；
背结电池：加大迎光面的面积；
垂直结电池：减小串联电阻、增大输出电压。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案所做基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (1)
1.一种激光无线输能***，包括：
一激光器，该激光器的波长在可见及红外波段，该波长从0.5微米至12微米；
一匀光器，其位于激光器的输出光路上；
一准直器，其位于匀光器的输出光路上，所述准直器为单波长多透镜组合，其控制光束发散角，控制激光在远处目的地的光斑大小，所述准直器包括，一第一透镜，一第二透镜，该第一透镜和第二透镜位于同一光路上，该第二透镜位于一步进电机滑轨上，以调节与第一透镜的距离；
一激光能量接收器，其位于准直器的输出光路上，该激光能量接收器为半导体光伏电池及其散热和封装的集成，该激光能量接收器的材料为硅、铟镓砷、锑化镓、锡化铅或碲化锗，其带隙在0.1eV至1.1eV之间，对应的波长在1.1-10微米之间；所述光伏电池为承受预定功率密度的pn结光伏电池，光伏电池的栅电极为密集分布，达到栅极间隔在1mm以下，以更多俘获光生载流子；光伏电池的结深大于0.5微米，以减小电池的串联电阻，所述激光能量接收器为多个光伏电池的串联或并联连接，以分别应对激光能量接收器升压或激光能量密度的不均匀性；
一监控器，其输入端与激光能量接收器的输出端连接。
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