CN108282034A - 适用于激光充电的太阳能电池阵的无线充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于激光充电的太阳能电池阵的无线充电方法，根据组成太阳能电池阵的太阳能电池片发电情况，结合了用户需求。本发明按照电压要求、电流要求及最大功率要求三种不同情况，自动的选择具有较高光电转换效率的电池片进行动态组合，输出功率。本发明最大优点是可以针对太阳能电池板的电池片不同光伏发电情况及用户要求，灵活组成电路并且做到效率最大化。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术，具体涉及一种适用于激光充电的太阳能电池阵的无线充电方法。
背景技术
目前，无线电能传输主要分为三类：电磁感应式、磁耦合谐振式、微波或激光形式。其中电磁感应式通过两个分离的线圈进行能量交换，当一个线圈中产生电流并激发出电磁场时，临近的线圈便产生感应电动势。以此方式传输电能，缺点就是传输距离太近。但其技术较为成熟，目前多用在手机无线充电上。根据磁耦合谐振原理，磁耦合谐振式可以实现中距离的无线电能传输。其传输距离与功率都较电磁感应式大了很多，但是由于发射端、接受端都需要设置天线，结构比较复杂，且存在一定的电磁辐射。其传输效率、稳定性、安全性都存在一系列的问题，目前还处于实验室研究阶段。激光方向性好，能量集中等特点使得大量光能可集中在一极小空间范围被接收，因此，激光充电的输电方法具有传输距离远、传输效率高、接收装置小、适合小型电子设备使用等优点，对微型飞行器、微小卫星、航天器等进行远程电力传输具有独特的应用价值。
传统的太阳能光伏***，采用电池阵可以更有效的吸收太阳能的辐照。但是在激光充电的情景下，由于激光聚焦点很小，就算是通过扩束以后其光斑直径也仅在厘米量级，这样就给放置在移动物体上的太阳能电池板尺寸大小提出了要求。需要设计出合适的太阳能电池阵来获得激光能量，同时还要减少由于没有受到光照的那部分电池的电能损耗。
中国专利201521019281.1公开了一种《高密度太阳能模块》，这种设计是将太阳能电池阵列排布；人为划分多个区域，多个区域的每个区域彼此串联；每个区域再分成光伏串，多个光伏串的每个光伏串彼此并联；如此配置在太阳能电池的每个区域上。这样划分虽然提高了电池接受光能的面积，由于是人为划分光伏区域、光伏串等，在太阳光这样的较为均匀的照射情况下是可以的；但是在照射区域小得多的激光辐照下，划分区域是固定的不能自动进行调整，仍然会出现由于不均匀辐照而出现的能量损耗。
中国专利201610787613.3公开了一种《砷化镓太阳能电池阵列的电路设计》，该设计是将砷化镓太阳能电池通过有序的排成阵列形状，在一块103.3mm×95.9mm的面积上，有5个独立的砷化镓太阳能电池串联阵列并在接受光能量时5个独立的砷化镓太阳能电池串联阵列分别输出各自的电压电流。这样避免了砷化镓太阳能电池阵列组件在聚光光斑不均匀的情况下效率下降的情况，也能使得每组电池阵列在不同的光功率下彼此不受影响，更有效的发挥效能。但该方法同样存在以下不足：(1)没有考虑单块独立的太阳能电池受到不均匀光照的效率；(2)该设计中5块电池串联，大小尺寸均不一致，内阻也不一致，从而效率不高，会产生损耗；(3)基本的控制电路没有涉及，仅仅设计一个物理的电池阵列排布图，不具备实际可行性。
中国专利201521049675.1公开了《一种固定翼太阳能飞机》，该设计是一种固定翼太阳能飞机，包括机翼：采用大展弦比直机翼形式，连接在机身中段的两侧，在上表面覆设有单晶硅太阳能电池阵列；后翼的水平安定面的上表面覆设有单晶硅太阳能电池阵列；驱动飞机运动的螺旋桨。通过单晶硅太阳能电池阵列，将太阳能转换成电能作为飞机飞行的动力来源，使飞机的动力***能够持续工作，实现在空中的长时间飞行。但该方法的不足在于：(1)没有考虑电池功率与飞机动力需求匹配问题；(2)没有考虑到电池效率以及阵列的电池间串并联关系；(3)该方法的直接用太阳光照射电池阵获得电能，没有任何的控制电路设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于激光充电的太阳能电池阵的无线充电方法，采用m×n个太阳能电池片组成电池阵作为激光能源吸收与转化的装置，光电转换效率高，通过云台来控制激光光束对准太阳能电池阵，再根据每个组成太阳能电池阵的发电情况，结合用户需求自动的选择具有较高光电转换效率的电池片进行动态组合。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于激光充电的太阳能电池阵的无线充电方法，方法步骤如下：
步骤1、搭建激光充电的太阳能电池阵：
所述激光充电的太阳能电池阵包括激光器、第一聚焦透镜、扩束透镜、可调光阑、云台和太阳能电池阵；第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、光阑共光轴设置，并固定在云台上，太阳能电池阵固定在位于云台外的物体上；
步骤2在云台控制下，将激光器发射出的光束通过聚焦、扩束对准一定距离之外的太阳能电池阵；
步骤3、当移动物体时，物体上的太阳能电池阵随物体一起运动，操控云台进行跟瞄；
步骤4、对太阳能电池阵的各个电池片进行编号，编号矩阵如下：
其中m为行数，n为列数，αmn代表各个电池片在电池阵上的物理位置编号；
步骤5、通过对每个电池片分别进行开路电压检测，并根据开路电压的大小进行排序，将排序结果按照电池片编号矩阵的格式，组成开路电压值矩阵：
其中有：
β11≥β12≥…≥β1n≥…≥β2n≥…≥βmn
其中βmn代表各个电池片开路电压从大到小排序；
步骤6、将开路电压值矩阵重新映射到电池片进行编号矩阵中，得到新的与开路电压值矩阵元素一一对应的电池片编号矩阵：
字符含义γmn代表按照开路电压值排序后的对应电池片新编号；
步骤7、输出电路，输出时，根据用户的需求，分为三种情况：
A、有电压要求：从γ11开始串联，直到达到指定电压或串联完所有的可用电池片；
B、有电流要求：从γ11开始并联，直到达到指定电流或并联完所有的可用电池片；
C、有最大功率要求：从γ11开始并联并计数x，直到x>(m×n)×80％，将剩下的电池片串联在上述并联电路上。
本发明与现有技术相比，其显著的优点是：(1)能够对电池阵的每个电池片进行动态监测，结合用户需求，实时组成串并联电路，可以充分利用各个光伏发电元件以获得最大化的发电效率；(2)结构简单，成本低，使用方便、安全；发电效率高，适合工业中小型电气设备无线用电需求。
附图说明
图1是本发明适用的一种激光充电的太阳能电池阵的原理示意图。
图2是本发明适用于激光充电的太阳能电池阵的无线充电方法流程图。
图3为本发明有电压要求的输出电路的示意图。
图4为本发明有电流要求的输出电路的示意图。
图5为本发明有最大功率要求的输出电路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，以对太阳能电池阵充电应用为例，对本发明的具体结构作进一步详细描述。以下实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
结合图2，本发明所述的一种适用于激光充电的太阳能电池阵的无线充电方法，方法步骤如下：
步骤1、搭建激光充电的太阳能电池阵(如图1所示)：
所述激光充电的太阳能电池阵包括激光器(1)、第一聚焦透镜(2)、扩束透镜(3)、可调光阑(4)、云台(5)和太阳能电池阵(6)；第一聚焦透镜(2)、第二聚焦透镜(3)、光阑(4)共光轴设置，并固定在云台(5)上的燕尾槽中并固定，太阳能电池阵(6)固定在位于云台(5)外的物体上。
激光器1采用波长为1060～1080nm的连续作用激光，其输出能量0～200W可调；第一聚焦透镜2焦距为2mm，第二聚焦透镜3焦距为7mm，光阑4直径1.5mm；第一聚焦透镜2焦距为2mm，第二聚焦透镜3焦距为7mm，第一聚焦透镜2接收由连续作用激光器1射入的连续激光；第二聚焦透镜3对经过第一聚焦透镜2的激光束进行扩束；再由可调光阑4对激光束进行调节，将光斑直径调整到1.5mm。这个在应用中可以根据激光器1到太阳能电池阵6的实际距离进行调节。本例中激光器1经过可调光阑4到达太阳能电池阵6的距离为3米。连续作用的激光器1、第一聚焦透镜2、扩束透镜3、可调光阑4采用螺栓的方式连接在云台5的燕尾槽内，且处于同一直线上。云台5有两部步进电机控制，分别可以做围绕激光器1出射光处为原点的水平方向的圆周运动，以及竖直方向的圆周运动，运动角度分别为±45°和±15°。安装时注意使调节各光学元件，确保所有光路元件在一条直线上，光斑在太阳能电池阵上均匀分布。
步骤2、在云台5控制下，将激光器1发射出的光束通过聚焦、扩束对准一定距离之外的太阳能电池阵6；
步骤3、当移动物体时，物体上的太阳能电池阵6随物体一起运动，操控云台进行跟瞄；
步骤4、对太阳能电池阵6的各个电池片进行编号，编号矩阵如下：
其中m为行数，n为列数，αmn代表各个电池片在电池阵上的物理位置编号；
步骤5、通过对每个电池片分别进行开路电压检测，并根据开路电压的大小进行排序，将排序结果按照电池片编号矩阵的格式，组成开路电压值矩阵：
其中有：
β11≥β12≥…≥β1n≥…≥β2n≥…≥βmn
其中βmn代表各个电池片开路电压从大到小排序；
步骤6、将开路电压值矩阵重新映射到电池片进行编号矩阵中，得到新的与开路电压值矩阵元素一一对应的电池片编号矩阵：
字符含义γmn代表按照开路电压值排序后的对应电池片新编号；
步骤7、输出电路，输出时，根据用户的需求，分为三种情况：
A、有电压要求：从γ11开始串联，直到达到指定电压或串联完所有的可用电池片(如图3所示)；
B、有电流要求：从γ11开始并联，直到达到指定电流或并联完所有的可用电池片(如图4所示)；
C、有最大功率要求：从γ11开始并联并计数x，直到x>(m×n)×80％，将剩下的电池片串联在上述并联电路上(如图5所示)。
串并入电路的电池片输出电压均需超过电压阈值。
所述电压阈值采用事先设定或根据实际使用情况更改。
Claims (3)
1.一种适用于激光充电的太阳能电池阵的无线充电方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤1、搭建激光充电的太阳能电池阵：
所述激光充电的太阳能电池阵包括激光器(1)、第一聚焦透镜(2)、扩束透镜(3)、可调光阑(4)、云台(5)和太阳能电池阵(6)；第一聚焦透镜(2)、第二聚焦透镜(3)、光阑(4)共光轴设置，并固定在云台(5)上，太阳能电池阵(6)固定在位于云台(5)外的物体上；
步骤2、在云台(5)控制下，将激光器(1)发射出的光束通过聚焦、扩束对准太阳能电池阵(6)；
步骤3、当移动物体时，物体上的太阳能电池阵(6)随物体一起运动，操控云台(5)进行跟瞄；
步骤4、对太阳能电池阵(6)的各个电池片进行编号，编号矩阵如下：
其中m为行数，n为列数，αmn代表各个电池片在电池阵上的物理位置编号；
步骤5、通过对每个电池片分别进行开路电压检测，并根据开路电压的大小进行排序，将排序结果按照电池片编号矩阵的格式，组成开路电压值矩阵：
其中有：
β11≥β12≥...≥β1n≥...≥β2n≥...≥βmn
其中βmn代表各个电池片开路电压从大到小排序；
步骤6、将开路电压值矩阵重新映射到电池片进行编号矩阵中，得到新的与开路电压值矩阵元素一一对应的电池片编号矩阵：
字符含义γmn代表按照开路电压值排序后的对应电池片新编号；
步骤7、输出电路，输出时，根据用户的需求，分为以下三种情况：
A、有电压要求时：从γ11开始串联，直到达到指定电压或串联完所有的可用电池片；
B、有电流要求时：从γ11开始并联，直到达到指定电流或并联完所有的可用电池片；
C、有最大功率要求时：从γ11开始并联并计数x，直到x>(m×n)×80％，将剩下的电池片串联在上述并联电路上。
2.根据权利要求1所述的适用于激光充电的太阳能电池阵的无线充电方法，其特征在于：上述步骤7中，串并入电路的电池片输出电压均需超过电压阈值。
3.根据权利要求2所述的适用于激光充电的太阳能电池阵的无线充电方法，其特征在于：所述电压阈值采用事先设定或根据实际使用情况更改。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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