CN109038866A - 一种激光无线传能发射接收*** - Google Patents

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孟祥翔
徐波
王健隆
程坤
吴世臣
于方磊
杜丙川
石德乐
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    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
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Abstract

本发明提供了一种激光无线传能发射接收***，能够提高接收端的接收率，并且光电池占空比高。本发明的一种激光无线传能的发射接收***，应用于固定距离的激光传能。本发明通过采用发射均匀分布的矩形光束的激光发射端以及投影镜组，使得投射到接收端的光斑为矩形均匀光斑，避免了高斯光斑造成平铺光电池阵列接收效率低的问题；同时光电池接收单元形状与投射矩形光斑形状匹配，避免了圆形光斑与光电池接收单元形状不匹配带来的占空比低的问题，提高了接收效率。本发明的光电池接收单元为矩形，避免了复杂的光电池环形排布，光电池在接收单元上能够实现简单排布。

Description

一种激光无线传能发射接收***
技术领域
本发明涉及激光无线能量传输技术领域，具体涉及一种激光无线传能发射接收***，适用于固定距离激光无线能量传输的高效率能量接收。
背景技术
激光无线传能***利用光电效应，以高能量激光束作为能量载体，对远端用电设备进行非接触能量传输，是长距离无线传能的主要手段，在远距离无线供电领域拥有着广泛的应用前景。激光无线能量传输***的接收效率是影响整体效率的关键环节。
目前激光无线传能***发射端普遍采用准直光学***实现光束的准直发射，照射在接收端的激光光斑为圆形，强度呈高斯分布；接收端主要有接收天线聚光接收(专利CN201610794867.8)和光电池平铺接收(专利CN201310641817.2)两种方式。其中，专利CN201610794867.8中所述激光无线传能***采用接收天线聚光接收的形式，为接收到更多光能，接收天线口径、体积以及重量均会增加，改变充电设备外形结构会增加负重，并且当激光能量过大时，高倍聚光接收会损伤光电池。专利CN201310641817.2中采用光电池平铺方式接收光能，接收端由于光照不均匀使得单个光电池的输出特性不同，降低了接收效率；同时，激光光斑为圆形，与矩形的光电池形状不匹配，远大于单个光电池面积，接收端光斑分布不均匀、形状不匹配。因此专利CN201310641817.2提出以激光光斑的能量分布特性为依据排布光电池，进行串并联设计，同时将两百多片矩形光电池排布成圆形，但该方法将同一串联电路上的光电池尽可能的排布在光斑环形等照度区域，不仅排布方式复杂，而且形状不能完全匹配；同时使用数百个矩形光电池排布成圆形，降低了光电池的占空比，造成资源浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种激光无线传能发射接收***，能够提高接收端的接收率，并且光电池占空比高。
本发明的一种激光无线传能发射接收***，包括激光发射端、投影镜组以及光电池接收单元，其中所述激光发射端用于发射均匀分布的矩形光束，所述投影镜组将激光发射端发射的矩形光束进行设定倍数的放大，激光发射端出射的矩形光束经投影镜组投影至设定距离处的光电池接收单元上，所述光电池接收单元接收面整体为矩形，与投射到其上的矩形光斑形状一致。
其中，所述激光发射端包括激光器、耦合镜组以及匀光单元，所述激光器发出用于传能的激光束，所述耦合镜组用于将激光器发出的光耦合进匀光单元，所述匀光单元出射端口为矩形，所述匀光单元用于将输入的激光进行匀光，输出矩形激光光束。
其中，所述匀光单元为方芯光纤或方芯匀光棒。
其中，所述光电池接收单元的接收面采用矩形光电池进行拼接排布。
其中，所述投影镜组包括均为球面镜的第一透镜、第二透镜以及第三透镜。
有益效果：
本发明的一种激光无线传能的发射接收***，应用于固定距离的激光传能。本发明通过采用发射均匀分布的矩形光束的激光发射端以及投影镜组，使得投射到接收端的光斑为矩形均匀光斑，避免了高斯光斑造成平铺光电池阵列接收效率低的问题；同时光电池接收单元形状与投射矩形光斑形状匹配，避免了圆形光斑与光电池接收单元形状不匹配带来的占空比低的问题，提高了接收效率。
本发明的光电池接收单元为矩形，避免了复杂的光电池环形排布，光电池在接收单元上能够实现简单排布。
本发明的投影镜组包括均为球面镜的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，球面镜制作简单、成本低，投影镜组易于实现。
附图说明
图1为本发明所述的激光无线传能发射接收***示意图；
图2为本发明所述的激光发射端光线追迹图；
图3为本发明所述的投影镜组光路；
图4为本发明所述的投影镜组传递函数图；
图5为本发明所述的投影镜组点列图；
图6为本发明所述的接收端光斑照度图；
图7为本发明所述的接收端光斑照度剖面曲线；
图8为本发明所述的420mm×420mm区域内光电池排布图；
图9为对比的直径473.92mm的圆区域内光电池排布图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例的激光无线传能发射接收***，包括激光发射端、投影镜组以及光电池接收单元，其中所述激光发射端用于发射均匀分布的矩形光束，激光发射端出射的矩形光束经投影镜组投影至远端设定距离处的矩形光电池接收单元上。所述光电池接收单元接收面整体为矩形，与投射矩形光斑形状一致。
本实施例的激光发射端包括激光器、耦合镜组以及匀光单元，激光器发出用于传能的大功率激光束，所述激光束经过耦合镜组进入匀光单元，所述匀光单元为方芯光纤(或匀光棒)，其出射端口为矩形，激光束在方芯光纤(或匀光棒)内经过多次反射，在出射端口形成均匀分布的矩形光束。激光发射端光线追迹如图2所示。
本实施例中投影镜组光路如图3所示，所述投影镜组由三片透镜组成，包括第一透镜1、第二透镜2以及第三透镜3，均为球面镜，投影镜组将匀光单元出射端口处的矩形光斑进行设定倍数(一般为数百倍)的放大，投射在固定距离处的光电池接收单元上，得到投射矩形光斑。光电池接收单元的接收面采用矩形光电池进行拼接排布，避免了圆形光斑形状不匹配带来的占空比低的问题，提高激光传能***接收效率。
本实施例***用2设定距离为25m的激光传能时的一组最佳参数如下：以面光源模拟激光器，发光面直径13.4mm，发散角1.2°，光强分布为高斯分布，功率为1000W；耦合镜组焦距39mm，像方NA＝0.17；匀光单元为方芯光纤，长100mm，纤芯尺寸1mm×1mm。投影镜组物方NA＝0.17，放大倍率420，传能距离25m，在25m将1mm×1mm的方芯光纤纤芯投影为420mm×420mm的光斑。
投影镜组的一组优化参数如表1所示，传递函数如图4所示，从图4看出其传递函数曲线接近衍射极限，投影镜组像质优良；点列图如图5所示，可见各视场点列斑均在衍射极限以内，投影镜组像质优良。
表1投影镜组参数
本实施例的光电池接收单元尺寸为420mm×420mm，所述投射矩形光斑尺寸420mm×420mm，光电池接收单元与投射矩形光斑尺寸一致。光电池接收单元上的光斑照度图如图6所示，不考虑镜面菲涅尔损耗、光学材料吸收，在420mm×420mm区域内接收光能占比99.9％，光斑均匀性大于95％，照度剖面曲线如图7所示。
本实施例中所述投射矩形光斑尺寸420mm×420mm，采用尺寸为11mm×10mm的光电池进行拼接排布得到光电池接收单元，在沿11mm方向光电池贴装间隙为1mm，在沿10mm方向光电池封装间隙为0.5mm，每片光电池所占光电池接收单元的尺寸为12mm×10.5mm，则在420mm×420mm区域内可排布35×40片光电池，共1400片，光电池占空比为87.3％，如图8所示。以等面积圆光斑作为对比，与420mm×420mm等面积的圆光斑直径为473.92mm。光电池贴装间隙、每片光电池所占面积均与420mm×420mm方形区域相同，在直径473.92mm的圆中共排布1316片光电池，光电池占空比为82.06％，如图9所示。
可见本实施例的激光无线传能发射接收***，相对于现有的激光无线传能发射接收***，能够提高接收端的接收率，并且光电池占空比高。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光无线传能发射接收***，其特征在于，包括激光发射端、投影镜组以及光电池接收单元，其中所述激光发射端用于发射均匀分布的矩形光束，所述投影镜组将激光发射端发射的矩形光束进行设定倍数的放大，激光发射端出射的矩形光束经投影镜组投影至设定距离处的光电池接收单元上，所述光电池接收单元接收面整体为矩形，与投射到其上的矩形光斑形状一致。
2.如权利要求1所述的一种激光无线传能发射接收***，其特征在于，所述激光发射端包括激光器、耦合镜组以及匀光单元，所述激光器发出用于传能的激光束，所述耦合镜组用于将激光器发出的光耦合进匀光单元，所述匀光单元出射端口为矩形，所述匀光单元用于将输入的激光进行匀光，输出矩形激光光束。
3.如权利要求2所述的一种激光无线传能发射接收***，其特征在于，所述匀光单元为方芯光纤或方芯匀光棒。
4.如权利要求1所述的一种激光无线传能发射接收***，其特征在于，所述光电池接收单元的接收面采用矩形光电池进行拼接排布。
5.如权利要求1所述的一种激光无线传能发射接收***，其特征在于，所述投影镜组包括均为球面镜的第一透镜(1)、第二透镜(2)以及第三透镜(3)。
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