激光无线能量传输系统设计及性能研究

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1、中图分类号：TN249论文编号：102870812-S055学科分类号：080300硕士学位论文激光无线能量传输系统设计及性能研究研究生姓名乔良学科、专业光学工程研究方向激光应用指导教师杨雁南教授南京航空航天大学研究生院理学院二O一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofScienceDesignandefficiencyresearchonlaserwirelesspowertransmissionsystemAThesisinOpticalEngi

2、neeringbyLiangQiaoAdvisedbyProf.YannanYangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据

3、库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要本课题旨在为解决微型飞行器、微小卫星等无法实现有线能量传输的设备续航能力受限等问题进行的激光无线能量传输系统设计和性能研究。通过将激光无线能量传输系统分成四个模块，分别探讨了激光器种类选择、激光扩束准直模块设计、高强度单色激光照射光电池时光电转换效率的机理、直流升压芯片选择及外围电路设计等问题，并采用理论计算和实验测量相结合的方法，优化各模块的能量转换效率，实现激光无线能量传输系统的高效运行。首先，阐述了本课题

4、研究内容的目的和意义，通过总结和比较常见的无线能量传输技术，结合课题需求，重点介绍了激光无线能量传输技术的特点、关键部件以及国内外的研究现状。在分析激光无线能量传输系统的结构和性能特点的基础上，将激光无线能量传输系统分解为四个模块，通过理论分析和实验测量的方法对各模块工作性能进行了优化。其次，通过分析总结影响激光无线能量传输的各种因素，以此作为选取激光发射模块的理论依据，并分别对其工作原理、基本结构以及输出特性作了介绍。根据高斯光束的传输特性和具体激光器的输出参数，通过ZEMAX仿真的方法设计了一套针对系统特点的非球面透镜组作为系统的光束整形模块。通过比较常见

5、光电池的基本结构、工作原理以及光电转换效率等参数，选择了高效GaAs光电池作为激光无线能量传输系统的光电转换器件，采用不同波长和功率密度的激光对其转换效率进行了实验测量，并对实验结果进行了分析和理论解释。通过分析比较选择了合适的升压芯片，设计、优化相应的外围电路作为升压、电能存储模块，实现了光电池输出电能的高效存储。此外，本课题创新性地采用激光器波长和功率密度与光电池能隙宽度相匹配的方法，使单结GaAs光电池的转换效率大为提高。实验测量GaAs电池的最高光电转换效率可达61.2%，因此，本课题研究结果对激光无线能量传输技术的应用具有一定的参考价值。关键字：激光

6、无线能量传输；光学设计；ZEMAX；光电转换效率；单结GaAs电池；I激光无线能量传输系统设计及性能研究ABSTRACTInordertosolvetheissueoftheMAVandothersmallautomatedmachineslessworkingtimeandpoorbatterylife,thedesignoflaserwirelesspowertransmissionsystemandimprovingitsperformancehavebeenstudiedinthispaper.Bydividinglaserwirelesspowert

7、ransmissionsystemintofourparts,theselectionoflasertype,thecollimatedandexpandedmoduleoflaserbeam,theprincipleofanoptical-to-electricalconversionefficiencyofasinglejunctionGaAsphotovoltaiccellforthehighintensitylaserwithdifferentwavelengthsandintensities,theselectionofDCboostchipandd

8、esignofitsperiphera