激光无线能量传输机理分析及仿真.pdf

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1、空间电子技术SPACEEI正CTR0NICTECHNOL0GY2013年3期激光无线能量传输机理分析及仿真①石德乐，李振宇，吴世臣，张海洋(1．山东省航天电子技术研究所，烟台264000；2．北京理工大学，北京100081)摘要：文章针对分布式集群飞行器系统能量分配需求，对无线激光能量传输技术进行了研究。分析了无线激光能量传输系统的功能需求，建立了系统框架模型，并针对系统各组成模块进行了设计，分析了无线激光能量传输系统关键技术，并在此基础上对激光传能系统进行了仿真实验验证，获得了理想的光电转换效率。文章系统地研究了激光无线能量传输系统设计，对关键技术进行了全面的总结，为我国分布式集

2、群飞行器系统的发展提供有力支持。关键词：分布集群；无线能量传输；激光传能DoI：10．3969／j．issn．1674—7135．2013．03．0150引言随着空间技术的不断发展，无线能量传输技术已由最初驱动直升飞机和太阳能卫星的研究扩展到诸多应用领域，如天一天、地。天、天一地的航天器的供图1激光无线能量传输系统示意图能中。当前，无线能量传输成为分布式集群飞行器系统的关键技术之一，它可以实现模块飞行器之间的能量供给，增加飞行器能量获取来源，从而达到各模块供能专一化，延长飞行器使用寿命，加大对太空资源的利用率的目的¨。无线能量传输(WirelessPowerTransmission

3、，w)的构想早在1890年就被物理学家尼古拉·特斯拉提出，目前研究的几种方式包括感应耦合、磁场共振、微波、激光等不同形式l4j，在传输距离上分别对应近、中和远距离。其中激光无线能量传输方向性强、能量集中，可以用较小的发射功率实现远距离的供电，是目前的研究热点。文章针对激光无线能量传输技术进行研究，对其传输机理进行了分析，梳理了其中的关键技术并进行了仿真验证’。群n徽P率‘lI，l激光无线能量传输系统组成r无线能量传输系统是在不依赖能源输送线情况设备电源下，给在特定环境下工作的目标机器提供能源支持，使其能够顺利完成被指定的任务的能量供给系统。图2激光无线能量传输系统效率分析图激光能量

4、传输系统(如图1所示)主要由如下三个模块构成，即：发射模块、传输模块和光-电转换模块。影响整个系统电-光．电传输效率的环节主要包①收稿日期：2013-07—222013年第3期石德乐，等：激光无线能量传输机理分析及仿真67括：叼。激光器电光转换效率；叼：天线发射效率；叼激1．4激光-电能转换器光在空间中的传输效率；接收光学天线接收效通过考察si基光伏电池、InP基光伏电池、GaAs率；光电转换器的光电转换效率。而激光无线能基光伏电池、GaN基光伏电池等高性能半导体激光．量传输系统传输效率为：电能转换电池的转换效率、质量、体积、功率密度、功=Ps／PR=叼1·2·J，73·叼4·叼5

5、(1)率质量比等技术参数，可以看出目前光电能量转换式中，P为系统发射端输出电能，P为系统接效率最高的是GaAs光电能量转换器，转换效率可以收端接收的电能。通过式(1)可知，为了提高整个达到50％，可降低发射端激光功率的要求。系统的传输效率，必须对各个环节进行优化设计，选1．5光学系统用高效的器件，达到系统的最高传输效率。发射天线可以设计成接近衍射极限，尽可能的1．2激光波长选择获得最小的接收光斑，但这会造成激光能量损失；为了接收更多的激光能量，接收天线的直径越大越好，但接收天线太大，会增加系统的重量和成本。所以，光学发射和接收天线的研制设计必须综合考虑其传输性能、可操作性和实用性。

6、激光无线能量传输系统原理图如图4所示。乏Wavelength／nm图3激光波长与太阳能电池材料的关系图N太阳能电池在单波长激光的照射下的效率高于宽波段太阳光照射下的效率，并且连续光源照射效圈4激光能量传输系统原理图率要高于脉冲光源照射效率，因此本方案选用连续单波长激光作为能量传输介质。由于光子能量正比1．5．1发射光学系统于其本身的能量，从而光源的频率直接影响太阳能在激光能量发射系统中，为了降低接收口径、电池能带隙跃迁，而材料也影响到激光波长的选择，增大作用距离，要求减小激光光束的发散角。因此，Krupke等人在2003年测试了入射激光波长与太阳在发射系统中常采用扩束望远镜来扩展激

7、光光束，能电池材料的关系，如图3所示。达到系统的准直性要求。选取半导体激光器输出端从图3中可以看出，采用转换效率较高的GaAsEl光纤芯径西=400mm，数值孔径NA=0．22，输出激材料，波长为808nm左右波段的激光较为适宜无线光波长A=808nm，输出功率P=80W，电光转换效能量传输。率为45％。选取口径=200ram的凸透镜便能满1．3激光器选择足需求。为了降低凸透镜厚度，选取石英作为透镜目前已有的808nm波长大功率的激光器只有固材料。体激光器和半导体激光