激光无线能量传输机理分析及仿真

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1、空间电子技术６６ＳＰＡＣＥＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１３年第３期激光无线能量传输机理分析及仿真①石德乐１，李振宇１，吴世臣１，张海洋２（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

2、系统设计，对关键技术进行了全面的总结，为我国分布式集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!"03+4随着空间技术的不断发展，无线能量传输技术!"#$%&'./"012#05678已由最初驱动直升飞机和太阳能卫星的研究扩展到()*+,-"9:;诸多应用领域，如天天、地天、天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激光无线能量传输系

3、统的发射端主要采用光纤的能量供给，增加飞行器能量获取来源，从而达到各耦合输出的半导体激光器，它具有高电光转换效模块供能专一化，延长飞行器使用寿命，加大对太空率，体积小，重量轻，低成本等优点，能提供太阳能电资源的利用率的目的［１－５］。池吸收峰的８００ｎｍ左右的激光，激光光束经过发射无线能量传输（ＷｉｒｅｌｅｓｓＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，天线整形，集中、准直后发射，经过空间链路到达光ＷＰＴ）的构想早在１８９０年就被物理学家尼古拉·特电转换模块，完成激光电能的转化。激光束发射方斯拉提出，目前研究的几种方式包括感应耦合、磁场向是由传输控

4、制模块完成的，使光束与激光电池板共振、微波、激光等不同形式［３，４］，在传输距离上分别正入射，达到最高的光电转换效率［５，６］。对应近、中和远距离。其中激光无线能量传输方向１．１激光无线能量传输系统技术原理性强、能量集中，可以用较小的发射功率实现远距离激光无线能量传输系统分解图如图２所示。的供电，是目前的研究热点。文章针对激光无线能$!BC;6η+,34;6η+,();6η5!$BC;6η24量传输技术进行研究，对其传输机理进行了分析，梳1$!#$'34$*+,()$*+,理了其中的关键技术并进行了仿真验证［６，７］。BC'789:;6η334

5、!56（=>?@）()!56-.#$Pt/0'１激光无线能量传输系统组成%&'Pr无线能量传输系统是在不依赖能源输送线情况12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：η１激光器电光转换效率；η２天线发射效率；η３激１．４激光电

6、能转换器光在空间中的传输效率；η４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；η５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η＝ＰＳ／ＰＲ＝η１·η２·η３·η４·η５（１）率质量比等技术参数，可以看出目前光电能量转换式中，ＰＳ为系统发射端输出电能，ＰＲ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

7、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60了接收更多的激光能量，接收天线的直径越大越好，GaAs但接收天线太大，会增加系统的重量和成本。所以，50AlGaAscyt)nen光学发射和接收天线的研制设计必须综合考虑其传ierc40Siiceeff(p输性能、可操作性和实用性。2nmCulnSeio302激光无线能量传输系统原理图如图４所示。rs/WGaSbve1on℃20c5Vt2****Pa10

8、****!"#040060080010001200140016001800Wavelength/nmΦ=400μm图３激光波长与太阳能电池材料的关系图