基于光电池阵列电路优化的激光输能光电转换增效方法技术

本发明专利技术公开了一种激光输能光电转换增效方法，该方法可以降低高斯激光束不均匀的功率密度分布导致的失配损失，提高激光输能光电转换效率。该方法设计了电路优化的光电池阵列，其中，光电池阵列基板采用单面喷锡的万能板，便于按优化要求对各光电池片进行串联和并联连接，各光电池片采用单晶硅电池，用于将激光能量转化为电能。相对于目前典型的光电池阵列，该阵列呈环形布局，每个电池按优化的电路连接使接收到的激光辐照功率密度大致相同，从而使各电池的输出电流相差不大，进而减小失配损失，提高光电转换效率。本发明专利技术结构简便、易于实现、适用性强，为提高激光输能时的光电转换效率提供了一种新的途径。

Laser energy transmission photoelectric conversion synergistic method optimized based on photoelectric cell array circuit

The invention discloses a laser energy transmission photoelectric conversion synergistic method, which can reduce mismatching loss caused by uneven power density distribution of Gauss laser beam and improve photoelectric conversion efficiency of laser energy transmission. The design method of the photovoltaic array, circuit optimization, photovoltaic array substrate using universal board single-sided spray tin, easy connection to each cell film series and parallel optimization according to the requirements of each photocell plate adopts silicon battery for laser energy into electrical energy. Compared with the current typical photovoltaic array, the array of circular layout, each cell according to the circuit connection of the laser irradiation power density received roughly the same, so that the output current of each cell is small, thereby reducing the mismatch loss, improve the photoelectric conversion efficiency. The invention has the advantages of simple structure, easy realization and strong applicability, and provides a new approach for improving the photoelectric conversion efficiency of the laser energy transmission.

【技术实现步骤摘要】
基于光电池阵列电路优化的激光输能光电转换增效方法
本专利技术属于激光应用
，是一种提高激光输能光电转换效率的方法。
技术介绍
由于单个光电池的输出电压和输出电流很小，一般不能单独作为电源使用。激光输能的光电转换装置需将多片光电池进行若干次串联(增大输出电压)或并联(增大输出电流)组合成光电池阵列再对外输出，使得光电池阵列面积较大，而激光束实际是高斯光束，其功率密度分布不均匀(中心辐照功率密度高，边缘低)使光电池阵列中各片光电池接收到的激光辐照功率密度不一致，各光电池输出特性不同，会造成失配损失并对光电转换效率产生不利影响。对并联电路、串联电路和串并联电路下光电池阵列的输出特性进行理论分析和实验测定的结果表明：并联光电池阵列受不均匀激光辐照的影响最小，串联光电池阵列损失的能量最多，串并联光电池阵列电路兼并并联电路和串联电路的特点，不均匀激光辐照对阵列输出特性影响相对于串联电路较好。因此，若能合理选用串联、并联连接方式则可以减小失配损失，提高光电转换效率。目前，激光输能增效方法主要有光电池材料优选、光电池结构优化、接收装置改进等。不同光电池材料对光的吸收能力不同，与激光波长和强度相匹配的光电池材料能获得更高的光电转换效率。光电池材料一般为半导体，其光谱特性使电池只吸收一定光谱范围内的光束，而激光是单色光，只有特定能量间隙的半导体材料才能与一定波长的激光产生响应，而且光能不能完全被材料吸收，一个光子只能产生一个电子-空穴对，其余能量转化为热能散失。因此，选择与激光波长最相匹配的光电池材料，能获得最佳的光电转换效率(KrupkeWF,BeachRJ,PayneSA,etal.DPAL:Anewclassoflasersforcwpowerbeamingatidealphotovoltaiccellwavelengths[C]AIPConferenceProceedings,2004:367-377.)；优化光电池结构，可减少光的反射损失，降低串联电阻、表面金属栅线遮挡等因素对激光输能光电转换效率产生的不利影响。通过优化光电池减反射涂层和绒面结构可有效降低光的反射损失，提高了光电转换效率。光电池内部电阻越大，光生电流流经时损耗的功率越多，因此，优化光电池结构，减小内部电阻能有效提高转换效率。(肖俊峰.晶体硅太阳电池表面陷光结构的研究[D].浙江,浙江大学,2010:45-47.)。西安航谷微波光电科技有限公司研究了一种三角形和扇形单元GaAs电池的电极结构及其组合电池，这两种结构都减小了载流子由P型主电极向N型电极的传输距离，从而减小了外延层薄层电阻(自身体电阻)，减小的串联电阻，有利于提高光电转换效率(宋婷.一种GaAs扇形单元激光电池的电极结构及其组合电池[P].中国专利:203760490U,2014-08-06.宋婷.一种GaAs三角形单元激光电池的电极结构及其组合电池[P].中国专利:203910816U,2014-10-29.)；美国联合创新公司的UgurOrtabasi等人研究了一种空腔式球体接收装置。该装置由两个半球组成一个空腔，每个半球内部用11个Si光电池板，22个光电池板面积占球体腔内总面积的24％，腔体其他内表面涂上了一种高反射标准面板(Spectralon)和金色薄膜。采用1064nm、200W的激光进行输能实验，得到了14.2％的转换效率。虽然转换效率比较低，但这主要是受光电池板面积占总面积比例小以及激光功率设置不合理影响导致的，理论上转换效率可以超过60％(UgurOrtabasi,HerbertFriedman.Powersphere:APhotovoltaicCavityConverterforWirelessPowerTransmissionUsingHighPowerLasers[C].ConferenceRecordofthe2006IEEE4thWorldConferenceonPhotovoltaicEnergyConversion,Waikoloa.Hi,USA,2006:1-4.)；上述几种增效方法虽然都在一定程度提高了光电转换效率，但光电池材料受光谱特性限制，不能突破各自光电转换效率的极限，需研究更加高效的新型半导体材料；光电池结构由于需考虑实际应用情况，厚度不能太薄，优化结构的操作空间较小；改进接收装置使得激光接收端的结构更加复杂，并增大了输能目标的重量和体积，进行地对空和空对空激光输能时需进一步考虑其经济性和实际性。因此，仍需寻找或开发新的激光输能光电转换增效方法。
技术实现思路
本专利技术的基于光电池阵列电路优化的激光输能光电转换增效方法是一种基于光电池阵列结构优化的方法，目的是降低激光输能时的失配损失，提高光电转换效率。实际应用中通常会采取串联或并联方式分别提高光电池阵列的输出电压和输出电流，从而提高输出功率。因此，优化光电池阵列可由2种方式组成：一种是串并联光电池阵列，即先将若干个光电池串联组成多条串联支路(即多个串联光电池单元)，再将串联光电池单元进行并联组成光电池阵列；另一种是并串联光电池阵列，即先将若干个光电池并联，再将各并联光电池单元进行串联组成光电池阵列。本专利技术的优势是：1)光电池阵列呈圆形布局，可以使阵列被激光光斑充分覆盖，增大光斑的覆盖率，减少能量浪费。2)由于激光输能过程中激光束需要进行跟踪瞄准，光斑在光电池阵列表面难免来回偏移，优化的光电池阵列可以在激光束偏移的情况下有效保证辐照区域内的光电池单元正常工作，降低了对激光束跟踪瞄准精度的要求。附图说明图1优化串并联光电池阵列结构示意图；图2优化并串联光电池阵列结构示意图；具体实施方式结合附图对本专利技术的基于光电池阵列电路优化的激光输能光电转换增效方法做进一步的详细描述。本专利技术针对的激光光斑能量是呈轴对称分布的，4个象限内光电池阵列接收的激光辐照功率完全相同，其输出特性也是一样的，因此，仅对第一象限的光电池阵列进行标注说明，其余象限与第一象限一致。优化串并联光电池阵列如图1所示，最外围的圆表示激光光斑边界，数字相同的光电池表示同一组光电池单元。光电池阵列总共由96片光电池组成，单片光电池尺寸为10mm×10mm，分为16组串联光电池单元，每组单元由6片光电池串联而成，将光斑分割成4个对称的区域后，对应4个象限内各含4组串联光电池单元，且各单元内光电池呈环形布局，最后16组串联光电池单元并联后组成6×16的光电池阵列对外输出。上述设计的依据是考虑串联电路受不均匀激光辐照影响大。因此，串并联光电池阵列中串联光电池单元内的电池应呈环形布局，才能使每个电池接收到的激光辐照功率密度大致相同，从而使各电池的输出电流相差不大，进而减小失配损失。各串联光电池单元需并联后组成串并联光电池阵列，而并联电路受不均匀激光辐照影响小。因此，为减小失配损失，各串联光电池单元包含的光电池数目应相同。优化并串联光电池阵列如图2所示，最外围的圆表示激光光斑边界，数字相同的光电池表示同一组光电池单元。并串联光电池阵列总共由96片光电池组成，单片光电池尺寸为10mm×10mm，分为16组并联光电池单元，4个象限内各有4组，各象限内并联光电池单元的光电池布局和光电池数目完全相同。从第一象限可看出，标示数字为1的光电池单元由本文档来自技高网...

【技术保护点】
高斯激光束的能量分布不均匀，当不均匀激光辐照光电池阵列时会导致失配损失，降低光电池阵列的输出功率，从而影响光电转换效率，而并联电路、串联电路和串并联电路对不均匀激光辐照的适应能力不同，合理选用串联、并联连接方式则可以减小失配损失，提高光电转换效率：对于串联电路，使各电池接收到相同的激光辐照功率密度；对于并联电路，考虑其受不均匀激光辐照的影响很小，使各支路所含电池数目相同，从而保证串联电路中各电池输出电流和并联电路两端的电压相等，起到减小失配损失的作用，进而达到光电转换增效的目的。

【技术特征摘要】
1.高斯激光束的能量分布不均匀，当不均匀激光辐照光电池阵列时会导致失配损失，降低光电池阵列的输出功率，从而影响光电转换效率，而并联电路、串联电路和串并联电路对不均匀激光辐照的适应能力不同，合理选用串联、并联连接方式则可以减小失配损失，提高光电转...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小将，李贝贝，王志恒，李志亮，李明哲，陈世媛，贺景瑞，
申请(专利权)人：中国人民解放军装备学院，
类型：发明
国别省市：北京,11