基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统技术方案

一种基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，包括激光器、发射装置、接收装置、功率球光伏接收器和电源管理模块，激光器的输出侧安置有发射装置，发射装置输出侧安置有接收装置，接收装置与用于将激光信号转化成电信号的功率球式光伏接收器连接，功率球式光伏接收器的输出端与电源管理模块连接，功率球式光伏接收器为双球体结构功率球式光伏接收器，双球体结构功率球式光伏接收器包括功率球光伏接收器、冷却球、进气止回阀、出气止回阀和气管，功率球光伏接收器上安装进气止回阀和出气止回阀，进气止回阀通过气管与冷却球的进气口连通，出气止回阀通过气管与冷却球的出气口相接。本发明专利技术光电转换效率较高、散热效果好。

Laser wireless energy transmission system based on double sphere structure power ball photovoltaic receiver

A laser wireless energy transmission system based on a dual sphere structure power ball type photovoltaic receiver, which includes a laser, a transmitter, a receiving device, a power ball photovoltaic receiver and a power management module. A transmitter is installed on the output side of the laser. A receiver is installed on the output side of the transmitter, the receiving device and the receiver are used. The power ball type photovoltaic receiver connecting the laser signal into the electrical signal is connected, the output end of the power ball type photovoltaic receiver is connected with the power management module, the power ball type photovoltaic receiver is a dual sphere structure power ball type photovoltaic receiver, and the dual sphere structure power ball type photovoltaic receiver includes the power ball photovoltaic receiver and the cooling. The ball, the intake check valve, the outgassing check valve and the gas pipe, the power ball photovoltaic receiver is installed the intake check valve and the outgassing check valve. The intake check valve is connected through the air inlet of the cooling ball through the trachea, and the outgassing check valve is connected to the outlet of the cooling ball through the gas pipe. The photoelectric conversion efficiency of the invention is high, and the heat dissipation effect is good.

【技术实现步骤摘要】
基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统
本专利技术属于无线能量传输系统，尤其是一种采用激光的无线能量传输系统。
技术介绍
随着激光技术和太阳能电池技术的快速发展，激光在远距离能量传输技术中逐渐显示出其优势，国外开展激光无线能量传输技术研究的主要有美国、日本和德国等国家。国内针对激光无线能量传输的研究还少有报道,而且大部分的研究也还处于理论研究或初期阶段，主要针对大功率激光器、高斯光束整形、光电池光电转换效率等问题进行研究。单个电池的输出电压通常不能满足负载工作电压的需求，通常情况下，需要通过多个电池串、并联构成光伏接收器。传统平板型光伏接收器结构简单，对跟踪精度的要求比较低。会聚型则只是增加会聚透镜，将入射激光会聚在小面积的光伏电池上。虽然提高了光照强度，降低了光伏电池的使用面积，极大地降低了成本，但总体形式还是平板式。它们都是设计用于低强度、高均匀的太阳光辐照使用，当用在高强度、非均匀激光辐照中时，每个串、并联的光伏电池收到的光功率密度不同，则将有可能造成失配损耗，降低光电转换效率，限制了系统的整体性能发挥。因此对于激光无线能量传输中使用的光伏接收器，设计过程中还必须要考虑激光光强不均匀的问题，该问题的来源主要是激光束本身能量分布的不均匀性和大气的影响。功率球型接收器将入射激光“囚禁”在相对密闭的空腔内，通过入射激光在光伏电池表面的多次反射，实现相对均匀的光照，从而避免激光光强分布不均匀问题；并且多次反射可以重复利用没有吸收的光照，充分吸收入射辐射的能量，提高整个激光无线能量传输系统的能量输出效率。但是其结构的密闭性，在高功率激光辐照下，散热问题将变得突出，同时功率球开口大小的限制，对激光发射装置的跟踪精度要求很高。
技术实现思路
为了克服用于激光无线能量传输系统中的功率球型接收器的光电转换效率较低、散热困难等问题，本专利技术提供一种光电转换效率较高、主动散热的基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，所述系统包括激光器、发射装置、接收装置、功率球光伏接收器和电源管理模块，所述激光器输出侧安置有发射装置，所述发射装置输出侧安置有接收装置，所述接收装置与用于将激光信号转化成电信号的功率球式光伏接收器连接，所述功率球式光伏接收器的输出端与所述电源管理模块连接，所述功率球式光伏接收器为双球体结构功率球式光伏接收器，所述双球体结构功率球式光伏接收器包括功率球光伏接收器、冷却球、进气止回阀、出气止回阀和气管，所述功率球光伏接收器上安装所述进气止回阀和出气止回阀，所述进气止回阀通过气管与所述冷却球的进气口连通，所述出气止回阀通过气管与所述冷却球的出气口相接。进一步，所述进气止回阀、出气止回阀均为单向阀，所述单向阀包括阀体、托杆、密封圈、挡板和弹簧，所述阀体内设有供气体流过的阀孔，所述挡板上布置密封圈，所述挡板与所述阀孔配合，所述挡板可上下滑动地套装在托杆上，所述托杆固定在阀体内腔，所述挡板与弹簧的一端连接，所述弹簧的另一端固定在所述托杆的底部。再进一步，所述功率球光伏接收器采用封闭球体结构，空心球体里充满CO2或N2或Xe大分子气体；入射激光进入功率球光伏接收器的内部空心球体里，激光以设定的角度照射到内壁上某一位置光伏电池，其中光伏电池是单晶硅、多晶硅、GaAs或铟嫁砷(InGaAs)材料构成，其带隙宽度和808nm波长或者1000nm激光匹配。所述接收装置采用圆锥形结构，朝向激光器方向接收端面直径大；所述接收装置侧面镀有808nm或者1000nm高反膜，入射激光经过侧面反射后，全部通过小端面输出口注入功率球光伏接收器。所述发射装置采用伽利略式多倍扩束镜，扩束镜由二个镜片组成，包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜，输入镜将虚焦点光束传输给输出镜，二镜片两面镀有808nm或者1000nm窄带增透膜。所述激光器采用808nm波长的激光器作为激光无线能量传输的光源，采用GaAs太阳能电池。所述激光器采用二极管泵浦固体激光器，采用在1000nm激光波长处转换效率高的铟嫁砷InGaAs太阳能电池。所述电源管理模块包括电压稳定和控制系统，采用超小型升/降压控制器芯片，输入0.9V-5V任意直流电压；用于降低受到照射光强较高的光伏电池单元输出电压，以及升高照射光强不足的光伏电池单元输出电压。本专利技术的技术构思为：本专利技术提出的基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统采用功率球光伏接收器和冷却球的双球结构，并在球体里充满大分子直径气体作为冷却介质，激光的照射引起接收器球体内气体温度上升膨胀，与冷却球体的冷却气体构成热胀冷缩的自循环流动，从而带走光伏电池中的热量，降低光电转换过程中的热量累积，提高光电转换效率。并且选择适当的大分子气体，使其分子直径接近激光波长，提高入射光在气体中的散射效果，可进一步提高入射激光的均匀性，减少光伏电池接收到的光功率密度不同造成的失配损耗。而圆锥型接收装置则解决功率球开口太小对激光发射装置的跟踪精度要求高的问题。本专利技术的有益效果主要表现在：1、采用功率球光伏接收器和冷却球的双球结构，并在球体里充满大分子直径气体作为冷却介质，解决功率球式接收器在高功率激光辐照下由于密闭性造成的散热问题，而圆锥型接收装置则解决功率球开口太小对激光发射装置的跟踪精度要求高的问题。大分子气体的散射效果也进一步提高了光电转换前激光的均匀性，保证各块光伏电池能均匀获得辐射光照；2、功率球中充满大分子气体，可增加辐射激光的散射能力，提高入射辐射的均匀性，减少入射激光某一时刻集中在部分光伏电池上，提高光伏电池的光吸收能力，增加各光伏电池获得均匀的光功率密度可能性，减少光伏电池接收到的光功率密度不同造成的失配损耗；3、采用圆锥型接收装置，使得接收端面大，能接收的激光多，发射装置对准和跟踪精度要求降低。接收装置侧面全反射结构保证接收到的激光能全部从小端面输出口注入功率球中，同时小口径注入口能减少非光伏电池占用有限的接收空间，增加光电转换的面积，提高传输电压；4、通过采用充满气体的双球体和单向止回阀的方式，以激光作为驱动源，通过热胀冷缩形成一个单向流动的气体自循环，再通过冷却球增加了气体冷却面积，加速气体温度的降低。冷气体的不断流入可带走光伏电池中的热量，降低光电转换过程中的热量累积，提高功率球的散热效率，改善光电转换的环境，提高光电转换效率；5、双球体结构采取激光作为循环冷却的驱动源，使得激光转换热量的废弃能量得到充分利用，无需外部供应能量就能驱动激光无线能量传输系统的主动散热系统，提高系统的散热效率、能量利用率，减少热量排放；6、入射激光照射到内壁上某一位置时，不仅发生光被硅材料吸收，光子能量传递给硅原子，产生一定功率输出，而且会将剩余激光通过反射传递给空心球体另一内壁位置，使得入射激光不断被光伏电池吸收和反射。这样不仅能在光伏电池中产生光生电压，还能在相对封闭的空腔中实现激光在光伏电池表面的重复利用，提高光伏接收器光电转换的整体效率；7、不同角度的入射光和反射光照射到内壁上的不同位置，这样空心球体内壁上的每个点都将得到来自激光光源的不同角度光照射，每一点的光强分布是由好多光线之和构成，亦即本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，所述系统包括激光器、发射装置、接收装置、功率球光伏接收器和电源管理模块，所述激光器的输出侧安置有发射装置，所述发射装置输出侧安置有接收装置，所述接收装置与用于将激光信号转化成电信号的功率球式光伏接收器连接，所述功率球式光伏接收器的输出端与所述电源管理模块连接，其特征在于：所述功率球式光伏接收器为双球体结构功率球式光伏接收器，所述双球体结构功率球式光伏接收器包括功率球光伏接收器、冷却球、进气止回阀、出气止回阀和气管，所述功率球光伏接收器上安装所述进气止回阀和出气止回阀，所述进气止回阀通过气管与所述冷却球的进气口连通，所述出气止回阀通过气管与所述冷却球的出气口相接。

【技术特征摘要】
1.一种基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，所述系统包括激光器、发射装置、接收装置、功率球光伏接收器和电源管理模块，所述激光器的输出侧安置有发射装置，所述发射装置输出侧安置有接收装置，所述接收装置与用于将激光信号转化成电信号的功率球式光伏接收器连接，所述功率球式光伏接收器的输出端与所述电源管理模块连接，其特征在于：所述功率球式光伏接收器为双球体结构功率球式光伏接收器，所述双球体结构功率球式光伏接收器包括功率球光伏接收器、冷却球、进气止回阀、出气止回阀和气管，所述功率球光伏接收器上安装所述进气止回阀和出气止回阀，所述进气止回阀通过气管与所述冷却球的进气口连通，所述出气止回阀通过气管与所述冷却球的出气口相接。2.如权利要求1所述的基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，其特征在于：所述进气止回阀、出气止回阀均为单向阀，所述单向阀包括阀体、托杆、密封圈、挡板和弹簧，所述阀体内设有供气体流过的阀孔，所述挡板上布置密封圈，所述挡板与所述阀孔配合，所述挡板可上下滑动地套装在托杆上，所述托杆固定在阀体内腔，所述挡板与弹簧的一端连接，所述弹簧的另一端固定在所述托杆的底部。3.如权利要求1或2所述的基于双球体结构功率球式光伏接收器的激光无线能量传输系统，其特征在于：所述功率球光伏接收器采用封闭球体结构，空心球体里充满CO2或N2或Xe大分子气体；入射激光进入功率球光伏接收器的内部空心球体里，激光以设定的角度照射到内壁上某一位置光伏电池，其中光伏电池是单...

【专利技术属性】
技术研发人员：何铁锋，潘国兵，张立彬，胥芳，欧阳康，王杰，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33