激光無線能量傳輸效率的實(shí)驗(yàn)研究

喬 良，楊雁南

（南京航空航天大學(xué)應(yīng)用物理系，南京211106）

激光無線能量傳輸效率的實(shí)驗(yàn)研究

喬 良，楊雁南*

（南京航空航天大學(xué)應(yīng)用物理系，南京211106）

為了提高激光無線能量傳輸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，基于單結(jié)GaAs光電池的工作原理，用調(diào)節(jié)照射光電池的激光參量的方法，從理論上對激光無線能量傳輸系統(tǒng)的有關(guān)部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)研究了激光波長、激光強(qiáng)度等因素對光電池能量轉(zhuǎn)換效率的影響。結(jié)果表明，單結(jié)GaAs光電池對單色激光的光電轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的單晶硅電池，最高轉(zhuǎn)化效率可達(dá)61.2%。該結(jié)果對于激光無線能量傳輸技術(shù)的應(yīng)用具有一定參考價值。

激光技術(shù)；激光無線能量傳輸；單結(jié)GaAs光電池；轉(zhuǎn)換效率

引 言

無線能量傳輸技術(shù)［1-3］是一種通過真空或空氣介質(zhì)傳播電磁波以實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)募夹g(shù)。目前，對于長距離的能量傳輸而言，激光和微波被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的兩種傳輸載體。由于激光具有單色性好、方向性好、能量集中的優(yōu)點(diǎn)，即使在較小發(fā)射功率的條件下，激光無線能量傳輸系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的電能傳輸，同時系統(tǒng)所需的發(fā)射和接收設(shè)備的體積和質(zhì)量只需要同類微波設(shè)備的1/10，且沒有與通信衛(wèi)星相互干擾的風(fēng)險(xiǎn)，因此在飛行器、人造衛(wèi)星、航天器等空間用電設(shè)備領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

基于激光在無線能量傳輸中具備的上述優(yōu)勢，歐美等發(fā)達(dá)國家都已對激光無線能量傳輸進(jìn)行了研究。其中代表性的工作有：2005年美國國家航空和宇宙航行局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的馬歇爾空間飛行中心首次利用強(qiáng)激光（輸出功率500W、輸出波長940nm），通過對15m以外微型飛行器表面的三結(jié)Ga∶In∶P2光電池進(jìn)行照射，保證了微型發(fā)動機(jī)的正常工作，帶動飛機(jī)飛行［4］。在2007年的光能定向傳輸競賽中，為了提高太空電梯的爬升速率，獲得冠軍的加拿大薩斯喀徹溫（Saskatchewan）大學(xué)隊(duì)首次選擇近紅外激光器（之前使用的光源為聚光燈和太陽光）作為光能定向傳輸系統(tǒng)的光源，充分驗(yàn)證了運(yùn)用激光實(shí)現(xiàn)無線輸能的優(yōu)越性［5］。2007年，歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（European Aeronautic Defense and Space Company，EADS）的工程師也采用了激光無線能量傳輸技術(shù)為250m以外的微型船---“漫步者”提供電能［6］。此外，在NASA、美國環(huán)境和能源技術(shù)辦公室及烏克蘭聯(lián)合進(jìn)行的空間太陽能發(fā)電計(jì)劃中也包含了激光無線能量傳輸系統(tǒng)的部分。按照計(jì)劃，他們將在地球同步軌道上建立一個太陽能發(fā)電站，并將能量匯聚后通過無線能量傳輸技術(shù)傳送到地面［7-8］。

激光無線能量傳輸技術(shù)涉及到激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高功率激光在大氣中的傳輸效率、單色激光輻射下光電池的光電轉(zhuǎn)化效率等問題。目前，國內(nèi)針對激光無線能量傳輸?shù)难芯窟€鮮有報(bào)道［9］，但基于傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)和激光應(yīng)用等領(lǐng)域，已有多位研究者對于大功率激光器、高斯光束整形、光電池光電轉(zhuǎn)換效率等問題進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)測量［10-12］。作者基于他們的相關(guān)工作，構(gòu)建了一套激光無線能量傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先通過電激勵半導(dǎo)體或固體激光器，將電能轉(zhuǎn)換為激光能量，激光束被擴(kuò)束準(zhǔn)直后自由傳輸，照射到遠(yuǎn)處的光電池上再轉(zhuǎn)換為電能。采用該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究了單結(jié)GaAs光電池在各種波長情況下，激光照射強(qiáng)度與能量轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系。結(jié)果表明：采用波長為808nm的激光，照射到光電池上的強(qiáng)度為0.230W/cm2時，系統(tǒng)具有最佳的電-光-電轉(zhuǎn)換效率。

1 激光無線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

1.1 激光無線能量傳輸系統(tǒng)的組成

激光無線能量傳輸系統(tǒng)由激光器、激光擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、單結(jié)GaAs光電池及光功率、電功率測量系統(tǒng)組成，如圖1所示。

系統(tǒng)通過電激勵激光器發(fā)射激光，激光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)整形后可均勻照射在整個光電池表面，傳輸?shù)募す夤夤β?、光電池的開路電壓、短路電流等參量可由光功率、電功率測量系統(tǒng)測量得出。

1.2 系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)及能量傳輸效率分析

1.2.1 激光器 激光器作為激光無線能量傳輸?shù)闹匾l(fā)射部件，其性能、參量直接影響到整個系統(tǒng)的能量傳輸效率。目前激光器根據(jù)工作物質(zhì)不同可以分為氣體激光器、固體激光器和半導(dǎo)體激光器等。對于激光無線能量傳輸系統(tǒng)而言，激光器的選擇應(yīng)遵從以下原則：（1）較高的電光轉(zhuǎn)換效率；（2）較小的光束發(fā)散角；（3）較高的發(fā)射功率；（4）較小的尺寸；（5）較低的價格。半導(dǎo)體激光器價格低廉，電光轉(zhuǎn)換效率高（可達(dá)70%），遠(yuǎn)高于氣體激光器和固體激光器（大約30%）。由于采用激光二極管陣列組成的疊陣陣列結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)各種功率級的激光輸出。而德國DILAS公司也在2007年成功研制出適用于遠(yuǎn)距離無線能量傳輸?shù)?0kW級半導(dǎo)體激光器模塊，發(fā)散角滿足快軸小于6mrad、慢軸小于30mrad［5］。故本實(shí)驗(yàn)中采用了半導(dǎo)體激光器（輸出激光波長為808nm和980nm的紅外光半導(dǎo)體激光器），同時，為了研究GaAs光電池對不同波長單色光的轉(zhuǎn)換效率，也對由固體激光器輸出的波長為671nm的紅光與波長為532nm的綠光的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了測量。

1.2.2 擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng) 雖然激光器輸出方向性極好的細(xì)激光束，但由于激光無線傳輸系統(tǒng)需要光束在空間長距離傳播。為了實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的高效率，理論上要求激光束能夠準(zhǔn)直均勻地耦合到光電池的全表面。因此，激光器輸出的光束，需要根據(jù)光電池表面的尺寸和傳輸距離等數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直，以獲得發(fā)散角極小、光斑尺寸合適的激光束。

本實(shí)驗(yàn)中選用倒置的開普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)作為擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)。系統(tǒng)由一個短焦距的正透鏡1（焦距為f1）和較長焦距的正透鏡2（焦距為f2）組成，可實(shí)現(xiàn)對由左向右入射光束的擴(kuò)束和準(zhǔn)直，如圖2所示。激光器輸出的高斯光束通過透鏡1后其束腰半徑由w0縮小到發(fā)散角由θ增大到θ′；正透鏡2的焦點(diǎn)與′位置重合，光束經(jīng)透鏡2后束腰半徑由增大到發(fā)散角由θ′縮小到θ″。根據(jù)高斯光束性質(zhì)可推出由該系統(tǒng)出射的高斯光束束腰半徑″= λf2/（π′）［11］，其中λ為高斯光束的波長。″隨著w0′的縮小而增大，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束。

為了增加系統(tǒng)的總傳輸效率，減少因通過透鏡而產(chǎn)生的光束形變，獲得截面較大的光束，透鏡1和透鏡2根據(jù)激光器輸出波長選用相應(yīng)光學(xué)鍍膜的玻璃透鏡，且透鏡2采用大口徑的雙膠合消像差透鏡。高斯光束的擴(kuò)束倍率和發(fā)散角壓縮率分別由下式給出［11］：

本實(shí)驗(yàn)中半導(dǎo)體激光器輸出光束光斑為5mm× 8mm、光電池表面積為30mm×40mm，取f1=45mm，由上式可估算f2≈220mm，實(shí)驗(yàn)中采用f2=200mm。

1.2.3 光電池 光電池按照材料分類可分為硅光電池、多元化化合物光電池、聚合物多層修飾電極型光電池、納米晶光電池、有機(jī)光電池等，按照結(jié)晶薄膜層數(shù)分類可以分為單結(jié)光電池和多節(jié)光電池。

對于不同波長的單色光，即使輻照度相同，光電池單位面積產(chǎn)生的光電流密度也不同。光電池的短路電流與入射光波長有關(guān)的特性稱為光電池的光譜響應(yīng)。光譜響應(yīng)表明了光電池對不同波長光的光電轉(zhuǎn)換能力。

電流-電壓曲線（I-V曲線）可以直觀地描述光電池的電學(xué)特性（見圖3）。其中Is為光電池的短路電流，Vo為光電池的開路電壓，Pmax為光電池輸出的最大電功率，其相應(yīng)的電流值為Ip，電壓值為Vp，Pmax與Is和Vo的關(guān)系為：

式中，F(xiàn)為光電池的填充因子，它與Vo之間存在直接關(guān)系，有經(jīng)驗(yàn)公式［13］：

式中，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為光電池的溫度，q為單電子電荷量。因此在實(shí)驗(yàn)中通過測量短路電流Is和開路電壓Vo可求出光電池輸出的最大電功率Pmax。

目前市場上大部分光電池材料的帶隙寬度僅能實(shí)現(xiàn)與太陽光譜的部分匹配，雖然通過設(shè)計(jì)多結(jié)層結(jié)構(gòu)可以拓展光電池的響應(yīng)光譜范圍，但對太陽光的轉(zhuǎn)換效率仍普遍較低。不同于傳統(tǒng)的光電池設(shè)計(jì)要求，由于本實(shí)驗(yàn)中所用能量載體為單一頻率的激光，單結(jié)光電池即可滿足要求。根據(jù)光電池的光譜響應(yīng)曲線，選擇入射光的波長為光譜響應(yīng)曲線峰值處的波長，即可實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)化。在光電池材料選擇方面，已報(bào)道的經(jīng)過光譜響應(yīng)優(yōu)化的單結(jié)硅光電池最高轉(zhuǎn)化效率為27.7%［14］，而近年來隨著多元化化合物光電池研究的不斷深入，經(jīng)過光譜響應(yīng)優(yōu)化的單結(jié)GaAs光電池的最高轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)突破50%［8］，較之于硅光電池有很大優(yōu)勢。此外，GaAs光電池還具有更高的開路電壓，更加理想的光學(xué)帶隙，抗輻射能力強(qiáng)，對溫度不敏感等優(yōu)點(diǎn)。并且選擇單結(jié)光電池還有利于簡化光電池的制作工藝，減少電池內(nèi)阻，降低系統(tǒng)成本。因此，本系統(tǒng)采用了單結(jié)GaAs光電池作為激光能量傳輸?shù)慕邮战M件。

2 激光無線能量傳輸效率的實(shí)驗(yàn)測量與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中分別選用了4個不同頻率的半導(dǎo)體或固體激光器（輸出激光波長分別為532nm，671nm，808nm，980nm）作為發(fā)射系統(tǒng)，它們的輸出功率均連續(xù)可調(diào)，其大小由激光功率計(jì)測量。準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)選擇倒置的開普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（焦距分別為45mm和200mm），規(guī)格為30mm×40mm的單結(jié)GaAs光電池作為接收裝置。兩個萬用表分別測量激光照射下光電池的短路電流Is和開路電壓Vo。

激光無線能量傳輸效率的測量方法如下：對某種輸出波長的激光器，調(diào)節(jié)其工作電流在不同數(shù)值（即激光器輸出功率不同），分別測量激光器輸出端、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡后以及在空氣中傳輸一端距離到達(dá)光電池處這3個位置上的激光功率和光斑大小，即可得到不同激光強(qiáng)度下擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡、空氣對激光強(qiáng)度的衰減以及光電池對激光的轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)中激光器與光電池距離為2m，到達(dá)光電池處的激光光斑與光電池大小吻合。依次采用輸出波長為532nm，671nm，808nm，980nm的激光照射光電池，測得了單結(jié)GaAs光電池輸出端的開路電壓/短路電流隨激光強(qiáng)度的變化曲線如圖4a～圖4d所示。由圖可知，對于波長為532nm，671nm，808nm的激光，光電池的開路電壓不隨激光強(qiáng)度變化，數(shù)值穩(wěn)定在1V左右，短路電流開始隨著入射光強(qiáng)的增強(qiáng)線性增加，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到吸收閥值后，短路電流趨于飽和。而對于980nm的激光，雖然存在0.5V左右的開路電壓，但無論光強(qiáng)如何，短路電流幾乎為0。

通常定義激光無線能量傳輸系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率=光電池輸出的最大功率/激光器輸出總功率。由實(shí)驗(yàn)測量的激光強(qiáng)度及上述光電池輸出的最大功率，即可得到不同波長和強(qiáng)度下該傳輸系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率隨激光強(qiáng)度的變化關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可以看出，當(dāng)采用532nm激光照射光電池時，最大能量轉(zhuǎn)換效率為32.8%，此時光電池上的激光功率密度為0.596W/cm2。當(dāng)采用671nm激光照射光電池時，最大能量轉(zhuǎn)換效率為54.1%，此時光電池上的激光功率密度為0.393W/cm2。當(dāng)采用808nm激光照射光電池時，能量轉(zhuǎn)換效率最高，達(dá)到了61.2%，此時光電池上的激光功率密度為0.23W/cm2。對于980nm的激光，光電池的能量轉(zhuǎn)換效率幾乎為0。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可由光電池的工作原理和GaAs的能帶結(jié)構(gòu)得到合理解釋：根據(jù)光生伏特原理，當(dāng)頻率為ν的激光照射在光電池表面時，若光子能量hν（h為普朗克常數(shù)）大于光電池材料的能隙寬度，則該光子可打出電子-空穴對，相反地，若光子的能量hν小于光電池材料的能隙寬度，該光子則無法打出電子-空穴對，只能轉(zhuǎn)化成熱能。因此，對于能隙寬度Eg=1.42eV的GaAs光電池，只有當(dāng)入射光的頻率ν＞Eg/h，即波長λ＜c/ν≈874nm時才會有光電轉(zhuǎn)換效率。又由于光強(qiáng)I= Nhν=Nhc/λ（N為單位時間內(nèi)照射到材料單位面積上的光子數(shù)），故在保證光子能量大于光電池能隙寬度，即λ＜874nm的前提下，對于同一光強(qiáng)，頻率?。úㄩL大）的光，光子數(shù)N更大，從而打出的電子-空穴對數(shù)量更多，光電池輸出的電能也更多，因此得到了更高的能量轉(zhuǎn)換效率。

另外，由圖5中還可以看出，隨著激光輸出功率的增加，單結(jié)GaAs光電池的能量轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)先快速增加后緩慢減小的趨勢。這是因?yàn)閷τ诠怆姵囟源嬖谥鴱?fù)合輻射機(jī)制。由于復(fù)合輻射發(fā)射的光子能量通常略大于電池材料的能隙寬度，導(dǎo)致光電池內(nèi)部存在著再吸收過程，因此只有凈復(fù)合對系統(tǒng)效率才有貢獻(xiàn)。當(dāng)入射光強(qiáng)較小時，輻射復(fù)合在總?cè)肷淠芰恐兴嫉谋壤^大，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率也較低，隨著入射光強(qiáng)的增加，輻射復(fù)合比例不斷下降，系統(tǒng)效率因此得到提高，當(dāng)輻射復(fù)合比例下降為0時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值。又因高強(qiáng)度激光照射下光電池的熱阻效應(yīng)表現(xiàn)明顯，因此入射光強(qiáng)再增加時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率又呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢。

3 結(jié) 論

在激光傳輸能量過程中，單結(jié)GaAs光電池表現(xiàn)出良好的性能，當(dāng)光電池由808nm的激光以0.23W/cm2的功率密度照射時，系統(tǒng)最大能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)61.2%，且當(dāng)光功率密度增強(qiáng)到1.15W/ cm2時，系統(tǒng)最大能量轉(zhuǎn)換效率仍可以保持在40%以上。本實(shí)驗(yàn)中使用的1塊表面積為30mm×40mm的光電池產(chǎn)生了1W以上的輸出功率，這為光電池接收系統(tǒng)的小型化提供了條件。此外，與傳統(tǒng)硅光電池（輸出電壓約為0.5V）相比，單結(jié)GaAs光電池穩(wěn)定的高開路電壓（輸出電壓為1V）也更易于被充電設(shè)備利用。在工程上，還可通過多個光電池串聯(lián)或增加升壓電路模塊的方式，實(shí)現(xiàn)光電池對鋰電池的充電，從而為遠(yuǎn)距離工作又不易實(shí)施有線能量輸送的設(shè)備進(jìn)行能量補(bǔ)充。

［1］ GREEN A W，BOYS J T.10kHz inductively coupled power transfer-concept and control［C］//The Fifth International Conference on Power Electronics and Variable-speed Drives.New York，USA： IEEE，1994：694-699.

［2］ LU Y.Development of a contactless power converter［C］//IEEE International Conference on Industrial Technology.New York，USA：IEEE，2002：786-791.

［3］ ZHANG M Ch，WANG J H，SHI Y W.Review of the wireless power transmission technology［J］.Journal of Chongqing Technology and Business University（Natural Science Edition），2009，26（5）：485-488（in Chinese）.

［4］ BLACKWELL T.Recent demonstration of laser power beaming at DFRC and MSFC［C］//AIP Conference Proceeding Beamed Energy Propulsion.New York，USA：American Institate of Physics，2005：73-85.

［5］ GEORGE T，TOBIAS K，BEN S.High power semiconductor laser cheer the united state light beam transmission competitions［J］.Laser&Optoelectronics Progress，2008（10）：64-66（in Chinese）.

［6］ HOFFMAN J M.How to get fuel to future interplanetary vehicles：beam it up to them with lasers［J］.Machine Design，2007，79（5）：78-88.

［7］ HOWELL J T，O'NEILL M J，F(xiàn)ORK R L.Advanced receiver/ converter experiments for laser wireless power transmission［C］// Solar Power From Space（SPS04）and 5th Wireless Power Transmission（WPT5）Conference.Washington DC，USA：NASA，2004：1-8.

［8］ DICKISON R M.Wireless power transmission technology state of the art the first Bill Brown lecture［J］.Acta Astronautica，2003，53（4/10）：561-570.

［9］ YANG W，LIU Ch J，WU X，et al.Preliminary research on lowpower laser wireless energy transmission［J］.Modern Physics，2013，3（1）：49-53（in Chinese）.

［10］ CAO Y H，LIU Y Q，QIN W B，et al.Kilowatt diode laser with beam quality better than all solid state laser［J］.Chinese Journal of Lasers，2009，36（9）：2282-2285（in Chinese）.

［11］ LI J X.Collimated laser beam expander design and simulation［J］.Equipment Manufactring Technology，2009（3）：29-31（in Chinese）.

［12］ XIONG Sh Zh，ZHU M F.Basic and applied of solar cells［M］.Beijing：Science Press，2009：569-577（in Chinese）.

［13］ GREEN M.Solar cells：operating principles，technology and system applications［R］.Englewood Cliffs：Prentice Hall，1982：85-102.

［14］ YANG P，YANG Y N.The research of monocrystalline silicon solar cells efficiency under laser［J］.Laser Technology，2012，36（5）：696-699（in Chinese）.

Experimental research of laser wireless power transmission efficiency

QIAO Liang，YANG Yannan
（Department of Physics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

In order to improve the conversion efficiency of the laser wireless power transmission system，based on the working principle of single junction GaAs photovoltaic cell，by the method of adjusting the parameter of laser which irradiated the photovoltaic cell，an optimization scheme was designed to each part of the laser wireless power transmission system theoretically.The relation between the conversion efficiency with laser wavelength and incident intensity was measured experimentally and discussed theoretically.The results show that the conversion efficiency of GaAs photovoltaic cell is improved obviously compared with monocrystalline silicon photovoltaic cell for monochromatic laser.The maximum conversion efficiency reaches 61.2%.The conclusions have a certain reference value for the application of laser wireless power transmission.

laser technique；laser wireless power transmission；single junction GaAs photovoltaic cell；conversion efficiency

TN249

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.05.003

1001-3806（2014）05-0590-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51377080）

喬 良（1990-），男，碩士研究生，現(xiàn)從事激光應(yīng)用方面的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：yangyn@nuaa.edu.cn

2013-09-25；

2013-11-19