激光无线电能传输系统关键技术研究

发布时间：2020-07-30 17:34

【摘要】：激光无线电能传输(Laser Power Transfer,LPT)技术是一种通过激光作为能量载体,利用光生伏特效应实现从电源到负载无直接电气接触的电能传输方式。相比于其他无线电能传输方式,LPT技术具有传输距离远、功率密度高的特点,特别适合为飞行器、卫星和深空探测器等移动用电设备提供灵活便捷、安全可靠的供电方式,因此受到了越来越多的关注。然而在LPT系统实际工作当中,较低的电能传输效率是制约该项技术应用的瓶颈。因此围绕优化系统电能传输效率的目标,对LPT系统关键技术进行研究具有重要的理论意义和实际应用价值。在LPT系统发射端,由于普遍采用的半导体激光器(Laser Diode,LD)是电流注入型器件,因此输入电流的质量(较高的电流稳定度和较低的电流纹波)对其效率有着直接的影响。所以提高LD转换效率不仅依赖于其结构、材料和制作工艺的进步,还依赖于高质量电流的注入。而目前国内外对通过优化输入电流来提高LD效率的研究较少,因此本文提出了LD效率最优的电流驱动技术。以LD输入输出特性曲线为理论依据,通过仿真及理论计算,分析了不同输入电流形式对LD效率的影响,并提出通过输入脉冲电流来优化LD工作效率的方法。该效率优化的核心思想为:通过改变LD输入电流的形式,可以改变LD的瞬时工作点,而工作点的改变直接影响了LD的转换效率。因此在保证平均输出光功率一定的情况下,为了优化LD的效率需使LD尽可能的工作在效率较高的工作点处。同时,为了验证所提出的LD效率最优的电流驱动技术,本文基于功率解耦的思想,提出了一种适合LPT系统的LD脉冲电流源。该脉冲电流源由一个DC-DC变换器和一个双向变换器并联组成,其中双向变换器通过对其高压侧储能电容充放电的控制,实现了对脉动功率的处理;而且通过控制储能电容的电压可以减小电容容值,有利于电源功率密度的提升,此外DC-DC变换器和双向变换器具有各自不同的功能和控制环路,因此可以根据其各自的特点分别进行优化设计,有利于效率的优化。综上,LD效率最优的电流驱动技术的提出不仅开拓了LD效率优化的理论和方法,而且为LD驱动电源的设计和优化提供了理论依据。在LPT系统接收端,入射激光的能量呈不均匀的高斯分布,会导致光伏阵列输出功率的下降,极大的限制了系统效率的提升。尽管激光能量分布不均匀,但其分布具有一定的规律性和固定性,因此本文基于高斯激光分布的规律提出了光伏阵列效率最优的电气布局方法,该方法主要通过调整不均匀光照在光伏阵列电气结构中的分布来获得较高的效率。其效率优化的主要思想为:针对多个典型的光伏阵列电气连接结构,提出相应的优化算法来分别构建各自输出功率最大的电气连接方式,通过对这些优化结构的最大输出功率进行比较,从而从中寻找到最佳的阵列电气布局。为此,本文首先提出了光伏电池和高斯激光能量分布的简化模型,为分析光伏阵列不同电气连接方式的输出特性提供了直观、便捷的理论分析工具。然后,根据典型的光伏阵列串-并联(Series-Parallel,SP)结构和完全交叉(Total-Cross-Tie,TCT)结构的特点,分别提出了相应的最优结构搜索算法,该算法主要通过简单的排序和比较过程来实现,具有计算速度快,搜索准确度高的特点。最后,在上述研究的基础上,通过仿真和实验,一方面验证了以上算法的有效性,一方面提出在高斯激光辐照下,TCT结构的光伏阵列在采用本文所提出的最优搜索算法优化后更具效率优势。综上,本文通过所提出的高斯激光能量分布的简化模型和相应的光伏阵列最优结构搜索算法可以为实际LPT系统中的光伏阵列组阵提供了具体的解决方案,具有重要的实际应用价值。对于整个LPT系统,由于在绝大部分的研究中多为简单的开环系统,因此对于整个系统工作的核心,即功率控制技术的研究目前还处于探索阶段。为此,本文提出了基于系统效率最优的功率控制策略。在上述对系统发射端和接收端效率提升研究的基础上,通过对系统整体效率曲线进行分析,发现系统工作在脉冲模式下(即传输脉冲光而非连续光)有利于系统效率的提升,而且通过控制激光器输入电流的占空比就能对系统整体效率进行优化。该优化过程的核心思想是:在平均传输功率一定的前提下,通过优化激光器输入电流占空比,可以改变系统中瞬时传输功率的大小,而激光器和光伏阵列在较高的输出/入射光功率的情况下具有较高的效率,因此可以使它们的电光/光电转换能力得到最大程度的利用。同时,通过理论分析和计算,充分阐述了脉冲模式下光伏阵列脉动的输出电压对系统效率及系统最优输入电流占空比的影响,在考虑光伏阵列输出电压对系统效率影响的情况下,提出了系统功率控制的具体实现方式,并搭建了一台系统原理样机对功率控制的有效性进行了实验验证,实验结果表明本文所提出的功率控制策略能有效提升系统的效率。综上,系统功率优化控制策略的提出为系统提供了发射/接收相互高效配合工作的机制,具有重要的借鉴意义。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM724
【图文】：

光伏,光束,接收技术,准直

激光无线电能传输高的Si和GaAs光伏电池匹配使用。所以，DPAL技术尚不成熟，输出光功率还相对较低，并不除激光器外，对激光束进行准直和整形也束经远距离传输后应均匀的聚焦在光伏阵列上性，在LPT系统中需对激光器的输出光束进行适，能量密度均匀的入射光束。文献[52]就利压缩，实现了光束的准直。而文献[44]则利用光束的强度分布，实现了光束的匀化。1.4.2 光伏接收技术1.4.2.1 光伏接收器结构光伏接收器是光伏接收技术的硬件基础。示的三种结构：平板型、球型和会聚型。

光伏阵列,电气连接,子阵列

激光无线电能传输系统关键技术研究不是简单的串并联，因而每个电池单体所产生的电流都有若干个方向流出，所以当某个电池单体的光照出现差异时不影响同一支路中其它电池的工作。因此，有大量文献[59,69-72]研究表明相对于如图 1.9(a)和(c)所示的串-并联(Series-Parallel, SP)结构和桥式(Bridge-Linked, BL)结构，TCT 结构能较好的解决辐照不均匀时因光伏电池间失配而造成的功率损失问题。本质上，TCT结构是一种光伏电池先并后串的电气连接方式，其中每一行的电池相互并联构成一个子阵列，每个子阵列又相互串联构成一个整体输出功率。显而易见，要提高 TCT 结构的转换效率，必须满足辐照均衡的原则，即保证每个子阵列所接受的激光功率之和要尽可能一致(也可等效为：需保证每个子阵列中所有电池输出电流之和要尽可能相等)。

结构图,光伏阵列

每个子阵列又相互串联构成一个整体输出功率。显而易见，要提高 TCT 结构的转换效率，必须满足辐照均衡的原则，即保证每个子阵列所接受的激光功率之和要尽可能一致(也可等效为：需保证每个子阵列中所有电池输出电流之和要尽可能相等)。(a) SP 结构 (a) TCT 结构 (a) BL 结构图 1.9 不同光伏阵列电气连接结构根据上述辐照均衡的原则，文献[71]提出了一种基于 TCT 结构的局部重构方法，其架构如图 1.10(a)所示。其主要思想是把光伏阵列分为固定阵列和补偿阵列，通过冒泡排序的控制策略控制开关矩阵，将补偿阵列中受光照较好的电池动态的并联到辐照强度出现差异的各行上，从而减小不均匀辐照的影响，并提高整个阵列的最大输出功率。

【参考文献】