激光无线能量传输系统设计及性能研究

发布时间：2017-09-14 12:05

  本文关键词：激光无线能量传输系统设计及性能研究

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【摘要】：本课题旨在为解决微型飞行器、微小卫星等无法实现有线能量传输的设备续航能力受限等问题进行的激光无线能量传输系统设计和性能研究。通过将激光无线能量传输系统分成四个模块,分别探讨了激光器种类选择、激光扩束准直模块设计、高强度单色激光照射光电池时光电转换效率的机理、直流升压芯片选择及外围电路设计等问题,并采用理论计算和实验测量相结合的方法,优化各模块的能量转换效率,实现激光无线能量传输系统的高效运行。首先,阐述了本课题研究内容的目的和意义,通过总结和比较常见的无线能量传输技术,结合课题需求,重点介绍了激光无线能量传输技术的特点、关键部件以及国内外的研究现状。在分析激光无线能量传输系统的结构和性能特点的基础上,将激光无线能量传输系统分解为四个模块,通过理论分析和实验测量的方法对各模块工作性能进行了优化。其次,通过分析总结影响激光无线能量传输的各种因素,以此作为选取激光发射模块的理论依据,并分别对其工作原理、基本结构以及输出特性作了介绍。根据高斯光束的传输特性和具体激光器的输出参数,通过ZEMAX仿真的方法设计了一套针对系统特点的非球面透镜组作为系统的光束整形模块。通过比较常见光电池的基本结构、工作原理以及光电转换效率等参数,选择了高效Ga As光电池作为激光无线能量传输系统的光电转换器件,采用不同波长和功率密度的激光对其转换效率进行了实验测量,并对实验结果进行了分析和理论解释。通过分析比较选择了合适的升压芯片,设计、优化相应的外围电路作为升压、电能存储模块,实现了光电池输出电能的高效存储。此外,本课题创新性地采用激光器波长和功率密度与光电池能隙宽度相匹配的方法,使单结Ga As光电池的转换效率大为提高。实验测量Ga As电池的最高光电转换效率可达61.2%,因此,本课题研究结果对激光无线能量传输技术的应用具有一定的参考价值。
【关键词】：激光无线能量传输 光学设计 ZEMAX 光电转换效率 单结GaAs电池
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM724
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 注释表11-12
• 第一章 绪论12-16
• 1.1 课题的背景12-13
• 1.2 国内外研究现状13-14
• 1.3 研究内容和创新点14-16
• 第二章 激光发射模块设计16-21
• 2.1 激光器的简介16-17
• 2.2 固体、半导体激光器工作原理、输出性能17-20
• 2.2.1 固体激光器17-18
• 2.2.2 半导体激光器18-20
• 2.3 激光发射模块中激光器的选择20-21
• 第三章 光束整形模块设计21-34
• 3.1 平顶光束21-22
• 3.2 费米-狄拉克光束的MATLAB仿真22-23
• 3.3 光束整形模块设计与数值模拟23-27
• 3.3.1 非球面透镜组的分类24
• 3.3.2 非球面透镜组的设计原理与数值模拟24-27
• 3.4 非球面透镜组的ZEMAX实现27-34
• 3.4.1 偶次非球面表达式的拟合算法27-29
• 3.4.2 非球面透镜组的ZEMAX仿真实现29-34
• 第四章 光电转换模块设计及实验研究34-45
• 4.1 光电池的选择34-39
• 4.1.1 光电池的工作原理34-35
• 4.1.2 光电池的性能表征35-37
• 4.1.3 光电池的理想等效电路37-38
• 4.1.4 GaAs光电池38-39
• 4.2 基于GaAs光电池的光电转换效率实验39-42
• 4.2.1 实验设计39
• 4.2.2 实验结果及机理分析39-42
• 4.3 光电池阵列的结构设计及性能测试42-45
• 4.3.1 光电池阵列的结构设计42-44
• 4.3.2 光电池阵列的性能测试44-45
• 第五章 升压存储模块设计45-50
• 5.1 BOOST电路的工作原理45-46
• 5.2 升压芯片的选择与性能比较46-48
• 5.3 升压存储模块的性能测试48-50
• 第六章 总结与展望50-52
• 6.1 总结50
• 6.2 展望50-52
• 参考文献52-55
• 致谢55-56
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文56

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本文编号：849909