激光无线传能中光伏电池响应特性及转换效率研究

发布时间：2020-04-02 01:18

【摘要】：激光无线能量传输是指不使用能量传输线,而使用激光作为能量传输载体,从远距离为目标机器供能。相比于传统的能量传输方法,激光无线传能具有传输距离远,传输功率密度高等优点,所以其可用于空间太阳能电站的实现,也可广泛应用于远距离对无人机、卫星、空间飞行器、太空基地、极端条件下工作的机器人等进行能量供应。目前限制激光无线能量传输系统进入实际应用的主要因素是其系统的能量转换效率不够高。一般来说,在整个传输过程中,能量经过了两次转换过程以及以激光的形式进行了长距离传输,所以为提高其能量转换效率,使得系统进入实际应用,本文针对于在接收端的能量转换过程进行研究。系统接收端的主要器件为光伏电池,而目前针对光伏电池的研究主要集中于太阳光的辐照,激光辐照下光伏电池的响应特性与能量转换效率的研究尚不够深入。所以,为了提高激光辐照下光伏电池的能量转换效率,使得其能应用于激光无线传能系统中,从而使系统能够进入实际应用,本文通过理论分析与实验研究了激光辐照下光伏电池的响应特性与能量转换效率,主要工作如下:(1)通过能带理论以及p-n结相关基础知识,推导得到激光辐照下光伏电池的光生电流、复合电流以及暗电流的表达式,为接下来的理论计算以及实验结果的分析提供基础;(2)基于光伏电池的单指数模型,获得了激光辐照下光伏电池的伏安特性函数,并由实验数据提取得到其内部表征参数,结合光伏电池电流表达式,能够定量地分析激光辐照下光伏电池的内部表征参数与响应特性;(3)建立了激光辐照下光伏电池的光电模型与热模型,并仿真计算得到了不同类型激光辐照下不同材料光伏电池的响应特性、能量转换效率以及温度变化,分析了光电响应与热响应之间的耦合关系及影响,为实验设计及分析提供了支撑;(4)搭建实验平台,研究了激光波长、功率密度、光伏电池材料、温度以及入射激光角度对激光辐照下光伏电池响应特性以及能量转换效率的影响规律。通过分析实验结果可知:随着激光功率密度的增加,光伏电池的输出功率先增加而后趋于饱和,但是高功率密度激光引起的电池温升会导致其光电转换效率的下降,所以激光功率密度的选择与光伏电池温度的控制是提高激光无线传能系统能量转换效率的关键因素。
【图文】：

示意图,系统组成,示意图,光电转换器

漏区工作的机器人进行激光供能，使其正常工作。逡逑ＬＷＰＴ系统主要由激光发射子系统、能量传输控制子系统、激光接收子系统、能源逡逑管理子系统以及电源或负载组成［２］，如图１．１所示，由激光器发射的激光通过光束发射逡逑以及传输控制系统，经过一定距离的传输，辐照在光电转换器上，光电转换器产生的电逡逑能经由能源管理模块分配在电源或负载上，实现能量通过激光进行远距离传输并存储或逡逑使用的过程。逡逑（逦；逦＾逦￣逦Ｎ逡逑Ｌａｓｅｒ邋ｅｍｉｓｓｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ逦Ｌａｓｅｒ邋ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑１邋Ｌａｓｅｒ邋ｅｍｉｓｓｉｏｎ邋逦邋Ｌａｓｅｒ邋ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ邋Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ邋＾＿邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ逦Ｐｏｗｅｒ邋ｓｏｕｒｃｅ邋ｏｒ逡逑ｕａｓ邋ｒ逦—？逦ｃｏｎｔｒｏｌ逦ｃｏｎｔｒｏｌ逦ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ邋＾逦ｓｙｓｔｅｍ逦ｌｏａｄ逡逑＇ｖ．逦邋＂逦Ｖ逦【■逦逦逦逦Ｊ邋逦邋逦逡逑广逦＼逡逑Ｅｎｅｒｇｙ邋ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ逡逑ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑Ｖ．逦逦逦／逡逑图１．１邋ＬＷＰＴ系统组成示意图逡逑ＬＷＰＴ系统涉及到光、电、控制等，其关键子系统有：逡逑（１）高能量转换效率的激光发射系统逡逑激光发射子系统是ＬＷＰＴ系统的重要组成部分，其核心为激光器，用于传输能量逡逑的激光经由激光器产生并发射，，最终照射在接收器上。为了保证系统尽可能高的电－光－逡逑电能量转换效率

概念图,空间太阳能电站,太阳能电站,可持续发展

２００９邋年，美国邋Ｌａｗｒｅｎｃｅ邋Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ邋Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ邋提出了一种新的空间太阳能逡逑电站的实现方法［４］，并对其工程上需要解决的问题以及经济上的可行性进行了详细分析。逡逑其系统概念图如图１．３所示，在近地轨道上，利用直径为７０米的特殊反射镜对太阳光进逡逑行反射和汇聚，辐照到光电转换效率为４０％的轻薄光伏电池上产生电能，驱动电光转换逡逑效率为５０％的激光器产生激光，激光经过一个可折叠的激光衍射镜［５］后汇聚到地面上的逡逑光伏器件表面进行光电转换产生电能。空间中的系统每９０分钟绕地球一圈，所以如果逡逑在地面上建立１０个接收站，那么每个接收站能够接收到９分钟的高功率密度的激光能逡逑量，能够实现一个空间太阳能电站对地球上多个地点提供能量。文章还对系统的能量转逡逑换效率、重量等问题进行了分析，并指出了今后的发展方向，对新型太空电站的实现有逡逑着重要的指导作用。逡逑２０１７年，高凤彬等对空间中向地面发射的激光穿过大气层的过程进行了具体分析。逡逑由于此时激光的功率密度极高
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4;TN249

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