 Modern Physics 现代物理, 2013, 3, 49-53 http://dx.doi.org/10.12677/mp.2013.31009 Published Online February 2013 (http://www.hanspub.org/journal/mp.html) Preliminary Research on Low-Power Laser Wireless Energy Transmission Wei Yang1, Changjun Liu1, Xin Wu1, Xinbin Hou2 1School of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 2Qian Xuesen Key Laboratory, China Academy of Space Technology, Beijing Email: cjliu@scu.edu.cn Received: Jan. 13th, 2013; revised: Jan. 28th, 2013; accepted: Feb. 4th, 2013 Abstract: In the paper, a kind of distributed laser-powered system is constructed. The system can transmit power with laser beam directed to the photovoltaic cells by the beam-steering lens from the semiconductor laser. At the distance of 10 m between the emitter and receiver, the light-electricity transmission efficiency is studied by experiments with this system in the different situations, using single wavelength or different wavelength laser of three kinds to transmit power, and a preliminary exploration is implemented for the wireless energy transmission at the distance of 150 m. At the same time, the design of the system and the energy consumption are analyzed. Keywords: Laser; Laser-Powered System; Transmission Efficiency 低功率激光无线能量传输的初步研究 杨 伟1，刘长军 1，吴 昕1，侯欣宾 2 1四川大学电子信息学院，成都 2中国空间技术研究院钱学森重点实验室，北京 Email: cjliu@scu.edu.cn 收稿日期：2013 年1月13 日；修回日期：2013年1月28 日；录用日期：2013 年2月4日 摘 要：本文构建了一种分布式激光输能系统，该系统采用半导体激光器发射激光，经透镜调节后，照射到远 处的太阳能电池上转换为直流电能。利用该系统，实验研究了在发射端与接收端距离10 m 的情况下，三种波长 的激光单独输能及相同和不同波长激光混合输能时的系统的光电能量转换效率，并对150 m输能距离的激光输 能进行了初步实验探索。同时本文研究分析了该系统的设计和激光在传输过程中的功率损耗等问题。 关键词：激光；激光输能系统；传输效率 1. 引言 近年来，随着世界能源危机问题的日益严峻，空 间太阳能电站(SPS, Solar Power Satellite)的研究越来 越受到人们的关注。空间太阳能电站的方案是将SPS 设备运送到空间，例如地球同步轨道，然后把收集来 的太阳能以微波或激光的方式输送回地面。 激光无线能量传输具有定向性好，能量密度大等 优点，但是也有转换效率低、天气影响大、功率容量 有限等缺点。随着相关科学研究的发展，激光无线能 量传输的设计方案和输电水平正在逐渐发展与提高。 例如，激光无线能量传输技术在无人机能量补充等系 统中的应用方案已经逐渐趋于成熟。Laser Motive公 司在 2009 年美国宇航局太空电梯竞赛中，使用激光 对机械攀爬装置实行无线输能，刷新了激光无线输能 的一系列新纪录，为无人机激光无线输能方案奠定了 良好基础，并充分验证了广泛运用激光实现无线输能 Copyright © 2013 Hanspub 49  低功率激光无线能量传输的初步研究 的可能性[1]。因此，在国内对激光用于无线能量传输 的研究相对较少的背景下，我国迫切需要激光无线能 量传输技术的相关研究。 本文构建了一种分布式激光输能系统，该系统利 用直流电源激励激光器，发射激光经透镜调节后，照 射到远处的太阳能电池上转换为直流电能。实验研究 了发射端与接收端距离10 m的情况下，单种激光源 输能及多种激光混合输能时的能量转换效率和功率 损耗，并对利用激光在150 m 的距离无线输能进行了 初步实验探索。 2. 激光无线能量传输系统设计与分析 2.1. 激光无线能量传输系统组成 分布式激光输能系统由直流电源、半导体激光器 (自带可调焦的光学透镜镜头)，多晶硅太阳能电池及 相应的测量电路组成，系统如图 1所示。 2.2. 系统各部件的设计与系统中能量在传输过 程的传输效率分析 2.2.1. 激光器 激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发 的物质中放大或振荡发射的器件。一般采用的激光器 根据工作物质物态的不同可以分为气体激光器，固体 激光器和半导体激光器。其中半导体激光器的电光转 换效率较高，且造价相对低廉，故采用半导体激光器 (输出激光波长为 660 nm的红光半导体激光器，输出 激光波长为 532 nm的绿光半导体激光器与输出激光 波长为 445 nm的蓝紫光半导体激光器)进行能量传输 实验。 2.2.2. 光学透镜 通过调节透镜镜头，调节照在太阳能电池上激光 光斑的大小与位置，使激光光斑聚在太阳能电池上， Figure 1. Distributed system on energy transmission with laser 图1. 分布式激光输能系统 并使光斑大小与太阳能电池大小吻合。由于本实验中 激光的横向光场振幅分布是高斯分布，故又称为高斯 光束。高斯光束中心点光强最大，光束的光强沿光束 中心点向外逐渐降低。高斯光束光强下降到最大光强 的1/e2倍处即是它的光斑的大小，所以高斯光束光斑 范围的功率小于光束的总功率，导致激光经过透镜入 射到太阳能电池上时会产生功率损耗[2]。该损耗大小 可由光功率耦合率来计算，对于远场分布呈椭圆分布 的高斯光束，设定其发散比(即长轴与短轴之比)为k， 经过半径为ρ(通常我们取ρ = k)的光阑(即透镜)后，光 功率的耦合效率： 2 π2 0 1exp 2 2 1d E f Ckf (1) 2 2sin cosfk 经过透镜衰减后的功率： s in E PPC (2) 其中 Ps为太阳能电池接收到的激光功率，Pin 为入射 透镜的激光功率。上式可知发散比 k越小，激光通过 透镜时损失的功率越小，据本实验激光光束远场分 布，k约为 1，CE约为 86.5%。 2.2.3. 激光在空气中传输 激光在空气中传播时，由于大气中存在着各种气 体分子和微粒，部分光辐射能量被吸收而转变为其他 形式的能量(如热能等)，部分能量被散射而偏离原来 的传播方向，导致传输激光辐射强度衰减。在均匀大 气中，波长为λ的激光传输衰减满足布格尔一朗伯定 律： , ,,0 L PL L Pe (3) 其中 L为激光在大气中的传输距离； 为通过 大气前的激光功率， ,0P ,PL 为通过 L距离大气后的 激光功率；γ(λ)为激光的衰减系数； 为激光在 大气中传输L距离的透过率。 ,L 据文献研究[3]，在进行实验的大气环境中，10 m 输能距离下，激光在空气传输过程中功率损耗约为 5%左右；150 m 输能距离下，激光在空气传输过程中 功率损耗增高至50%左右。 Copyright © 2013 Hanspub 50  低功率激光无线能量传输的初步研究 2.2.4. 太阳能电池 本系统中 多晶硅太 目前， 采用 阳能电池接收激光光束。 市场上大部分的多晶硅太阳能电池的光电能量 转换效率较低。据研究，多晶硅太阳能电池在光电能 量转换中的能量损失主要来源于以下三方面：1) 光在 电池表面的反射；2) 进光面电极材料的覆盖面积为入 射光能量带来的损失；3) 由于电池厚度薄而导致的透 射损失 。 对于不同波长的单色光，即使辐照度相同，太阳 能电池单位面积产生的光电流密度也不同。这种太阳 能电池的短路电流与入射光波长相关的特性称为太 阳能电池光谱响应。光谱响应表明了太阳能电池对不 同波长光的吸收 。本系统中采用多晶硅太阳能电池 的光谱响应曲线图 2所示 由图可知，在激光入射情况下，根据太阳电池对 不同波长光的光谱响应， 池的光电转换效率会随激 光波长变化而变化。入射光的波长越接近光谱响应曲 线峰值处的波长，电池的光电能量转换效率越高。太 阳光包含了不同波长的可见光以及不可见光，且电池 对太阳光的吸收具有选择性，所以理论上，采用波长 在光谱响应曲线峰值处波长附近一定区域内的激光 照射电池，电池的光电能量转换效率比相同功率的太 阳光入射情况下要高。 系统实验测量 器供电， 利用中科院 LPE- 率计标定激光器的输出功 率，Fluke DT电阻箱(0~9000 Ω) 上的电压调焦透镜的 9个半导体激光 红光、绿各 3支，分别编号为红 C)，绿 (A、B、C)，蓝 紫 (A、B、C)。采 用135 m × 135 [4] [5,6] 电 3. 激光无线能量传输 使用安泰信 APS3003S直流电源为激光 1C 激光功 890C 电压表测量可调 。采用自带可 器： 光、蓝紫光 (A、B、 m 1.0 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 0.2 0.4 0.6 0.8 Rrelative spectral response (um) Figure 2. Spectral r e s po n se c ur ve o f si li co n s ol ar cell 图2. 硅太阳能电池光谱响应曲线 mm ×接收 输能距离的实验 验测量步骤：用激光功 率计 ， 重复 际测得实验结果如下：图 3(a)-(c)分别为采用 3个 同实验方法，测量红 激光 验结果图 3和表3，10 m 输能距离下，使 用3 离的实验中，采用模 拟的 4.65%，采用红光输能时得到的最大能量转换效率为 3.2 mm规格大小的多晶硅太阳能电池作为 装置。 3.1. 10 m 激光无线能量传输系统实 标定各个激光器输出功率，实验中激光器与太阳 能电池距离为10 m，调节各激光器的可调焦镜头，使 每个激光器输出的光斑皆与太阳能电池大小吻合。采 用挡板挡住激光束的方法，依次测量红激光器 A、B、 C单独和同时输能时，太阳能电池的输出功率。 然后使用 3个绿光激光器和 3个蓝紫光激光器 上述测量。最后，选取红、绿、蓝紫激光器各一 支，利用红绿蓝三种激光模拟太阳光，再次进行上述 测量。 经实 红色、绿色、蓝紫色激光器输能时，负载电阻– 太阳能电池输出功率的曲线图；图3(d)为用红绿蓝三 种激光模拟太阳光输能时，负载电阻–太阳能电池输 出功率的曲线图。激光器输出功率如表 1所示；不同 输能情况下，太阳能电池输出的最大功率如表 2所示； 由于，系统的最大能量转换效 率 = 太阳能电池输出 的最大功率/激光器输出总功率，得到不同输能情况 下，系统的最大能量转换效率如表 3所示。 3.2. 150 m输能距离的实验 在150 m 的距离下，采用相 器A单独输能时太阳能电池输出功率，得到电池 输出的最大功率为 3.6 mW，系统最大能量转换效率 约为 1.50%。 4. 结语 根据实 个激光源，采用功率合成的方法进行输能时，输 送的最大能量比 3个激光源分别独自输能时输送的最 大能量之和更高，效率也更高。在激光输能中，多个 较低功率激光源相对单个较高功率激光源成本更加 低廉，输能的稳定性，持续性更好，证明了分布式激 光输能系统具有良好的前景。 由表 3得，在 10 m输能距 太阳光输能时得到的最大能量转换效率为 Copyright © 2013 Hanspub 51  低功率激光无线能量传输的初步研究 Tablerentf transmitergy, the mput of cell (unit: ) 表2. 能情况下，太阳能电池输出的最大功率 (单mW) 编号 A B + CC + C + C 05001000 1500 2000 0 10 20 30 40 50 Red Laser A B C A+B+C P(mW) R() (a) 1000 2000 3000 4000 1 2 3 4 5 6 7 8 P(mW) R() Green Laser A B C A+B+C (b) 7501500 2250 3000 3750 2 4 6 8 10 12 14 P(mW) R() Blue-violet Laser A B C A+B+C (c) 05001000 1500 2000 2500 3000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 P(mW) R() Simulated Sunlight with Laser C+C+C (d) Figure 3. Load resistance-solar cell output power curves 图3. 负载电阻–太阳能电池输出功率的曲线 编号 图 Table 1. Output power of laser diodes (unit: mW) 表1. 激光器输出功率 (单位：mW) A B C 红 244.0 239.0 255.0 绿 e 2. In diff ways o power ting en mW ax out 不同输 位： B C A + 红 8.43 11.76 10.63 44.40 绿 2 1 2. 蓝 .32.90558.02 紫 3.58 2.46 3.05 12.72 21.48 T Wite 1 a waynsmitting en- ergy, the max power c on v er si on e ff ic ie nc y of the system 表3. 据表 1和表 2，不同输能情况，系统的最大能量转换效率 编C able 3.h Tablnd 2, in differents of tra 号 A B C A+B+C C+C+ 红 3.52% 4.61% 4.35% 6.02% 绿 2. 2. 2. 蓝 19%32%10%2.60% 紫 2.20% 2.24% 2.46% 3.25% 4.65% 6.0 太池 红时效率 于模拟太阳光。由表 2得，10 m 距离下采用红光输 发射面积和接 收面 电池 5. 致谢 到民用航天预研项目和863 项目(2012AA 05)资助。 2%。 阳能电 接收 色激光 ，能量转换 高 能时，太阳能电池的最大输出功率为 44.40 mW，获 得了 6.02%的传输效率，故利用激光无线能量传输技 术，也可以在工程上为一定距离下低功率设备进行能 量补充。通过理论推导和实验验证，可以推断出，在 可见光波段实验激光输能，采用技术更成熟，成本更 低廉的红光激光器输能更值得研究。 由于激光的方向性好，光束扩散小，所以采用激 光进行无线能量传输的输能系统具有 积小的优点，对远距离的无线能量传输具有重要 意义。在 150 m 的距离，实验红激光器 A单独输能时， 得到系统最大能量转换效率约为 1.50%。对比 10 m 输 能距离的实验，150 m输能距离的实验中输能效率明 显大幅下降。理论推导和实验验证表明，激光在空气 中的指数衰减特性限制了远距离激光输能的发展。 在实验过程中，能量损失的一个主要原因是太阳 能电池的光电能量转换效率较低，并且常规的太阳能 在一定高强度的激光照射下会损害电池。然而， 随着制造用于激光输能的光电池技术的不断发展，激 光输能系统的输能效率和系统的功率容量可以得到 提高。 1 81206.01.6 3.4 蓝紫 157.5 109.6 124.0 本文得 1206 Copyright © 2013 Hanspub 52  低功率激光无线能量传输的初步研究 Copyright © 2013 Hanspub 53 参考 . 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