【摘要】：激光無線電能傳輸(Laser Power Transfer,LPT)技術是一種通過激光作為能量載體,利用光生伏特效應實現從電源到負載無直接電氣接觸的電能傳輸方式。相比于其他無線電能傳輸方式,LPT技術具有傳輸距離遠、功率密度高的特點,特別適合為飛行器、衛(wèi)星和深空探測器等移動用電設備提供靈活便捷、安全可靠的供電方式,因此受到了越來越多的關注。然而在LPT系統實際工作當中,較低的電能傳輸效率是制約該項技術應用的瓶頸。因此圍繞優(yōu)化系統電能傳輸效率的目標,對LPT系統關鍵技術進行研究具有重要的理論意義和實際應用價值。在LPT系統發(fā)射端,由于普遍采用的半導體激光器(Laser Diode,LD)是電流注入型器件,因此輸入電流的質量(較高的電流穩(wěn)定度和較低的電流紋波)對其效率有著直接的影響。所以提高LD轉換效率不僅依賴于其結構、材料和制作工藝的進步,還依賴于高質量電流的注入。而目前國內外對通過優(yōu)化輸入電流來提高LD效率的研究較少,因此本文提出了LD效率最優(yōu)的電流驅動技術。以LD輸入輸出特性曲線為理論依據,通過仿真及理論計算,分析了不同輸入電流形式對LD效率的影響,并提出通過輸入脈沖電流來優(yōu)化LD工作效率的方法。該效率優(yōu)化的核心思想為:通過改變LD輸入電流的形式,可以改變LD的瞬時工作點,而工作點的改變直接影響了LD的轉換效率。因此在保證平均輸出光功率一定的情況下,為了優(yōu)化LD的效率需使LD盡可能的工作在效率較高的工作點處。同時,為了驗證所提出的LD效率最優(yōu)的電流驅動技術,本文基于功率解耦的思想,提出了一種適合LPT系統的LD脈沖電流源。該脈沖電流源由一個DC-DC變換器和一個雙向變換器并聯組成,其中雙向變換器通過對其高壓側儲能電容充放電的控制,實現了對脈動功率的處理;而且通過控制儲能電容的電壓可以減小電容容值,有利于電源功率密度的提升,此外DC-DC變換器和雙向變換器具有各自不同的功能和控制環(huán)路,因此可以根據其各自的特點分別進行優(yōu)化設計,有利于效率的優(yōu)化。綜上,LD效率最優(yōu)的電流驅動技術的提出不僅開拓了LD效率優(yōu)化的理論和方法,而且為LD驅動電源的設計和優(yōu)化提供了理論依據。在LPT系統接收端,入射激光的能量呈不均勻的高斯分布,會導致光伏陣列輸出功率的下降,極大的限制了系統效率的提升。盡管激光能量分布不均勻,但其分布具有一定的規(guī)律性和固定性,因此本文基于高斯激光分布的規(guī)律提出了光伏陣列效率最優(yōu)的電氣布局方法,該方法主要通過調整不均勻光照在光伏陣列電氣結構中的分布來獲得較高的效率。其效率優(yōu)化的主要思想為:針對多個典型的光伏陣列電氣連接結構,提出相應的優(yōu)化算法來分別構建各自輸出功率最大的電氣連接方式,通過對這些優(yōu)化結構的最大輸出功率進行比較,從而從中尋找到最佳的陣列電氣布局。為此,本文首先提出了光伏電池和高斯激光能量分布的簡化模型,為分析光伏陣列不同電氣連接方式的輸出特性提供了直觀、便捷的理論分析工具。然后,根據典型的光伏陣列串-并聯(Series-Parallel,SP)結構和完全交叉(Total-Cross-Tie,TCT)結構的特點,分別提出了相應的最優(yōu)結構搜索算法,該算法主要通過簡單的排序和比較過程來實現,具有計算速度快,搜索準確度高的特點。最后,在上述研究的基礎上,通過仿真和實驗,一方面驗證了以上算法的有效性,一方面提出在高斯激光輻照下,TCT結構的光伏陣列在采用本文所提出的最優(yōu)搜索算法優(yōu)化后更具效率優(yōu)勢。綜上,本文通過所提出的高斯激光能量分布的簡化模型和相應的光伏陣列最優(yōu)結構搜索算法可以為實際LPT系統中的光伏陣列組陣提供了具體的解決方案,具有重要的實際應用價值。對于整個LPT系統,由于在絕大部分的研究中多為簡單的開環(huán)系統,因此對于整個系統工作的核心,即功率控制技術的研究目前還處于探索階段。為此,本文提出了基于系統效率最優(yōu)的功率控制策略。在上述對系統發(fā)射端和接收端效率提升研究的基礎上,通過對系統整體效率曲線進行分析,發(fā)現系統工作在脈沖模式下(即傳輸脈沖光而非連續(xù)光)有利于系統效率的提升,而且通過控制激光器輸入電流的占空比就能對系統整體效率進行優(yōu)化。該優(yōu)化過程的核心思想是:在平均傳輸功率一定的前提下,通過優(yōu)化激光器輸入電流占空比,可以改變系統中瞬時傳輸功率的大小,而激光器和光伏陣列在較高的輸出/入射光功率的情況下具有較高的效率,因此可以使它們的電光/光電轉換能力得到最大程度的利用。同時,通過理論分析和計算,充分闡述了脈沖模式下光伏陣列脈動的輸出電壓對系統效率及系統最優(yōu)輸入電流占空比的影響,在考慮光伏陣列輸出電壓對系統效率影響的情況下,提出了系統功率控制的具體實現方式,并搭建了一臺系統原理樣機對功率控制的有效性進行了實驗驗證,實驗結果表明本文所提出的功率控制策略能有效提升系統的效率。綜上,系統功率優(yōu)化控制策略的提出為系統提供了發(fā)射/接收相互高效配合工作的機制,具有重要的借鑒意義。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM724
【圖文】：

激光無線電能傳輸高的Si和GaAs光伏電池匹配使用。所以，DPAL技術尚不成熟，輸出光功率還相對較低，并不除激光器外，對激光束進行準直和整形也束經遠距離傳輸后應均勻的聚焦在光伏陣列上性，在LPT系統中需對激光器的輸出光束進行適，能量密度均勻的入射光束。文獻[52]就利壓縮，實現了光束的準直。而文獻[44]則利用光束的強度分布，實現了光束的勻化。1.4.2 光伏接收技術1.4.2.1 光伏接收器結構光伏接收器是光伏接收技術的硬件基礎。示的三種結構：平板型、球型和會聚型。

激光無線電能傳輸系統關鍵技術研究不是簡單的串并聯，因而每個電池單體所產生的電流都有若干個方向流出，所以當某個電池單體的光照出現差異時不影響同一支路中其它電池的工作。因此，有大量文獻[59,69-72]研究表明相對于如圖 1.9(a)和(c)所示的串-并聯(Series-Parallel, SP)結構和橋式(Bridge-Linked, BL)結構，TCT 結構能較好的解決輻照不均勻時因光伏電池間失配而造成的功率損失問題。本質上，TCT結構是一種光伏電池先并后串的電氣連接方式，其中每一行的電池相互并聯構成一個子陣列，每個子陣列又相互串聯構成一個整體輸出功率。顯而易見，要提高 TCT 結構的轉換效率，必須滿足輻照均衡的原則，即保證每個子陣列所接受的激光功率之和要盡可能一致(也可等效為：需保證每個子陣列中所有電池輸出電流之和要盡可能相等)。

每個子陣列又相互串聯構成一個整體輸出功率。顯而易見，要提高 TCT 結構的轉換效率，必須滿足輻照均衡的原則，即保證每個子陣列所接受的激光功率之和要盡可能一致(也可等效為：需保證每個子陣列中所有電池輸出電流之和要盡可能相等)。(a) SP 結構 (a) TCT 結構 (a) BL 結構圖 1.9 不同光伏陣列電氣連接結構根據上述輻照均衡的原則，文獻[71]提出了一種基于 TCT 結構的局部重構方法，其架構如圖 1.10(a)所示。其主要思想是把光伏陣列分為固定陣列和補償陣列，通過冒泡排序的控制策略控制開關矩陣，將補償陣列中受光照較好的電池動態(tài)的并聯到輻照強度出現差異的各行上，從而減小不均勻輻照的影響，并提高整個陣列的最大輸出功率。

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本文編號：2775864