本文關(guān)鍵詞：激光無線能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計及性能研究

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【摘要】：本課題旨在為解決微型飛行器、微小衛(wèi)星等無法實現(xiàn)有線能量傳輸?shù)脑O(shè)備續(xù)航能力受限等問題進(jìn)行的激光無線能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計和性能研究。通過將激光無線能量傳輸系統(tǒng)分成四個模塊,分別探討了激光器種類選擇、激光擴(kuò)束準(zhǔn)直模塊設(shè)計、高強(qiáng)度單色激光照射光電池時光電轉(zhuǎn)換效率的機(jī)理、直流升壓芯片選擇及外圍電路設(shè)計等問題,并采用理論計算和實驗測量相結(jié)合的方法,優(yōu)化各模塊的能量轉(zhuǎn)換效率,實現(xiàn)激光無線能量傳輸系統(tǒng)的高效運行。首先,闡述了本課題研究內(nèi)容的目的和意義,通過總結(jié)和比較常見的無線能量傳輸技術(shù),結(jié)合課題需求,重點介紹了激光無線能量傳輸技術(shù)的特點、關(guān)鍵部件以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。在分析激光無線能量傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能特點的基礎(chǔ)上,將激光無線能量傳輸系統(tǒng)分解為四個模塊,通過理論分析和實驗測量的方法對各模塊工作性能進(jìn)行了優(yōu)化。其次,通過分析總結(jié)影響激光無線能量傳輸?shù)母鞣N因素,以此作為選取激光發(fā)射模塊的理論依據(jù),并分別對其工作原理、基本結(jié)構(gòu)以及輸出特性作了介紹。根據(jù)高斯光束的傳輸特性和具體激光器的輸出參數(shù),通過ZEMAX仿真的方法設(shè)計了一套針對系統(tǒng)特點的非球面透鏡組作為系統(tǒng)的光束整形模塊。通過比較常見光電池的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及光電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù),選擇了高效Ga As光電池作為激光無線能量傳輸系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器件,采用不同波長和功率密度的激光對其轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了實驗測量,并對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析和理論解釋。通過分析比較選擇了合適的升壓芯片,設(shè)計、優(yōu)化相應(yīng)的外圍電路作為升壓、電能存儲模塊,實現(xiàn)了光電池輸出電能的高效存儲。此外,本課題創(chuàng)新性地采用激光器波長和功率密度與光電池能隙寬度相匹配的方法,使單結(jié)Ga As光電池的轉(zhuǎn)換效率大為提高。實驗測量Ga As電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)61.2%,因此,本課題研究結(jié)果對激光無線能量傳輸技術(shù)的應(yīng)用具有一定的參考價值。
【關(guān)鍵詞】：激光無線能量傳輸 光學(xué)設(shè)計 ZEMAX 光電轉(zhuǎn)換效率 單結(jié)GaAs電池
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM724
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 注釋表11-12
• 第一章 緒論12-16
• 1.1 課題的背景12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-14
• 1.3 研究內(nèi)容和創(chuàng)新點14-16
• 第二章 激光發(fā)射模塊設(shè)計16-21
• 2.1 激光器的簡介16-17
• 2.2 固體、半導(dǎo)體激光器工作原理、輸出性能17-20
• 2.2.1 固體激光器17-18
• 2.2.2 半導(dǎo)體激光器18-20
• 2.3 激光發(fā)射模塊中激光器的選擇20-21
• 第三章 光束整形模塊設(shè)計21-34
• 3.1 平頂光束21-22
• 3.2 費米-狄拉克光束的MATLAB仿真22-23
• 3.3 光束整形模塊設(shè)計與數(shù)值模擬23-27
• 3.3.1 非球面透鏡組的分類24
• 3.3.2 非球面透鏡組的設(shè)計原理與數(shù)值模擬24-27
• 3.4 非球面透鏡組的ZEMAX實現(xiàn)27-34
• 3.4.1 偶次非球面表達(dá)式的擬合算法27-29
• 3.4.2 非球面透鏡組的ZEMAX仿真實現(xiàn)29-34
• 第四章 光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計及實驗研究34-45
• 4.1 光電池的選擇34-39
• 4.1.1 光電池的工作原理34-35
• 4.1.2 光電池的性能表征35-37
• 4.1.3 光電池的理想等效電路37-38
• 4.1.4 GaAs光電池38-39
• 4.2 基于GaAs光電池的光電轉(zhuǎn)換效率實驗39-42
• 4.2.1 實驗設(shè)計39
• 4.2.2 實驗結(jié)果及機(jī)理分析39-42
• 4.3 光電池陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能測試42-45
• 4.3.1 光電池陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計42-44
• 4.3.2 光電池陣列的性能測試44-45
• 第五章 升壓存儲模塊設(shè)計45-50
• 5.1 BOOST電路的工作原理45-46
• 5.2 升壓芯片的選擇與性能比較46-48
• 5.3 升壓存儲模塊的性能測試48-50
• 第六章 總結(jié)與展望50-52
• 6.1 總結(jié)50
• 6.2 展望50-52
• 參考文獻(xiàn)52-55
• 致謝55-56
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文56

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