【摘要】：激光無線能量傳輸是指不使用能量傳輸線,而使用激光作為能量傳輸載體,從遠距離為目標機器供能。相比于傳統(tǒng)的能量傳輸方法,激光無線傳能具有傳輸距離遠,傳輸功率密度高等優(yōu)點,所以其可用于空間太陽能電站的實現(xiàn),也可廣泛應用于遠距離對無人機、衛(wèi)星、空間飛行器、太空基地、極端條件下工作的機器人等進行能量供應。目前限制激光無線能量傳輸系統(tǒng)進入實際應用的主要因素是其系統(tǒng)的能量轉換效率不夠高。一般來說,在整個傳輸過程中,能量經(jīng)過了兩次轉換過程以及以激光的形式進行了長距離傳輸,所以為提高其能量轉換效率,使得系統(tǒng)進入實際應用,本文針對于在接收端的能量轉換過程進行研究。系統(tǒng)接收端的主要器件為光伏電池,而目前針對光伏電池的研究主要集中于太陽光的輻照,激光輻照下光伏電池的響應特性與能量轉換效率的研究尚不夠深入。所以,為了提高激光輻照下光伏電池的能量轉換效率,使得其能應用于激光無線傳能系統(tǒng)中,從而使系統(tǒng)能夠進入實際應用,本文通過理論分析與實驗研究了激光輻照下光伏電池的響應特性與能量轉換效率,主要工作如下:(1)通過能帶理論以及p-n結相關基礎知識,推導得到激光輻照下光伏電池的光生電流、復合電流以及暗電流的表達式,為接下來的理論計算以及實驗結果的分析提供基礎;(2)基于光伏電池的單指數(shù)模型,獲得了激光輻照下光伏電池的伏安特性函數(shù),并由實驗數(shù)據(jù)提取得到其內(nèi)部表征參數(shù),結合光伏電池電流表達式,能夠定量地分析激光輻照下光伏電池的內(nèi)部表征參數(shù)與響應特性;(3)建立了激光輻照下光伏電池的光電模型與熱模型,并仿真計算得到了不同類型激光輻照下不同材料光伏電池的響應特性、能量轉換效率以及溫度變化,分析了光電響應與熱響應之間的耦合關系及影響,為實驗設計及分析提供了支撐;(4)搭建實驗平臺,研究了激光波長、功率密度、光伏電池材料、溫度以及入射激光角度對激光輻照下光伏電池響應特性以及能量轉換效率的影響規(guī)律。通過分析實驗結果可知:隨著激光功率密度的增加,光伏電池的輸出功率先增加而后趨于飽和,但是高功率密度激光引起的電池溫升會導致其光電轉換效率的下降,所以激光功率密度的選擇與光伏電池溫度的控制是提高激光無線傳能系統(tǒng)能量轉換效率的關鍵因素。
【圖文】：

漏區(qū)工作的機器人進行激光供能，使其正常工作。逡逑ＬＷＰＴ系統(tǒng)主要由激光發(fā)射子系統(tǒng)、能量傳輸控制子系統(tǒng)、激光接收子系統(tǒng)、能源逡逑管理子系統(tǒng)以及電源或負載組成［２］，如圖１．１所示，由激光器發(fā)射的激光通過光束發(fā)射逡逑以及傳輸控制系統(tǒng)，經(jīng)過一定距離的傳輸，輻照在光電轉換器上，光電轉換器產(chǎn)生的電逡逑能經(jīng)由能源管理模塊分配在電源或負載上，實現(xiàn)能量通過激光進行遠距離傳輸并存儲或逡逑使用的過程。逡逑（邐；邐＾邐￣邐Ｎ逡逑Ｌａｓｅｒ邋ｅｍｉｓｓｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ邐Ｌａｓｅｒ邋ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑１邋Ｌａｓｅｒ邋ｅｍｉｓｓｉｏｎ邋邐邋Ｌａｓｅｒ邋ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ邋Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ邋＾＿邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ邐Ｐｏｗｅｒ邋ｓｏｕｒｃｅ邋ｏｒ逡逑ｕａｓ邋ｒ邐—？邐ｃｏｎｔｒｏｌ邐ｃｏｎｔｒｏｌ邐ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ邋＾邐ｓｙｓｔｅｍ邐ｌｏａｄ逡逑＇ｖ．邐邋＂邐Ｖ邐【■邐邐邐邐Ｊ邋邐邋邐逡逑廣邐＼逡逑Ｅｎｅｒｇｙ邋ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ逡逑ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑Ｖ．邐邐邐／逡逑圖１．１邋ＬＷＰＴ系統(tǒng)組成示意圖逡逑ＬＷＰＴ系統(tǒng)涉及到光、電、控制等，其關鍵子系統(tǒng)有：逡逑（１）高能量轉換效率的激光發(fā)射系統(tǒng)逡逑激光發(fā)射子系統(tǒng)是ＬＷＰＴ系統(tǒng)的重要組成部分，其核心為激光器，用于傳輸能量逡逑的激光經(jīng)由激光器產(chǎn)生并發(fā)射，，最終照射在接收器上。為了保證系統(tǒng)盡可能高的電－光－逡逑電能量轉換效率

２００９邋年，美國邋Ｌａｗｒｅｎｃｅ邋Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ邋Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ邋提出了一種新的空間太陽能逡逑電站的實現(xiàn)方法［４］，并對其工程上需要解決的問題以及經(jīng)濟上的可行性進行了詳細分析。逡逑其系統(tǒng)概念圖如圖１．３所示，在近地軌道上，利用直徑為７０米的特殊反射鏡對太陽光進逡逑行反射和匯聚，輻照到光電轉換效率為４０％的輕薄光伏電池上產(chǎn)生電能，驅動電光轉換逡逑效率為５０％的激光器產(chǎn)生激光，激光經(jīng)過一個可折疊的激光衍射鏡［５］后匯聚到地面上的逡逑光伏器件表面進行光電轉換產(chǎn)生電能。空間中的系統(tǒng)每９０分鐘繞地球一圈，所以如果逡逑在地面上建立１０個接收站，那么每個接收站能夠接收到９分鐘的高功率密度的激光能逡逑量，能夠實現(xiàn)一個空間太陽能電站對地球上多個地點提供能量。文章還對系統(tǒng)的能量轉逡逑換效率、重量等問題進行了分析，并指出了今后的發(fā)展方向，對新型太空電站的實現(xiàn)有逡逑著重要的指導作用。逡逑２０１７年，高鳳彬等對空間中向地面發(fā)射的激光穿過大氣層的過程進行了具體分析。逡逑由于此時激光的功率密度極高
【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM914.4;TN249

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本文編號：2611235