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CN107707039A - 用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器 - Google Patents

用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器 Download PDF

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CN107707039A
CN107707039A CN201711075256.9A CN201711075256A CN107707039A CN 107707039 A CN107707039 A CN 107707039A CN 201711075256 A CN201711075256 A CN 201711075256A CN 107707039 A CN107707039 A CN 107707039A
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CN
China
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photovoltaic
voltage
wireless charging
control array
group control
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CN201711075256.9A
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English (en)
Inventor
张立彬
何铁锋
潘国兵
胥芳
杨阳
欧阳康
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Zhejiang University of Technology ZJUT
Original Assignee
Zhejiang University of Technology ZJUT
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Publication date
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    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/30—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using light, e.g. lasers
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Abstract

一种用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器，包括光伏电池、稳压系统、显示系统以及便于电路构成的可插拔多通道并联连接器和串联连接器，每个光伏电池均与配备的相应稳压系统、显示系统连接，光伏电池之间通过所述并联连接器或串联连接器连接形成支路，支路之间通过并联连接器或串联连接器连接形成光伏群控阵列接收器的电压输出端。本发明提供了一种体积小、效率高，可靠性高、电路结构简单的用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器。

Description

用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器
技术领域
本发明属于光伏接收器领域，涉及一种光伏群控阵列接收器。
背景技术
无线能量传输技术是一种通过真空或空气介质传播电磁波以实现电能传输的技术，目前对于长距离的能量传输而言，激光和微波被认为是最有应用前景的两种传输载体。微波由于其波长介于无线电波和红外线之间，因此穿透性较好，适合于远程传输，但发散角较大，需要设计复杂而庞大的发射和接收装置才能实现定向传输，因此不太适用于移动用电设备。激光由于具有单色性好，方向性好，能量集中等优点，不需要额外的结构设计就能实现高功率光能集中发射并在极小的空间范围内被接收，所以该无线能量传输技术具有传输距离远，传输效率高，接收装置小等优点。
激光无线能量传输技术是以激光束作为能量传输的载体，以光伏接收器来实现光电转换，从而达到能量的远距离无线传输的目的。通过该无线能量传输技术可为没有阳光照射的月球车提供能量；为用于战场监视的无人机远距离提供能量；为处于危险地带的救援机器人提供能量；为行进中的巴士车提供动力；甚至可以为如手机等日常所使用的电子产品提供无线充电。
但激光光强分布不均匀，导致光伏接收器效率低下，主要是激光束本身能量分布的不均匀性和大气的影响。通常激光无线能量传输技术采用的激光束为高斯光束，光束本身存在能量分布不均的问题，而且大气湍流作用下，由于随机相位的叠加，会造成激光束能量分布的随机性，这种激光能量分布的不均性就会导致光伏接收器的电能输出效率的降低。
常见如串联电路中的光伏电池在受到不均匀光照时，各个光伏电池接收的光强不同，光生电流大小不同，串联电路的电流受限于光生电流最小的光伏电池，导致能量的损失，甚至造成光伏电池的损坏。同理并联电路中的光伏电池受到不均匀光照时，各光伏电池接收的光强不同，就出现光生电压大小不同，使得并联电路的输出电压取决于电压最小的光伏电池，这两种方法均不能满足实际需要。
发明内容
为了克服已有激光无线充电系统中由于激光能量分布不均匀导致光伏接收器的效率低下、可靠性不高、电路结构复杂等不足，本发明采用光伏电池串并联的连接方式，提供了一种体积小、效率高，可靠性高、电路结构简单的用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器，所述接收器包括光伏电池、稳压系统、显示系统以及便于电路构成的可插拔多通道并联连接器和串联连接器，每个光伏电池均与配备的相应稳压系统、显示系统连接，光伏电池之间通过所述并联连接器或串联连接器连接形成支路，支路之间通过并联连接器或串联连接器连接形成光伏群控阵列接收器的电压输出端。
进一步，所述光伏群控阵列接收器采用平板式光伏接收器结构，由多个的光伏电池单元组成。
再进一步，所述光伏电池采用平板式多晶硅、单晶硅、GaAs材料的太阳能电池板，其带隙宽度和808nm波长激光匹配。
所述稳压系统由直流串联稳压系统构成，采用超小型升/降压控制器芯片，输入0.9V-5V任意直流电压，能获得稳定直流电压输出。
所述显示系统采用0.36寸数码管，实时监测光伏电池的输出电压和电流数据，便于掌握激光光强分布情况，从而在激光远距离无线充电前，为构建最佳光伏接收器结构提供可靠依据。
本发明提出的用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器采用每个单元的光伏电池都配有稳压电路和开路电压显示系统，稳压系统用于稳定光伏电池单元的输出电压，降低最高输出电压和最低输出电压的差值，提高光伏接收器的输出效率。显示系统便于掌握激光光强分布情况，从而在激光远距离无线充电前，为构建最佳光伏接收器结构提供可靠依据。
采用具有相近电压值的单元并联，用于提高组合电路的输出电流，再选取适当的这种组合电路进行串联提高输出电压值，使得光伏接收器形成多个近似电压和电流输出值的组合电路，以解决由于激光能量分布的不均性导致光伏接收器的电能输出效率的降低的问题。此组合式光伏接收器具有体积小、效率高，可靠性高、电路结构简单等优点，相比采用光学手段提高激光光强均匀性具有成本低、安装精度低，节约空间等优势。
本发明的有益效果主要表现在：
1、采用电路组合的方式，解决由于激光能量分布的不均性导致光伏接收器的电能输出效率的降低的问题。相对于采取光学整形器和衍射光学元件等方法，具有成本低、效果好、使用方便、调整精度低等优势。
2、采用由多个光伏电池单元构成群控阵列平板光伏接收器，结构简单，体积小，使用方便，便于安装。同时可快速的拼接和加大光伏接收器尺寸，提高输出总功率。
3、采用每个光伏电池单元都配备稳压系统，用于升高过低输出电压和降低过高输出电压，保证个光伏电池单元之间的输出电压差值范围内变小，提高光伏接收器的输出效率。具有体积小、功率密度大、效率高，可靠性高、电路结构简单、功能完善等优点。
4、采用显示系统检测光伏电池的电压和电流数据，便于掌握激光光强分布，为激光远距离无线充电的最佳接收器电路的构建提供可靠准确的数据。具有损耗小、启动电源低，可测量电压和范围宽，无需另外电源供电，测量精度高等特点。
5、技术人员可根据显示系统输出值，选择相近的输出电压电路并联，以提高组合电路的输出电流；相近的输出电流电路串联，提高总的输出电压值的方法，保证电路总的输出损失不大，激光无线传输效率获得提高。
6、采用可插拔的多通道连接器的方式，可以方便、快捷的组合各个光伏电池单元，保证各个组合电路具有相似电压和电流输出值，有助于构建光伏接收器结构，精准有效的获得高输出功率，提高激光无线充电的使用效果。
7、基于尽量保证各个组合电路的输出电压、输出电流近似的原则，通过不断的并联或者串联各个光伏电池单元，解决由于激光能量分布不均匀性导致光伏接收器产生的光生电压和光生电流值不同，串联电路的电流受限于光生电流最小值，并联电路的输出电压取决于光生电压最小值，电流、电压损耗严重导致的电能输出效率低下的问题。
附图说明
图1是用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器的示意图。
图2是光伏接收器电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器，包括光伏电池1、稳压系统2、显示系统3以及便于电路构成的可插拔多通道并联连接器4和串联连接器5。
光伏电池1采用平板式多晶硅、单晶硅、GaAs材料的太阳能电池板，其带隙宽度和808nm波长激光正好匹配，具有很高的光电转换效率。光伏群控阵列接收器采用平板式光伏接收器结构，光伏接收器由多个的光伏电池单元组成，如图1中所示为9个平板式光伏电池构成，也可由其他数量的光伏太阳能板构成，具有结构简单，体积小，使用方便的特点。
稳压系统2由直流串联稳压系统构成，采用超小型升/降压控制器芯片，输入0.9V-5V任意直流电压，能获得稳定直流电压输出，具有转换效率高、体积小、功率密度大、可靠性高、电路结构简单、功能完善等优点，可安装于体积小的光伏电池上。光伏接收器上的每个光伏电池单元配备一个，如图1所示结构则有9个稳压电路板。用于降低受到照射光强较高的光伏电池单元输出电压，以及升高受到照射光强不足的光伏电池单元输出电压，从而降低两者之间的输出电压差值，提高光伏接收器的输出效率。
显示系统3可实时监测光伏电池的输出电压、电流等数据，便于掌握激光光强分布情况，从而在激光远距离无线充电前，为构建最佳光伏接收器结构提供可靠依据。采用0.36寸数码管，损耗小、启动电源低，可测量电压和范围宽，从2.7V到7V，无需另外电源供电，直接使用受测电压作为电源，测量精度高，测量误差为±0.01v。显示系统可在光伏接收器组合好后，切换成不再使用显示电压及电流等数据，或者从光伏接收器中移出，减少对光生电流的损耗。
技术人员可根据显示系统输出值，选择相近输出电压值并联，以提高组合电路的输出电流值，如图2所示，根据激光光强分布情况，光伏电池5位于光斑中心位置，具有最强的光强，获得的光生电压和光生电流也是最大，经过稳压系统后，输出相当稳定的最高电压值。
光伏电池2、4、6、8位于光斑中间位置，光强照度属于中等强度，所产生的光生电压、电流值略低于最高值。如图2所示，把光伏电池2、6与4、8分别并联起来形成两个并联组合电路，各组合电路中电压为两光伏电池中最低值，但光伏电池2、6、4、8所处激光光斑位置相似，获得的光生电压相差不大，即使以最低电压作为输出值，所产生的电能损耗也不大。组合电路中电流是两光伏电池相加得到，使得组合电路中电流获得接近二倍的输出，大大提高电路的输出电流。
如图2所示，用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器中组合电路2、6和组合电路4、8电流经过并联得到各自升高后，再将两个组合电路串联起来，总输出电流为两者之中的最小值，但两值相近似，所以能量损失不大，而总输出电压则为两者的相加值，这样就提高了组合电路的电压值，适当的稳压升压后将进一步降低与光伏电池5的输出电压差值。
如图2所示，用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器中光伏电池1、3、7、9位于光斑边缘，所获得的光照强度明显下降，产生的光生电压和光生电流也是最小的。但也可按照光伏电池2、4、6、8的方式，经过并联和串联，提高组合电路的输出电压值和电流值，最后经过稳压进一步减小与其他模块组合的电压差。
还可以根据光伏接收板和激光分布的实际情况，进行3个、4个等多个光伏电池的并联或者串联组合，保证最后形成各个组合电路具有相似电压和电流输出值，以解决由于激光能量分布的不均性导致光伏接收器的电能输出效率的降低的问题。
所述光伏电池5、组合1、3、7、9与组合电路2、4、6、8可根据所需电压电流值，通过并联、串联构建具有最佳输出效率的光伏接收器电路结构。
采用可插拔的多通道的并联连接器4和串联连接器5，便于各个光伏电池之间的组合。只要插拔连接器之间的连线，就可以快速、简便的构建各种不同的组合电路，保证各个组合电路具有相似电压和电流输出值。

Claims (5)

1.一种用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器，其特征在于：所述接收器包括光伏电池、稳压系统、显示系统以及便于电路构成的可插拔多通道并联连接器和串联连接器，每个光伏电池均与配备的相应稳压系统、显示系统连接，光伏电池之间通过所述并联连接器或串联连接器连接形成支路，支路之间通过并联连接器或串联连接器连接形成光伏群控阵列接收器的电压输出端。
2.如权利要求1所述的用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器，其特征在于：所述光伏群控阵列接收器采用平板式光伏接收器结构，由多个的光伏电池单元组成。
3.如权利要求1或2所述的用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器，其特征在于：所述光伏电池采用平板式多晶硅、单晶硅、GaAs材料的太阳能电池板，其带隙宽度和808nm波长激光匹配。
4.如权利要求1或2所述的用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器，其特征在于：所述稳压系统由直流串联稳压系统构成，采用超小型升/降压控制器芯片，输入0.9V-5V任意直流电压，能获得稳定直流电压输出。
5.如权利要求1或2所述的用于激光远距离无线充电的光伏群控阵列接收器，其特征在于：所述显示系统采用0.36寸数码管，实时监测光伏电池的输出电压和电流数据，便于掌握激光光强分布情况，从而在激光远距离无线充电前，为构建最佳光伏接收器结构提供可靠依据。
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