[發明專利]一種激光-電能量轉換器

有效

• 申請號: 201310197127.2
• 申請日: 2013-05-24
• 公開（公告）號: CN103337542A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 張海洋;何滔;趙長明;楊蘇輝;徐鵬;郝嘉胤;王華昕
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01L31/052
• 分類號: H01L31/052;H01L31/0224
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 付雷杰;仇蕾安

技術領域

本發明涉及空間激光無線能量傳輸領域，具體涉及一種激光-電能量轉換器。

背景技術

航天事業的發展以及新能源技術的開發，使得航天器體系結構越來越大，航天器之間的能量傳輸和信息交互也越來越受到重視。2007年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）技術部（TTO）將分離模塊概念遴選為正式研究項目，命名為“F6系統”。2009年，DARPA將F6項目的第二階段合同授予軌道科學公司，開始進行系統的詳細設計及仿真。該系統由多個“模塊航天器”組成，每個模塊航天器有各自的任務功能，可以獨立制造及發射，在軌運行時通過無線信息及能源交換將分散的模塊功能和資源高效的結合在一起，使得航天器體系更加靈活，發射風險、成本低，提高了系統的壽命和可靠性。其中無線能量傳輸技術為“F6”的關鍵技術之一。1997年，日本H.Yugami等人做過激光能量傳輸的場地實驗，發射端選用CO2連續激光器，測試過程中最大激光功率為25W，通過口徑為150mm離軸拋物面鏡進行激光準直，傳輸距離為500m，接收端使用150mm離軸拋物面鏡進行會聚，用功率計直接接收并測量激光能量為15W，最終激光-激光的傳輸效率為60%；同時測試了808nm的半導體激光器照射尺寸為2×2cm2單結GaAs電池芯片，激光-電轉換效率為40%。2002年，SternsieK和Schafer進行了地面激光能量傳輸的實驗。他們用Nd:YAG全固態激光器倍頻輸出532nm的激光來驅動裝備有光伏電池的小車，傳輸距離為30～300m，激光功率為5W，光伏電池的材料為InGaP,激光-電的轉換效率為25%。2006年，日本Kinki大學利用波長為808nm光纖耦合半導體激光器，激光功率為200W，給裝配有光伏電池的風箏、直升機激光供能，激光器電-光轉換效率為34.2%，光伏電池組件由30片4×7cm2的GaAs電池芯片組成，激光-電轉換效率為21%，總的電-光轉換效率為7.2%。2012年，NASA利用望遠鏡系統傳輸8kw連續激光驅動太空電梯，用硅基光伏電池陣列粘附在電梯（climbers）上。激光器為光纖輸出的半導體泵浦固體激光器，波長1030nm，由333片2×2cm2單晶硅芯片組成光伏電池陣列，單個單晶硅電池的轉換效率為35%。現階段激光-電能轉換器存在部分問題。單片光伏電池芯片電壓太低，且輸出電功率偏低。部分前人的研究成果采用陣列串聯方式增大輸出功率及電壓，存在激光光斑照射不均勻的電流匹配問題。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種激光-電能量轉換器，能夠在保證光伏電池芯片組輸出較高電能量及光電轉換率并輸出高電壓電能的前提下，使得轉換器均勻接收激光能量，從而達到光伏電池芯片組輸出電流匹配。

本發明的一種激光-電能量轉換器，包括透鏡、調節模塊、光伏電池芯片模塊和散熱裝置，其中，所述透鏡通過所述調節模塊安裝在所述光伏電池芯片模塊的正前方；所述調節模塊用于調節透鏡到光伏電池芯片模塊的距離；所述散熱裝置安裝在光伏電池芯片模塊的后方；

所述光伏電池芯片模塊包括陶瓷基板、弧形電極、光伏電池芯片和銅片：

所述光伏電池芯片有N片，均為扇形，其激光接收面定義為正面，另一面定義為背面；

所述銅片為扇形，有N片，每片銅片與光伏電池芯片具有相同的圓周角，銅片的半徑大于光伏電池芯片半徑；

所述N片銅片安裝在陶瓷基板的表面，并且以陶瓷基板的中心為圓心，形成圓形，相鄰兩銅片間留有間隙；所述光伏電池芯片同心安裝在銅片的表面，其背面與銅片電連接，所述銅片作為與其相連的光伏電池芯片的負極；所述弧形電極對應鋪設在每片光伏電池芯片弧形邊緣的內側，作為該光伏電池芯片的正極引出；所述每片銅片、其上的光伏電池芯片以及對應的弧形電極組成光伏電池芯片組；

所述其中光伏電池芯片組中的一個銅片作為轉換器的輸出電源的負極引出，與其相鄰的光伏電池芯片組中的弧形電極作為轉換器的輸出電源的正極引出；除作為輸出電源正極的光伏電池芯片外，從作為輸出電源負極的光伏電池芯片開始，光伏電池芯片中弧形電極與相鄰的下一組中的銅片通過導線相連，作為輸出電源正極的光伏電池芯片中的銅片與最后一組中的弧形電極通過導線相連，以此將相鄰兩個光伏電池芯片的正、負極串聯起來；

作為輸出電源正極的光伏電池芯片組中的銅片未被覆蓋部分開有矩形孔，該矩形孔與陶瓷基板表面形成矩形的絕緣槽，絕緣槽內放置尺寸小于該槽的正矩形電極，正矩形電極與所在光伏電池芯片組中對應的弧形電極通過導線相連；

所述N為大于或等于4的偶數。

所述N取4，6或8。