[發明專利]一種自適應波前整形激光充電系統及其充電方法

有效

• 申請號: 201711115919.5
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107947393B
• 公開（公告）日: 2023-10-13
• 發明（設計）人: 陸健;李廣濟;王程民;孫浩;周廣龍;張宏超;孫玉祥
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H02J50/30
• 分類號: H02J50/30;H02J7/35;H02S40/22;H02S20/30;H02S50/10
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱沉雁

技術領域

本發明屬于激光無線充電技術，具體涉及一種自適應波前整形激光充電系統及其充電方法。

背景技術

近年來激光無線能量傳輸技術日益受到人們的關注，在軍用和民用領域都有較大的發展。作為能量的接收裝置，太陽能電池的設計也由原來的寬光譜轉變為針對特定光譜的太陽能電池。目前，用于激光能量傳輸的太陽能電池板一般是由多個太陽能電池單元通過串聯和并聯的方式組合而成，太陽能電池板所接收的能量密度是太陽常數的幾倍、幾十倍甚至上百倍，由于激光能量的類高斯分布或散熱不均勻等原因難免會出現太陽能電池板局部溫度過高的問題。太陽能電池本身對溫度比較敏感，而局部高溫會直接影響太陽能電池板的整體性能，不但會影響電池板的轉換效率，也會減少其使用壽命。

專利申請號：201610097652.0公開了一種《室內自動激光充電系統及方法》，該設計采用藍牙定位待充電設備的位置，再利用X軸和Z軸電機驅動激光發射器進行之字型低功率激光移動，以完成待充電設備的定位，進而完成充電。該方法不受距離限制，采用不可見波段傳輸能量不會造成光污染，但是該方案仍存在以下不足：1、沒有激光準直系統，沒考慮到光斑的尺寸；2、沒考慮當距離改變時光斑尺寸及形狀的變化；3、沒有考慮接收器上光斑能量的分布，以及高功率作用下接收器接收表面溫度分布不均勻問題。這些嚴重制約了電池從激光到電的轉化效率，另外該方案僅限室內應用，很難實現遠距離傳輸。

專利申請號：201510102715.2，公開了《一種無人機用無線激光充電設備及其充電系統》，該設計包括無線激光發射器基站和太陽能接收器，兩者通過無線網相互控制，無線激光發射器基站可以實現無人機的鎖定、跟蹤，實現對無人機快速充電。無人機上各檢測模塊可實現太陽能電池板溫度的檢測，輸出電壓電流檢測，防止由于激光功率過大造成的太陽能電池板溫度過高等，實現對系統的保護。該設計是一個開環操作，其中沒有考慮對激光束的波前的不均勻性，太陽能電池板表面溫度的控制。光照不均勻，可能會直接導致充電效率的下降甚至無電能輸出，該方案缺少對這種情況的操作，因而很難實現較高效率的輸出。

發明內容

本發明的目的在于提供一種自適應波前整形激光充電系統及其充電方法，可以有效解決太陽能電池板局部溫度過高或光照強度分布不均勻的問題。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種自適應波前整形激光充電系統，包括連續激光器、準直系統、云臺、太陽能電池板、計算機、變形反射鏡、紅外相機、電池輸出功率實時監測無線發射模塊和若干片貼片式溫度傳感器；連續激光器、變形反射鏡、準直系統和紅外相機均固定在云臺上，變形反射鏡位于連續激光器的出射光路上，準直系統位于變形反射鏡的反射光路上，太陽能電池板的前表面位于準直系統的出射光路上，若干片貼片式溫度傳感器以陣列形式粘貼在太陽能電池板后表面，電池輸出功率實時監測無線發射模塊將貼片式溫度傳感器的溫度數據和太陽能電池板的實時輸出功率采集后以無線形式傳給計算機，變形反射鏡和紅外相機分別與計算機連接，紅外相機的鏡頭對準太陽能電池板前表面。

所述連續激光器發出的激光經變形反射鏡反射到準直系統，經準直系統準直放大后，射到太陽能電池板的前表面上，云臺用于調節準直系統出射的激光束方向對準太陽能電池板，紅外相機采集太陽能電池板圖像，獲取表面光強分布數據，并傳遞到計算機，同時電池輸出功率實時監測無線發射模塊將貼片式溫度傳感器的溫度數據和太陽能電池板的實時輸出功率采集后以無線形式傳給計算機，計算機根據獲得的太陽能電池板的溫度、實時輸出功率及其前表面光強分布，自適應控制變形反射鏡，使太陽能電池板的功率輸出達到最佳。

基于自適應波前整形激光充電系統的充電方法，方法如下：打開連續激光器，連續激光器發出的激光經變形反射鏡反射到準直系統，經準直系統準直放大后，射到太陽能電池板的前表面上；紅外相機采集太陽能電池板圖像，獲取表面光強分布數據，并傳遞到計算機，同時電池輸出功率實時監測無線發射模塊將貼片式溫度傳感器的溫度數據和太陽能電池板的實時輸出功率采集后以無線形式傳給計算機，計算機根據獲得的太陽能電池板的溫度、實時輸出功率及其前表面光強分布，自適應控制變形反射鏡，使太陽能電池板的功率輸出達到最佳。