带有改进的非成像光学器件的激光无线功率传输

在最近发表在《太阳能》杂志上的一篇文章中，研究人员讨论了在激光无线电力传输（LWPT）中通过使用非成像光学技术增强光伏（PV）接收器的问题。

研究： 通过非成像光学技术对激光无线电力传输中的光伏接收器进行改进。图片来源：Bk87/Shutterstock.com

激光无线电力传输（LWPT）
在无线能量传输领域，如在轨空间控制、航天器传感器网络、卫星对卫星通信和电力传输、地对地、地对空、地对无人飞行器（UAV）等，LWPT系统有广泛的潜在应用。到目前为止，聚光光伏（CPV）已被运用于太阳能，作为减少光伏尺寸同时仍能提高效率的方法。透镜和聚光器对于重塑和引导激光束向光伏发电的方向是至关重要的，在错位的情况下，激光束的光斑往往显示为高斯分布，而且激光在某种程度上必须与光伏电池或阵列的尺寸匹配。

近年来，使用可再生能源来取代煤厂并实现零排放，提高了人们对电能的兴趣。照射式电力传输的概念，也被称为LWPT，描述了如何在不使用铜缆或光纤等物理管道的情况下将能量从一个地方传输到另一个地方，只采用激光技术进行光放大。根据其强度，激光束在失去相干性并最终失去边缘之前可以传播很远的距离。高能量通量密度、改善特定指向性的性能、提高转换效率、延长传输距离等都是LWPT的好处。

LWPT系统的关键技术挑战是开发高效的接收器，采用特定的光伏板，在激光穿过大气层后，经常与光学聚光器相配，以提高光学效率。低激光束接收效率是LWPT系统的另一个挑战，因此它依赖于光伏技术及其带来的进步。

LWPT中的交叉复式抛物面聚光器
在这项研究中，作者使用了一种常见的非成像光学装置，称为交叉复合抛物面聚光器（CCPC），它有助于增加来自不同入射方向的激光束的传输，以改善LWPT接收器的输出性能。基于非线性回归的参数和实验研究，解决了激光功率下CPV模块的多场特性。与LWPT接收器类似，CPV模块和单个太阳能电池的多场性能也得到了研究。同时还提供了LWPT系统设计和优化的重要参考。

该团队提出了一种新型的非成像光学装置，以提高LWPT接收器在不同激光束发生率下的光学效率，因为在长距离光束传输过程中，接收辐射和矢量会大幅波动。建立了一个实验平台，从单二极管光伏电池的多变量参数回归模型中提取系数，用于解决CPV模块在不规则接收激光辐照度下的I-V特性。然后，对CPV模块和单体光伏电池的光热电性能进行了全面检查和比较。

还研究了LWPT系统的关键结构因素的影响，如传输距离、发散半角、旋转角度和错位距离。利用计算和实验方法，目前的研究考察了CPV接收器在LWPT应用中的多场性能。使用LWPT实验平台进行了多变量参数回归，从具有单二极管等效电路的光伏电池中提取许多参数。

实验观察和结果
根据观察，多场性能和LWPT转换的最关键变量是传输距离、发散半角、旋转角度和错位距离。系统的有效性受到任何激光束反射或障碍物的影响，如云层、水滴和灰尘等等。如果激光器和接收器之间由于某种原因出现错位，激光束的发散，没有充分的准直和巨大的距离，会影响能量转换。在最坏的情况下，效率可能降至零。

在CPV技术的帮助下，光伏板的效率可以提高，每个光伏阵列产生的能量可以乘以几个数量级。用于拟合I-V数据的回归参数，其强度从2365.08 W/m2到3468.79 W/m2不等，与测试数据密切相关。拟合的均方根值只有0.00432，这证明了仿真建模方法的有效性。与光伏电池前最广泛使用的凸透镜相比，CCPC实现了更高的光学效率，在广泛的旋转角度范围内更加稳定。在所有可能的传输距离和旋转角度下，我们发现使用CCPC的CPV模块的光学效率明显高于裸露的光伏电池。

由于光伏电池的母线和发射器的不对称结构，作为LWPT系统中能量收集的关键部件，光学效率的变化趋势是不一样的。此外，还研究了错位距离，这表明错位无疑会影响接收的光功率。根据传热数据，温度分布直接符合光学辐照度的趋势。光线的汇聚是由CCPC的内部反射实现的，这也增加了当地的峰值温度。由于固体材料的导热性很强，在所有情况下的温度变化都相当小。

电压/电流分布和I-V曲线都与电气性能有关进行了检查。研究发现，光辐照度的不均匀性，即基于半导体光电反应的线性和对数线性关系，对电流和电压的分布有很大影响。在没有聚光器的情况下，当距离或旋转角度增加时，随着更多的射线辐射到外面，短时电流和转换功率下降。短路电流（Isc）、功率（Pm）和填充系数（FF）对CPV接收器有明显的改善，特别是当旋转角度不大于30°时。

结论
总之，这项研究为LWPT系统中的CPV接收器在决定适当的传输距离、旋转角度、错位等方面提供了有益的指导。

作者提到，今后将更详细地研究各种几何尺寸和聚焦模块的多场耦合特性，以及串联-平行的复杂CPV接收器，并将其应用于负载。
扩展资料

Xian-long, M., Yi-Chao, H., Bei, L., et al. Improvements of PV receiver in laser wireless power transmission by non-imaging optics. Solar Energy, 255, 157-170 (2023).  https://doi.org/10.1016/j.solener.2023.03.016