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高浓度光伏电池实现高功率激光功率传输

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激光功率传输包括激光源通过自由空间(功率辐照PB)或光纤电缆(光纤传输功率PoF)向光伏接收器传输功率。光伏接收器包括光伏电池或光伏电池阵列,通过优化设计将特殊激光波长转换成高效率(30%,最高达50%)的电能。一些用途包括远程启动无人驾驶飞机(UAVs)、危险环境或远程遥感器应用。

MH GoPower (MHGP)生产的高性能硅基垂直多结(VMJ)光伏电池可以实现高瓦激光功率输出。VMJ光伏电池的3D设计在高瓦激光功率传输期间通过使用硅的整体性质控制热度,包括散热翅片集成在设备上。本文我们探讨了自由空间PB和PoF的应用和价值定位,并概述了高性能VMJ光伏电池的技术。

与电池提供动力相比,自由空间PB的优势包括增加运行时间、缩短或消除再充电事故、有潜力减少重量。无人机的飞行时间理论上可以延长至无限期限,只要功率辐照在无人机的光伏接收器上并转换为电力超过实际动力使用量。通过延长飞行时间,就可以减少着陆再充电对操作敏感性和技术风险调遣的需求。此外,如果演唱飞行时间是必要的,宁愿连接附加电池也不愿增加无人机的重量,可以部署一块超轻光伏接收器来实现延长持续时间的要求,这也可能允许更多的有效荷载能力。

光纤传输功率比电缆传输有几个优势:通过电缆输送功率更容易受到RF和磁场的干扰,会引发电涌或信号异常现象进而损坏设备造成系统不可靠。此外,铜线为避免雷击采取接地路径会诱导高电压或绝缘性差的环境下的电火花。而激光传输就不会遇到上述问题。

受益于这些优点的应用例子包括传感器及在危险环境下运作的设备,还有暴露在恶劣天气下的设备,如室外视频监视摄像机等,以及要求噪声管抗扰的设备(医疗监控设备和军事应用)。

激光功率传输应用主要受到系统成本的限制,这些成本是按照每输送一瓦电力的成本来计算的,缩小器件尺寸和提高效率推动了激光系统每瓦电力成本的大幅下降,预计还会继续下降。然而,激光器只是激光功率传输解决方案成本构成的一部分,其他的关键器件还包括光纤(PoF需要)、光学器件和PV接收器(单元阵列)子系统。

对于PoF系统,光学器件是整个系统成本的一小部分。然而,对于自由空间PB,聚焦光学器件成本随着应用距离的增加而增加,鉴于透镜尺寸的增大。因此,光学器件的成本能够支配自由空间PB系统的成本,这也成为限制其应用范围的主要因素,几公里范围的应用在经济成本和技术层面都是可行的。同样地,对于PoF应用, 光纤成本支配远距离传输的成本,通常是几公里以上限制实际应用。

最后,PV接收器功率密度在激光功率传输解决方案的可行性方面起到显著因素。为了最终降低系统成本,需要更高的接收功率密度,可以通过以下两种方式实现:1) 提高激光器的功率,从而增加PV接收器上的光强度;2) 提高PV接收器的接收效率。

在第一种情况下,增加激光器的功率可以将每瓦增加成本降到一个点,例如,在自由空间UAV应用中,追踪硬件和软件、激光器安装硬件、光学器件、UAV和接收器的尺寸都是固定的,因此增加激光器的功率不会抬高这些系统的成本。事实上,这可能意味着需要更小尺寸的电池来进一步降低因增加额外功率而造成的成本提高。因此,只要PV接收器在提高激光强度时表现良好并且可以很好控制热量,提高激光光源的功率就是有利的。

在第二种情况下,改善PV接收器效率会使给定PV接收器输出更多功率并使系统成本平衡,或者说,这种情况允许使用较低功率和较低成本的激光系统。更高效PV接收器意味着有较少能量浪费耗散,结果是电池可以操控冷却器(正性能反馈环)或者使用较轻重量散热器降低成本。高效PV接受器的另外一个优势是可以提高整个系统的效率,这对于有些应用来讲在成本和操作方面都是很重要的。