高功率激光电池输出特性仿真分析

2021-06-30张兵刁鸣贾巍

长春理工大学学报（自然科学版） 2021年3期

张兵，刁鸣，贾巍

（1.哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001；2.中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州 450047；3.上海空间电源研究所，上海 200245）

无线能量传输采用非接触的方式实现电能传输，从传输方式可以分为三个大类：电磁感应、电磁辐射、电磁共振。无线电波、激光、微波以及超声波均属于电磁辐射式无线传能技术，电磁感应和无线电波的传输距离相对较近，微波和激光的能量传输距离较远。

激光无线传能系统利用光电效应，结合高精度光束指向瞄准技术，以高能量激光束作为能量载体，经准直光学系统发射，在远端利用激光电池阵列将光能转化成电能，实现对用电设备的非接触供电，是空间传能任务中实现长距离无线传能的主要手段。在航天器应急维护、全天候月面探测、长航时无人机供能、空间太阳能发电站、电网无线能量传输等领域有广泛的应用前景［1-4］。

激光电池是进行激光无线传能的重要核心部件，近年来美国、日本、欧洲等国相继开展了激光无线能量传输技术的研究。德国开展激光驱动小车行驶的验证实验［5］。美国国家航空和宇宙航行局的马歇尔空间飞行中心首次利用激光对15 m以外微型飞行器表面的光电池进行照射，实现对微型发动机供电从而保证其正常工作［6］。日本采用808波长半导体激光器给装有激光电池板的小型风筝供能，使其实现50 m高度超一小时持续飞行［7］。欧洲宇航防务集团的研究者们实现了为与激光器相距250 m远、长度为20 cm的微型船“漫步者”进行电能源供给［8］。美国NASA采用波长1 030 nm激光照射装备在太空天梯底部的Si基激光电池阵列，驱动太空天梯在0.1～1.1 km高空稳定运行［9］。国内在激光传能系统研究方面起步较晚，但在大功率激光器、高斯光束整形、高效率光伏电池设计与研制等关键领域已形成良好的技术积累。

低功率激光电池能够实现对小型传感器的供电，但是随着传能需求的增加，高功率、高效率的激光传能器件需求日益迫切。本文主要研究大功率输出的激光电池的设计方法，通过仿真分析，研究激光功率密度、激光温度等对激光电池电性能的影响，并设计了高功率密度激光光束，为工程化研制奠定基础。

1 激光电池原理

与太阳能电池不同，激光电池只针对某一个特定波段进行光电能量转换，充分吸收激光能量，具有转换效率高、远距离能量传输、不受环境影响等特点。本文选择808 nm激光波段进行光电转换，与常规的采用多片级联获取大功率输出功率的光电池不同，设计大尺寸单片式激光电池，直接实现大功率电输出。GaAs激光电池以Ge单晶材料为衬底，以MOCVD技术外延GaAs等薄膜，正背金属为TiPdAgAu电极，并蒸镀Al2O3/TiO2的减反射膜。GaAs激光电池既具备较高的机械强度，又能兼具GaAs电池的高转换效率、强耐辐照性能和强耐高温性能的优点，可显著提高质量比功率。电池结构如图1所示。

图1 GaAs/Ge激光电池结构示意图

激光功率密度分别为50、100、200、…、900 mW/cm2，GaAs激光电池在不同激光功率密度下的输出特性如图2所示。

图2 不同激光功率密度下电池的输出特性曲线

从输出特性可以看出，激光电池随激光功率密度的增加，其激光电池的电流不断增大，电压则先增大，后趋于稳定，而光电转换效率则有所下降。因此，本文对808 nm高功率GaAs激光电池的输出特性参数进行仿真计算，分析了温度、激光功率密度等对输出功率的影响，为大功率激光电池研制提供依据。

2 仿真分析

2.1 激光功率密度对电池的输出特性仿真分析

GaAs激光电池等效电路如图3所示。

图3 激光电池等效电路图

利用传粉算法提取电池参数，目标函数为均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE），误差函数J(VL,IL,X)是计算电流与所测电流的差值，表达式为：

式中，VL、IL分别为实验所测电压与电流值；Iph为光生电流；IS为反向饱和电流；其RS、Rsh分别为串联电阻和并联电阻；n为理想因子。

目标函数RMSE为：

利用传粉优化算法提取激光电池的电参数，所计算的目标函数RMSE都在0.387 mA以下。

图4为激光电池短路电流随激光功率密度的变化关系，点图为实验结果，曲线为直线拟合结果，图中方程为拟合函数。可以看出，随着激光功率密度的增加，短路电流呈线性增加，增加速率约为6.8 mA/（mW/cm2）。图5为激光电池开路电压随激光功率密度的变化关系，激光功率密度为50 mW/cm2时，开路电压为0.95 V，随着激光功率密度的增加，开路电压先迅速增加然后趋于饱和，最后接近1.05 V。短路电流和开路电压随激光功率的变化关系与太阳光照射下有相似的结果。

图4 短路电流随激光功率密度的变化关系

图5 开路电压随激光功率密度的变化关系

图6给出了激光电转换效率随激光功率密度的变化关系，转换效率是太阳能电池输出最大功率与入射激光功率的比值，而短路电流与激光功率密度呈线性关系，因此，短路电流与转换效率的改变没有直接关系。由图6可以看出，转换效率随着激光功率密度的增加，先增加后减小，在100 mW/cm2附近转换效率达到最大值46.6%。当激光功率密度较小时，串联电阻和理想因子都较小，接近理想情况，限制转换效率的主要因素是开路电压，随着开路电压的增加，转换效率随之增加。而随着激光功率密度增大，激光电池串联电阻和反向饱和电流不断增加，反向饱和电流但开路电压几乎不变，导致转换效率下降。

图6 转换效率随激光功率密度的变化关系

2.2 大功率激光电池温度特性仿真

在激光长时间辐照下，激光电池的温度会先迅速升高，然后稳定在一较高的温度，达到热平衡状态。对GaAs激光电池，温度的影响：

温度对电池性能的影响是很大的。温度每升高1℃，对GaAs电池来说，Voc约下降0.19%。理想的填充因子取决于用归一化的Voc的值，所以填充因子也随温度的上升而减小。Voc的显著变化导致输出功率和效率随温度的升高而下降，电池的温度每升高1℃，输出功率将减少0.11%。

对激光电池进行热场分析，光源功率100 W，环境温度设置为20℃，如图7和图8所示。在没有散热和控温情况下，模组温度范围367.8℃～429.1℃，其中高温部分主要集中在电池位置，激光电池输出功率下降了近40%。而通过增加散热和控温安装板，则激光电池的最大温度降为43.2℃，如图8所示，散热效果明显从而保证激光电池的转换效率。

图7 60 mm×60 mm激光电池（无散热和控温）温度场分布图

图8 60 mm×60 mm激光电池（有散热和控温）温度场分布图

温度仿真表明，随着温度增加，激光电池输出功率会降低，热积累增加，并且随着热量快速积累，极有可能导致电池芯片由于受热不均匀发生碎裂，因此大功率激光电池在研制过程中，必须注意散热，严格控制电池温度，以达到较高的转换效率及较长的电池使用寿命。

2.3 大功率激光光束匀化仿真分析

通常激光光束呈非均匀分布，通常为高斯光束或者多模分布。而激光的均匀性对激光电池的输出功率有着重要的影响。因此，为了得到较高的转换效率需要对激光的能量分布进行整形和扩束。

激光电池的匀化可以采用两种方式。激光器单模高斯输出，利用专门设计的二元光学器件可以得到较好匀化波型，但是仍然克服不了中心的亮点，特别是光束并不是严格的高斯分布时，匀化效果会比较差。因此，激光器使用单透镜进行准直，然后耦合进入直径10 mm六角导光棒进行匀化，光路如图9所示。

图9 激光光束匀化图

一般来说，方棒系统导光棒越长，匀光效果越好，但是随着反射次数增多，光能传递效率下降；经过试验可知，一般光束在方棒内反射3次以上即可达到较好的匀光效果，多次反射之后，在方棒出射面形成类似阵列分布光源实现匀光。导光棒输出端强分布十分均匀，但口径只有10 mm，为了得到直径60 mm以上的平顶光束，需要使用中继光学系统对光源进行传输和放大；效果比较好的中继光学系统可以选用双远心光学系统，可以约束光束相对接收面入射角度在1.5°以内，但是远心系统光学口径较大，输出透镜口径约在110 mm以上。因而，本文选择非远心系统进行光束传递，适当增加光学系统工作距离，约束激光入射角度在5°以内，如图10所示。

图10 中继光学系统示意图

将光学系统参数输入Lighttools软件进行匀光效果雁阵，入射光源经过准直后开始仿真，光束按照直径17 mm基模高斯光束进行设置，匀光效果仿真示意图如图11所示。最终工作面光强分布如图12所示，图13是对工作面线扫描得到的光强分布曲线。经仿真计算，激光光束工作面最高功率密度可达3 000 mW/cm2，不均匀度小于9.1%。