激光供能技术的研究现状和发展

郑立 郑文斌 刘占元 潘捷凯

【摘 要】尽管近年来电池技术有了很大的进步，但是相对用电设备寿命来说，其配置的电池续航能力相对较短，不能长期为用电设备供电，成为物联网、无人机等领域的技术瓶颈。自发电和无线充电技术能够源源不断地给电池充电，是解决电池续航短问题的有效途径。文章分析了激光无线供能技术中激光供能系统的各组成部分的研究现状，重点研究了影响激光能量传输效率的关键因素，对比分析了在激光照射下各种光伏电池的性能，发现砷化镓（GaAs）电池在激光供能领域具有显著的优势，分析了目前激光供能在高功率激光、长距离传输、目标跟踪等领域存在的技术挑战。

【关键词】激光供能;光伏电池;无线传感网络;能量收集

【中图分类号】TN249 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）02-0028-03

0 引言

近年来，物联网、无人机、可穿戴设备等技术领域有了很大发展，这些领域的设备通常由电池供电，能够无人值守自主工作。然而，电池的续航时间远小于系统用电设备的使用寿命，一旦电池耗尽，大量的节点电池需要充电或者更换，会大大提高工作人员的工作量。因此，电源的续航时间短的问题始终是限制这些自治系统有效应用的技术瓶颈。

针对此问题，目前有两种解决方案：一种使用能量收集技术，另一种是无线充电技术。能量收集技术是将应用环境中的振动能、风能、太阳能和温差等形式的能量转化为电能，是一种自发电技术[1]。然而，环境中的这些能源并不能持续且稳定地供能，不能保证系统工作的可靠性。无线充电技术将能量以电、磁、微波、超声波、激光等形式传输给应用接收端[2]，这种方式能够根据节点的功耗需求传输足够的能量，保证节点持续稳定工作。

激光以光能的形式传输，功率密度高，传输距离远，抗电磁干扰性能优良，方向性好，应用于高电压、强电磁、静电、易燃易爆等恶劣环境中有显著的优势。早在1992年，ABB公司就开始研究电子式电流互感器的激光供能技术，实现了高压线的电流监测，现已逐渐代替传统的CT取电的电流互感器。同一时期，美国国防部和NASA開始测试为卫星供能的激光供能技术[3]。2001年，Parise等人利用200 W的激光成功驱动了月球探测机器人。美国激光驱动公司将几百瓦的激光传送到1 km外的无人机上。2005年，NASA的马歇尔空间飞行中心首次用功率为500 W、波长为940 nm的激光器对15 m外的微型飞行器提供6 W的电能，让飞行器运作了15 min。2013年，美国海军实验室用2 kW的激光器给40 m外的无人机远程供电。近年来，在无人机对电池续航能力的需求逐渐增大的背景下，国内南京航空航天大学、武汉大学、山东航天电子技术研究所、中国电子科技集团公司第十八研究所等科研院所大力开展激光供能机理、移动目标跟踪等方面的研究工作[4-8]。

1 激光供能

激光供能主要分为发射端和接收端。激光器发射端包括激光器、聚焦准直、云台和控制等部分。光纤激光器、薄片激光器辐射率高，但效率低，波长与砷化镓（GaAs）电池不匹配。半导体激光器的波长为800 nm左右，转换效率较高，达到50%，但辐射率低。二极管泵浦固体激光器在波长范围、效率等方面有一定的优势，但商业化普及率不够。在长距离传输时，激光光束的扩散在接收端形成较大光斑，造成光能的损失。因此，需要聚焦准直系统，常用的有单透镜、望远镜。

目前在很多研究中，激光器和接收端相对静止，无须动态跟踪;但是在无人机、无人车等热门领域对电池续航能力要求较高且需求较大和军事应用背景下，对具有动态目标跟踪对准功能的激光传电技术的需求将更为迫切。美国、欧洲、俄罗斯的航天部门先后探索了激光供能在卫星和微型飞行器上的应用[9]，结果表明激光供能能够显著延长无人系统的续航能力。国内南京航空航天大学、山东航天电子技术研究所、武汉大学等单位也致力于激光传能的目标跟踪技术研究[8，10，11]，首先利用姿态、GPS、机器视觉等方法初始对准，然后结合激光精确对准。

激光接收和转换部分则采用光伏电池将接收到的激光能量转化电能，同时考虑电源管理，如最大功率点跟踪、充电技术等。部分研究者在接收端增加了光信号的采集和转换电路，能够实现信号和能量的同时传输。

在视距内，激光能量无线传输受环境、天气等因素的影响较大。图1为大气的吸收光谱[12]，从中可以看出，500～1 500 nm、3～4μm、8～13μm波段内的大气透射率较高，但3～4μm和8～13μm对应波长的激光器技术尚未成熟，一般选择500～1 500 nm波段。

从能量转换效率的角度来看，能量经过电—光—电的转换，总体的能量转换效率主要受到激光器的电光转换效率、传输路径的损失、光伏电池的转换效率、管理电路的转换效率等因素的影响，整体效率的评估需要通过实验分析。其中，激光器和光伏电池的效率是整个系统的核心，管理电路主要是解决如何将不稳定的光伏电池输出转化为可用的电能，而传输路径的损失受距离、大气吸收、天气等不可控因素的影响较大。

2 光伏电池

光伏电池是激光供能的核心元件。根据光生伏特效应，材料吸收了光子，使得价带中的电子跃迁到导带，形成自由电子。光子能量：

E=hν

其中，h为普朗克常量，ν为光的频率（ν=c/λ，c为光速，λ为波长）。若发生光生伏特效应，要求光子能量大于等于禁带宽度，否则没有足够的能量激发电子。光电池禁带宽度Eg对应的截止波长：

λc=hc/Eg

图2为不同光伏电池的光谱响应特性[12]，从中可以看出不同材料光电池的光波范围不同，小于材料特定的截止波长。其中，III-V族化合物砷化镓（GaAs）电池的转换效率最高，理论上超过了50%，已报道的实验室内最高转换效率可以达到61.2%，在810 nm附近转换效率最高;但是，砷化镓（GaAs）电池售价昂贵，是Si太阳能电池的10倍以上，不适合大范围应用。AlGaAs与GaAs类似，转换效率略低，光谱范围在600 nm以下。Si太阳能电池最为常见，分为单晶硅电池和多晶硅电池，尽管其转换效率相对不高（低于40%），但是Si太阳能电池成本低、制造工艺简单、电池使用寿命长、可靠性高，在激光供能领域也有广泛的应用。

杨鹏、孙浩等[13-14]对比研究了在激光照射下单晶硅、GaAs等光伏电池的开路电源、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等方面的性能，实验结果体现了砷化镓（GaAs）电池的优越性。此外，他们还分析了输出激光强度、波长、入射角等参数对输出性能的影响。在高功率激光长期照射下，会对光伏电池产生不可逆的损伤。实验结果表明：导致光伏电池受到损伤的激光功率具有一定的阈值[15-16]。

3 激光供能对比分析

表1总结了目前激光供能方面的研究情况[17-21]，从中可以发现，砷化镓（GaAs）电池的转换效率高，国内报道指出砷化镓（GaAs）电池转换效率达到57.9%，而硅电池的最大转换效率为27.7%。同时发现，接收端光伏电池的输出较低，对于耗电量大的无人机、无人车等系统，难以实现长期供电;但是，对低功耗的无线传感网络节点，其功耗在mW级别，完全可以满足供电需求。

4 激光供能技术的挑战

提高激光供能系统输出功率的方法，除了选用高转换效率的砷化镓（GaAs）电池，还可以在发射端增加电流，提高激光的发射功率。然而，高功率的激光会严重烧蚀光伏电池，对它造成不可逆的损伤。研究表明：光斑较小时对电池的整体性影响不大，但达到3 mm光斑时，会对晶体硅造成损坏。张宇的研究表明平均功率大于5.5 W/cm2时，会导致电池性能出现不可逆的衰退，激光功率密度越高，衰退越严重[17]。因此，激光供能系统的输出功率就出现了增长瓶颈。在接收端增加散热降温装置，能够适当缓解烧蚀现象，但也会增加电能消耗。

激光传电的特点在于激光的单向性和能量的聚集性，因此在远程能量无线传输方面具有显著的优势，但是在超长距离的条件下，激光的衰减是一个较大的问题。激光的光强与传输距离的平方成反比，同时能见度和天气情况也是影响激光衰减率的关键因素。周玮阳在研究无人机的激光充电时指出，若满足无人机6 h的电力时，12 km的高空要有95%以上的无云遮挡概率[3]。因此，不同的季节云量差别大，对无人机的激光充电技术影响很大。

激光的发散会使得光斑扩大，因此需要聚焦元件、準直元件、光伏眼元件等，也要考虑接收端光伏电池的受光面积。实验研究表明：激光光斑在分布较好地覆盖整个光电池阵列时，全部的光电池发生光伏作用，能最大限度地进行光电转换，整体光电转换效率较高;若只是照射一部分，则其他部分发电功率低，会降低整体转换效率。因此，考虑激光发散角的同时，应适当地扩束，使光电池阵列全部覆盖。

随着无人机、无人车在军民领域的应用普及，激光供能技术对运动目标的识别、跟踪和对准将成为重要的研究热点，特别是对超远距离、高速目标的跟踪系统的软件和硬件的要求更高，同时会大幅增加成本，因此急需研发低成本的跟踪和对准技术。

5 结语

本文分析了目前激光供能技术领域的关键技术，对比研究了光伏电池的性能，得出砷化镓（GaAs）电池具有优异的性能，分析了国内在激光供能方面的研究，普遍存在传输距离近、功率低的问题，总结了激光供能系统在激光烧蚀、超长距离充电等研究领域存在的挑战。

参 考 文 献

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