研究人员通过使用非成像光学器件对激光无线电力传输接收器的改进

　　在最近发表在《太阳能》杂志上的一篇文章中，研究人员讨论了通过使用非成像光学器件对激光无线电力传输 (LWPT) 中光伏 (PV) 接收器的改进。

　　激光无线电力传输 (LWPT)在轨道空间控制、航天器传感器网络、星对星通信与电力传输、地对地、地对空、地对无人机等无线能量传输领域，等，LWPT 系统具有广泛的潜在应用。

到目前为止，聚光光伏 (CPV) 已被用于太阳能，作为一种在提高效率的同时减小光伏尺寸的方法。

透镜和聚光器对于重塑激光束并将其引导至光伏器件至关重要，在未对准的情况下，激光束点通常呈高斯分布，并且激光必须以某种方式匹配光伏电池或阵列的尺寸。

　　近年来，使用可再生能源替代燃煤电厂并实现零排放引起了人们对电能的兴趣。

光束功率传输（也称为 LWPT）的概念描述了如何在不使用铜缆或光纤等物理管道的情况下，仅使用激光技术进行光放大，将能量从一个位置传输到另一个位置。

根据其强度，激光束在失去相干性并最终失去其条纹之前可以传播很远的距离。

能量通量密度高、比方向性性能提高、转换效率提高、传输距离更远等都是LWPT带来的好处。

　　LWPT 系统的关键技术挑战是开发采用特定 PV 面板的高效接收器，这些面板经常与光学聚光器配对以提高激光穿过大气后的光学效率。

低激光束接收效率是 LWPT 系统面临的另一个挑战，因此它依赖于光伏技术及其带来的进步。

　　LWPT 中的交叉复合抛物面聚光器在这项研究中，作者使用了一种称为交叉复合抛物面聚光器 (CCPC) 的常见非成像光学设备，它有助于增加来自各个入射方向的激光束的传输，从而提高 LWPT 接收器的输出性能。

基于非线性回归和实验研究的参数，解决了激光功率下 CPV 模块的多场特性。

与 LWPT 接收器类似，还检查了 CPV 模块和单个太阳能电池的多场性能。

也为LWPT系统设计和优化提供了重要参考。

　　该团队提出了一种新型非成像光学器件，以提高 LWPT 接收器在各种激光束入射下的光学效率，因为接收辐射和矢量在长距离光束传输期间会大幅波动。

创建了一个实验平台，从单二极管光伏电池的多变量参数回归模型中提取系数，用于求解 CPV 组件在不规则接收激光辐照度下的 IV 特性。

然后，对 CPV 模块和单个 PV 电池的光热电性能进行了彻底检查和比较。

　　还研究了 LWPT 系统关键结构因素的影响，例如传输距离、发散半角、旋转角和未对准距离。

目前的研究使用计算和实验方法检查了 CPV 接收器在 LWPT 应用中的多场性能。

使用 LWPT 实验平台进行多变量参数回归，从具有单个二极管等效电路的 PV 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、旋转角和未对准距离。

系统的有效性受到任何激光束反射或障碍物的影响，例如云、水滴和灰尘等。

如果由于某种原因激光器和接收器之间存在未对准，激光束的发散，没有足够的准直和很远的距离，可能会影响能量转换。

在最坏的情况下，效率可能会降为零。

　　借助 CPV 技术，可以提高 PV 面板的效率，并且每个 PV 阵列产生的能量可以增加几个数量级。

用于拟合 IV 数据的回归参数，其强度范围为 2365.08 W/m 2至 3468.79 W/m 2, 与测试数据紧密匹配。

拟合的均方根值仅为0.00432，证明了仿真建模方法的有效性。

与光伏电池前使用最广泛的凸透镜相比，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，发现使用 CCPC 的 CPV 模块的光学效率明显高于裸光伏电池的光学效率。

　　由于作为 LWPT 系统中能量收集的关键部件的光伏电池的母线和发射器的非对称结构，光效率的变化趋势并不相同。

此外，还检查了未对准距离，这证明了未对准无疑会如何影响接收到的光功率。

根据传热数据，温度分布直接符合光辐照度趋势。

CCPC 的内部反射使光线会聚成为可能，这也增加了局部峰值温度。

由于固体材料的导热系数大，任何情况下的温度变化都非常小。

　　电压/电流分布和 IV 曲线均根据电气性能进行了检查。

发现基于半导体光电响应的线性和对数线性关系的光辐照度的不均匀性对电流和电压的分布具有显着影响。

在没有聚光器的情况下，随着距离或旋转角度的增加，随着更多光线向外辐射，短路电流和转换功率会降低。

CPV 接收器的短路电流 (I sc )、功率 (P m ) 和填充因子 (FF) 显着改善，尤其是当旋转角度不大于 30° 时。