激光功率傳輸包括激光源通過(guò)自由空間(功率輻照PB)或光纖電纜(光纖傳輸功率PoF)向光伏接收器傳輸功率。光伏接收器包括光伏電池或光伏電池陣列，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)將特殊激光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成高效率(30%，最高達(dá)50%)的電能。一些用途包括遠(yuǎn)程啟動(dòng)無(wú)人駕駛飛機(jī)(UAVs)、機(jī)器人設(shè)備、危險(xiǎn)環(huán)境或遠(yuǎn)程遙感器應(yīng)用。
圖1 MH GoPower(MHGP)生產(chǎn)的高性能硅基垂直多結(jié)(VMJ)光伏電池
MH GoPower (MHGP)生產(chǎn)的高性能硅基垂直多結(jié)(VMJ)光伏電池可以實(shí)現(xiàn)高瓦激光功率輸出。VMJ光伏電池的3D設(shè)計(jì)在高瓦激光功率傳輸期間通過(guò)使用硅的整體性質(zhì)控制熱度，包括散熱翅片集成在設(shè)備上。本文我們探討了自由空間PB和PoF的應(yīng)用和價(jià)值定位，并概述了高性能VMJ光伏電池的技術(shù)。
與電池提供動(dòng)力相比，自由空間PB的優(yōu)勢(shì)包括增加運(yùn)行時(shí)間、縮短或消除再充電事故、有潛力減少重量。無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間理論上可以延長(zhǎng)至無(wú)限期限，只要功率輻照在無(wú)人機(jī)的光伏接收器上并轉(zhuǎn)換為電力超過(guò)實(shí)際動(dòng)力使用量。通過(guò)延長(zhǎng)飛行時(shí)間，就可以減少著陸再充電對(duì)操作敏感性和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)遣的需求。此外，如果演唱飛行時(shí)間是必要的，寧愿連接附加電池也不愿增加無(wú)人機(jī)的重量，可以部署一塊超輕光伏接收器來(lái)實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的要求，這也可能允許更多的有效荷載能力。
光纖傳輸功率比電纜傳輸有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：通過(guò)電纜輸送功率更容易受到RF和磁場(chǎng)的干擾，會(huì)引發(fā)電涌或信號(hào)異常現(xiàn)象進(jìn)而損壞設(shè)備造成系統(tǒng)不可靠。此外，銅線為避免雷擊采取接地路徑會(huì)誘導(dǎo)高電壓或絕緣性差的環(huán)境下的電火花。而激光傳輸就不會(huì)遇到上述問(wèn)題。
受益于這些優(yōu)點(diǎn)的應(yīng)用例子包括傳感器及在危險(xiǎn)環(huán)境下運(yùn)作的設(shè)備，還有暴露在惡劣天氣下的設(shè)備，如室外視頻監(jiān)視攝像機(jī)等，以及要求噪聲管抗擾的設(shè)備(醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備和軍事應(yīng)用)。
圖1 MH GoPower(MHGP)生產(chǎn)的高性能硅基垂直多結(jié)(VMJ)光伏電池
激光功率傳輸應(yīng)用主要受到系統(tǒng)成本的限制，這些成本是按照每輸送一瓦電力的成本來(lái)計(jì)算的，縮小器件尺寸和提高效率推動(dòng)了激光系統(tǒng)每瓦電力成本的大幅下降，預(yù)計(jì)還會(huì)繼續(xù)下降。然而，激光器只是激光功率傳輸解決方案成本構(gòu)成的一部分，其他的關(guān)鍵器件還包括光纖(PoF需要)、光學(xué)器件和PV接收器(單元陣列)子系統(tǒng)。
對(duì)于PoF系統(tǒng)，光學(xué)器件是整個(gè)系統(tǒng)成本的一小部分。然而，對(duì)于自由空間PB，聚焦光學(xué)器件成本隨著應(yīng)用距離的增加而增加，鑒于透鏡尺寸的增大。因此，光學(xué)器件的成本能夠支配自由空間PB系統(tǒng)的成本，這也成為限制其應(yīng)用范圍的主要因素，幾公里范圍的應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)層面都是可行的。同樣地，對(duì)于PoF應(yīng)用， 光纖成本支配遠(yuǎn)距離傳輸?shù)某杀荆ǔＪ菐坠镆陨舷拗茖?shí)際應(yīng)用。
最后，PV接收器功率密度在激光功率傳輸解決方案的可行性方面起到顯著因素。為了最終降低系統(tǒng)成本，需要更高的接收功率密度，可以通過(guò)以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：1) 提高激光器的功率，從而增加PV接收器上的光強(qiáng)度；2) 提高PV接收器的接收效率。
在第一種情況下，增加激光器的功率可以將每瓦增加成本降到一個(gè)點(diǎn)，例如，在自由空間UAV應(yīng)用中，追蹤硬件和軟件、激光器安裝硬件、光學(xué)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會(huì)抬高這些系統(tǒng)的成本。事實(shí)上，這可能意味著需要更小尺寸的電池來(lái)進(jìn)一步降低因增加額外功率而造成的成本提高。因此，只要PV接收器在提高激光強(qiáng)度時(shí)表現(xiàn)良好并且可以很好控制熱量，提高激光光源的功率就是有利的。
在第二種情況下，改善PV接收器效率會(huì)使給定PV接收器輸出更多功率并使系統(tǒng)成本平衡，或者說(shuō)，這種情況允許使用較低功率和較低成本的激光系統(tǒng)。更高效PV接收器意味著有較少能量浪費(fèi)耗散，結(jié)果是電池可以操控冷卻器(正性能反饋環(huán))或者使用較輕重量散熱器降低成本。高效PV接受器的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，這對(duì)于有些應(yīng)用來(lái)講在成本和操作方面都是很重要的。
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