[发明专利]一种激光-电能量转换器

说明书

技术领域

本发明涉及空间激光无线能量传输领域，具体涉及一种激光-电能量转换器。

背景技术

航天事业的发展以及新能源技术的开发，使得航天器体系结构越来越大，航天器之间的能量传输和信息交互也越来越受到重视。2007年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）技术部（TTO）将分离模块概念遴选为正式研究项目，命名为“F6系统”。2009年，DARPA将F6项目的第二阶段合同授予轨道科学公司，开始进行系统的详细设计及仿真。该系统由多个“模块航天器”组成，每个模块航天器有各自的任务功能，可以独立制造及发射，在轨运行时通过无线信息及能源交换将分散的模块功能和资源高效的结合在一起，使得航天器体系更加灵活，发射风险、成本低，提高了系统的寿命和可靠性。其中无线能量传输技术为“F6”的关键技术之一。1997年，日本H.Yugami等人做过激光能量传输的场地实验，发射端选用CO2连续激光器，测试过程中最大激光功率为25W，通过口径为150mm离轴抛物面镜进行激光准直，传输距离为500m，接收端使用150mm离轴抛物面镜进行会聚，用功率计直接接收并测量激光能量为15W，最终激光-激光的传输效率为60%；同时测试了808nm的半导体激光器照射尺寸为2×2cm2单结GaAs电池芯片，激光-电转换效率为40%。2002年，SternsieK和Schafer进行了地面激光能量传输的实验。他们用Nd:YAG全固态激光器倍频输出532nm的激光来驱动装备有光伏电池的小车，传输距离为30～300m，激光功率为5W，光伏电池的材料为InGaP,激光-电的转换效率为25%。2006年，日本Kinki大学利用波长为808nm光纤耦合半导体激光器，激光功率为200W，给装配有光伏电池的风筝、直升机激光供能，激光器电-光转换效率为34.2%，光伏电池组件由30片4×7cm2的GaAs电池芯片组成，激光-电转换效率为21%，总的电-光转换效率为7.2%。2012年，NASA利用望远镜系统传输8kw连续激光驱动太空电梯，用硅基光伏电池阵列粘附在电梯（climbers）上。激光器为光纤输出的半导体泵浦固体激光器，波长1030nm，由333片2×2cm2单晶硅芯片组成光伏电池阵列，单个单晶硅电池的转换效率为35%。现阶段激光-电能转换器存在部分问题。单片光伏电池芯片电压太低，且输出电功率偏低。部分前人的研究成果采用阵列串联方式增大输出功率及电压，存在激光光斑照射不均匀的电流匹配问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种激光-电能量转换器，能够在保证光伏电池芯片组输出较高电能量及光电转换率并输出高电压电能的前提下，使得转换器均匀接收激光能量，从而达到光伏电池芯片组输出电流匹配。

本发明的一种激光-电能量转换器，包括透镜、调节模块、光伏电池芯片模块和散热装置，其中，所述透镜通过所述调节模块安装在所述光伏电池芯片模块的正前方；所述调节模块用于调节透镜到光伏电池芯片模块的距离；所述散热装置安装在光伏电池芯片模块的后方；

所述光伏电池芯片模块包括陶瓷基板、弧形电极、光伏电池芯片和铜片：

所述光伏电池芯片有N片，均为扇形，其激光接收面定义为正面，另一面定义为背面；

所述铜片为扇形，有N片，每片铜片与光伏电池芯片具有相同的圆周角，铜片的半径大于光伏电池芯片半径；

所述N片铜片安装在陶瓷基板的表面，并且以陶瓷基板的中心为圆心，形成圆形，相邻两铜片间留有间隙；所述光伏电池芯片同心安装在铜片的表面，其背面与铜片电连接，所述铜片作为与其相连的光伏电池芯片的负极；所述弧形电极对应铺设在每片光伏电池芯片弧形边缘的内侧，作为该光伏电池芯片的正极引出；所述每片铜片、其上的光伏电池芯片以及对应的弧形电极组成光伏电池芯片组；

所述其中光伏电池芯片组中的一个铜片作为转换器的输出电源的负极引出，与其相邻的光伏电池芯片组中的弧形电极作为转换器的输出电源的正极引出；除作为输出电源正极的光伏电池芯片外，从作为输出电源负极的光伏电池芯片开始，光伏电池芯片中弧形电极与相邻的下一组中的铜片通过导线相连，作为输出电源正极的光伏电池芯片中的铜片与最后一组中的弧形电极通过导线相连，以此将相邻两个光伏电池芯片的正、负极串联起来；

作为输出电源正极的光伏电池芯片组中的铜片未被覆盖部分开有矩形孔，该矩形孔与陶瓷基板表面形成矩形的绝缘槽，绝缘槽内放置尺寸小于该槽的正矩形电极，正矩形电极与所在光伏电池芯片组中对应的弧形电极通过导线相连；

所述N为大于或等于4的偶数。

所述N取4，6或8。