激光远程能量传输系统关键技术研究

In recent years the unmanned aerial vehicles (UAVs) are more and more applications. However, the range and sortie duration of UAVs are limited by their on board energy storage. By utilizing the technology of Wireless Power Transmission (WPT), UAVs can be powered over long distance without wires. This project will focus on the key issues of the long rang laser power supply system. To deal with the low efficiency problem of the traditional laser linear power supply in high power applications, a new switching power supply for laser diode with high efficiency and low current ripple will be proposed. The received maximum power tracking technology will be proposed, the laser power will be adjusted to ensure that the receiver can receive enough energy to charge the battery fast. By using this technology, the Atmospheric scattering and absorption problem can be reduced, so that it can extend the laser diode lifetime. In addition, the system function could be extended by superposing communication technology, so that the system bidirectional optical communication can be achieved. Finally, a long distance laser power supply system will be built to verify the theoretical analysis.

近年来无人机被越来越多的应用。然而现有无人机在航程和续航时间受限于自身所携带的燃油量和电池容量。通过非接触电能传输技术可以对无人机进行远距离、非接触式充电，将大大提高无人机的续航时间，从而为飞行带来革命性影响。本项目将对激光远程能量传递系统的关键技术进行研究。针对传统半导体激光器线性驱动电源在大功率系统场合下效率不高的问题，研究新型大功率高效低纹波半导体激光器开关电源。提出接收最大功率跟踪技术，采样接收端的光功率并反馈到发射端，来调整激光器的发射功率以保证接收端能接收到足够的能量，从而解决激光器为应对大气环境对激光在传输过程中造成的衰减问题，一方面减轻系统的散热负担另一方面延长激光器的寿命。提出功率和信号叠加技术，使系统通信功能得到扩展，在紧急情况下实现系统信息的双向传递。最终构建一套激光远程能量传输验证系统，验证理论研究的正确性。

激光远程能量传输系统是一个跨多学科的综合性技术，其作为一门新兴的电能传输技术具有传输距离远、传输功率大和移动灵活性好等优点，可在地面电能分配、空间科学研究、太空能源利用等领域进行应用，正逐渐受到人们的关注。目前电能传输效率是制约激光系统应用的瓶颈，为此在已有研究中多从激光器技术和光伏技术的角度，通过优化器件效率来提升系统效率，而从功率变换角度出发，讨论如何充分利用器件电光/光电转换能力对系统整体性能进行提升的研究较少。为此本项目对激光远程能量传输系统的关键技术展开了研究。首先，创新性的提出LD效率最优的电流驱动技术。阐述了通过优化LD输入电流的形式，能有效提高LD工作效率，使其电-光转换能力得到最大程度的利用的机理，为LD的高效应用提供了新思路和理论基础。然后，提出光伏阵列效率最优的电气布局方式。通过提出的简化模型和优化算法能快速、方便的得到效率较优的阵列结构，从而为实际应用提供有效的解决方案和指导，具有重要的实际应用价值。最后，开创性的提出了系统功率优化控制策略，分析了输入电流占空比对系统效率的影响规律，得到了通过控制输入电流占空比去提高系统效率的方法，解决了现有开环系统功率不受控的问题，开拓了系统效率提升的理论和途径。