用于无人飞行器的无线远程能量供应的制作方法_2

文档序号:9291946阅读:来源:国知局
总是可垂直于照准线、也就是说垂直于在发射单元与接收单元之间的连接线来取向,可使用带有集中器光学部件的三层太阳能电池,其具有如普通的单层太阳能电池两倍那么高的效率。
[0032]根据另一实施形式,壳体为了稳定化可加载有与存在于壳体之外的大气压力相比的过压。
[0033]这使之成为可能,即壳体在壁厚非常小且重量较小的情况下保持规定的形状,使得穿过壳体壁的成束的激光射线不以不可预见的和不期望的方式被偏转。
[0034]根据另一实施形式,运输工具具有可充电的电池,其被实施成借助于由接收单元所接收的能量来充电,其中,电池被实施成当由激光接收单元所提供的能量低于规定的值时提供电能以供应运输工具的驱动器。
[0035]根据另一实施形式,传输器件在其上侧处配备有太阳能电池,其在太阳辐射充分的情况下可提供运行能量的主要部分且在白天甚至还可提供能量用于存储到电池中。带有在电池中的暂存的以通过太阳能和来自地面的激光能量的混合驱动器的实施方案得到一种特别高效的且灵活的、在时间上可实际不受限制地使用的运输工具,其利用太阳能部件和电池存储装置还可承担在夜间直至10km而在白天直至300km的在激光能量供应有效范围的有效范围之外的远途飞行。
[0036]可充电的电池因此尤其可被用于桥接时间段,在这些时间段中能量借助于激光射线的传输例如由于天气或由于在发射单元与接收单元之间的光学照准线的断开被不利地影响且也无太阳能供使用。
[0037]根据另一实施形式,运输工具实施为飞行器且尤其实施为无人飞行器。
[0038]根据另一方面说明了一种用于借助于高功率激光无线远程能量传输的系统,其中,该系统相应如上面和接下来所述具有发射单元和接收单元。
[0039]在此,发射单元可关联于静止装置而接收单元可关联于移动装置,其中,能量被从静止装置传输至移动装置。
[0040]该系统可具有多个静止装置,其分别带有一个或多个发射单元,其中,移动装置可被实施成分别从位置最近的静止装置接收能量。如果移动装置是无人飞行器,则其飞行路线可被规定或者例如由地面站来实施。在此,无人飞行器和所有地面站可利用数据传输路段彼此相连接,以便例如传输无人飞行器的位置和飞行数据。
[0041]换言之,借助于成束的激光射线通过发射单元高精度定向地发射能量借助于带有瞄准装置和多个级联的高功率二极管激光器的联合的长焦距反射式伸缩镜(Spiegelteleskop)实现,其中激光福射通过在反射式伸缩镜的像平面中的光导光纤且通过激光纤维端部像平面投影到在相对于发射单元例如5至1km的距离中的飞行器的接收器太阳能发电机上解耦到共同的瞄准仪中。高功率二极管激光器的数量可根据所需的能量变化。在一实施形式中提供总共带有4.2千瓦光功率的七个级联的高功率二极管激光器,其激光辐射通过带有200微米的厚度的光导光纤被解耦到瞄准仪中。
[0042]为了使发射单元能够针对较高距离精确取向,主透镜的照准线须被高精度地稳定,例如在50微弧度上。主透镜例如可以是反射式伸缩镜。反射式伸缩镜的稳定在第一步骤中通过反射式伸缩镜的装配部(Montierung)支承在振动隔绝的且角度稳定的平台上进行。反射式伸缩镜的装配在第二步骤中使反射式伸缩镜根据布置在平台上的GPS-1NS系统的角度围绕两个轴线摆动且使伸缩镜照准线对准在接收单元处的反射器,这例如可借助于导向机构(其跟踪反射器)实现。此外,较小的高频的照准线干扰(装配部由于反射式伸缩镜的惯性不能校正这些干扰)可通过在激光射线的光路中的精稳单元来校正,使得照准线以50微弧度的精度保持对准反射器。
[0043]接收单元的接收器太阳能发电机被安装在可在两个轴线中摆动的角度稳定的装配部中,其可使太阳能发电机精确到一度地对准发射单元。
[0044]太阳能发电机可由太阳能电池的马赛克来构建,例如带有0.5m的直径。太阳能发电机也可具有更大的或更小的直径,其中,太阳能发电机的直径或尺寸可针对飞行器的尺寸和能量需求。太阳能电池可以是带有太阳能电池的集成冷却的带有前置凸透镜作为因子例如100的集中器的三联InGaP-1nGaAs-Ge太阳能电池。
[0045]激光二极管例如可在0.976微米的发射波长上发射而Ge太阳能电池层的接收波长可同样在那里被协调成使得Ge太阳能电池也在那里具有其最大的量子利用率和较高的效率,使得用于借助于成束的激光射线无线地传输能量的整个系统达到较高的总效率。此夕卜,在该波长下存在良好的大气窗口,其在5km的传输距离下具有直至60%的传输率。
[0046]用于接收单元的壳体可被实施成使得接收器太阳能发电机在带有在其外表面上的薄层轮廓的液滴形的壳体中,例如由透明的MYLAR薄膜构成的壳体,其可通过内压力来稳定,且其可被安装在无人飞行器的下侧处。以此,壳体使接收单元相对于发射单元的无阻碍的能见度、也就是说无阻碍的光学的视野连接成为可能。
[0047]如上面和接下来所述,发射单元和接收单元使能够以特别有利的方式在5km至1km的低空高度中在白天和在晚上以能量供应例如5至25kg重量的无人小型飞行器,使得供小型飞行器的驱动器使用的能量不是对小型飞行器的飞行时间或使用时间限制性的参数。
[0048]发射单元和接收单元提供能量足以具有用于恶劣天气和飞行器的有效负荷传感器运行的储备且可给位于飞行器上的可充电的电池充电。由此,飞行器可对于干扰不敏感且同样可在受限的时间上飞入在发射单元的有效范围之外的飞行区域中或阴影地区中。飞行器的能量供应白天在太阳辐射充足的情况下通过在飞行器的上侧上的太阳能电池来补充。由此,飞行器在白天也可较远地在激光发射器的有效范围之外运动。
[0049]通过使用光纤联结的级联的带有上面和接下来所说明的发射单元的高功率二极管激光器,激光辐射能量可以以带有例如0.1毫弧度的开口角度的非常狭窄的光束在例如5km距离中被成束到带有例如0.5m直径的接收器上且可通过带有校正光学部件的跟踪装置在伸缩镜光路中和反射器在接收器太阳能发电机之下的布置被直至0.01毫弧度精确地对准接收器太阳能发电机。由此,例如可应用更小的且更轻的且可易安装的接收器太阳能发电机用于无人小型飞机。
[0050]通过可追踪的接收器太阳能发电机相对于成束的激光射线的直角的或垂直的取向,可使由成束的激光射线传输的功率最大化。
【附图说明】
[0051 ] 下面参照附图来说明本发明的实施例。
[0052]图1显示了根据本发明的一实施例的带有发射单元的能量传输单元。
[0053]图2显示了根据本发明的另一实施例的带有发射单元的能量传输单元。
[0054]图3显示了根据本发明的另一实施例的带有发射单元的能量传输单元。
[0055]图4显示了根据本发明的另一实施例的飞行器。
【具体实施方式】
[0056]附图中的图示是示意性的且不按比例。如果在下面的【附图说明】中使用相同的附图标记,则其涉及相同的或相似的元件。
[0057]图1显示了带有发射单元110和接收单元120的能量传输装置100。发射单元具有激光纤维束112、定位光学部件114、准直透镜116和伸缩透镜(Teleskoplinse) 118,其中,这些元件借助于悬挂部111被万向地悬挂。
[0058]定位光学部件114、准直透镜116和伸缩透镜118可在结构上被联合成伸缩镜113的形式。
[0059]发射单元110被实施成在接收单元120的方向上射出成束的激光射线130。此外,发射单元被实施成在接收单元120的方向上射出定位光束140,其中,定位光束以反馈光束(Rueckmeldungsstrahl) 141的形式被接收单元反射且用于发射单元在接收单元的方向上的取向和跟踪。
[0060]接收单元具有以太阳能发电机的形式的辐射能吸收单元122,其具有接收面123 (成束的激光射线130打到其上)。太阳能发电机122被实施成将打到接收面123上的成束的激光射线转换成电能。
[0061]接收单元具有反射器129,其被实施成在发射单元的方向上以反馈光束141的形式反射定位光束140。
[0062]太阳能发电机122和反射器129借助于悬挂部121被万向地悬挂。
[0063]接收单元120布置在壳体128中。壳体128优选由加载有内压力的透明的薄膜构成。
[0064]类似于图1中的图示,图2显示了带有发射单元110和接收单元120的能量传输装置100。在图2中所示的发射单元110具有近距离监控单元170和远距离监控单元180,其分别被实施成监控位于发射单元110与接收单元120之间成束的激光射线130的传输区域中的监控区域175或185。如由图2清楚地得悉的那样,监控区域175和185相交成使得
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