具有安全保护装置的光纤远端供电系统及其实现方法与流程

本发明涉及传输设备安全防护技术领域，具体而言涉及一种具有安全保护装置的光纤远端供电系统及其实现方法。

背景技术：

光纤远端供电系统，是以光纤为传输媒介，将电能转换成光能传输的系统。与传统的电力传输相比，采用光纤传输能量主要具有以下优点：(1)只传光不导电，受电磁干扰影响小，安全且损耗低，可用于易燃易爆等场所。(2)传输介质轻，体积小，原料来源广泛，且耐腐蚀性强，使用寿命长，光纤传输损耗受温度影响小。

光纤远端供电系统工作于物联网、传感网，可以为其微功耗节点提供电能。利用光纤代替电缆传递能量，不仅可以节省成本，而且传输安全方便，通过光纤传输后光斑能量分布可以得到均化。另外，光纤远端供电系统在一些如煤矿、油库、军火库等存在电力明火隐患的特殊场合具有广泛的应用。在这些特殊场合，可采用短距离光纤远端供电方式，由光能提供远端各类传感器工作的电能，通过源端的智能化控制设计与远端传感器进行信息交互，从而实现照明、传感等现场工作需要。

与光纤通信技术的高度成熟相比，光纤传输高功率激光再将其转化为电能供电的技术还不成熟。目前，国内光纤远端供电系统的研究较少，在国外也只是处于起步阶段。一般的光纤用作通信时，传输功率在毫瓦级别，处于激光安全标准的1级或者2级激光，而用于光纤远端供电系统的光功率是在500毫瓦级以上的量级，处于4级激光，若没有相应的安全措施，对人眼及皮肤都有很大伤害，而且可能会引起火灾，因此光纤远端供电系统的安全防护问题亟待解决，这也是光纤远端供电系统的关键技术之一。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种具有安全保护装置的光纤远端供电系统及其实现方法，在实现光纤远端供电的同时，完善系统的安全保护措施，有效保护供电网络，达到防火、防爆及保护人身及财产安全的目的。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种具有安全保护装置的光纤远端供电系统及其实现方法。

一种具有安全保护装置的光纤远端供电系统，所述光纤远端供电系统包括用于将电能转换为光能并传送出去的源端、用于将接收到的光能转换成电能并予以应用或存储的远端、用于将光能及通信信号在源端和远端之间相互传输的光纤通道以及用于实时监控整个光纤远端供电系统是否正常工作的安全保护装置；

所述源端包括电光转换模块和耦合模块，其中，所述电光转换模块用于将电能转换成光能，生成光束；所述耦合模块的一端与电光转换模块连接，另一端与所述光纤通道连接，用于实现电光转换模块生成的光束准直的进入光纤通道；

所述远端包括光电转换模块、最大功率追踪模块以及应用模块，其中：

所述光电转换模块具有光源接收端与第一电源输出端，其光源接收端与所述光纤通道连接，该光电转换模块用于接收光纤通道传输过来的光束，并将接收到的光能转换成电能；

所述最大功率追踪模块具有电源接收端和第二电源输出端，其电源接收端与所述光电转换模块的第一电源输出端连接，第二电源输出端与所述应用模块连接，用于追踪光电转换模块转化后的最高电压电流值，使光纤远端供电系统以最大的转化效率提供电能给应用模块；

所述安全保护装置包括检测模块、反馈模块以及控制模块，其中：

所述检测模块与光电转换模块连接，用于实时检测所述光电转换模块中的电信号，并将检测结果发送给所述反馈模块；

所述反馈模块与所述检测模块连接，与所述控制模块连接，该反馈模块具有比较器，响应于检测模块反馈数据低于设定安全值，生成报警信号并将之发送给所述控制模块；

所述控制模块与所述电光转换模块连接，响应于反馈模块生成报警信号，停止运行所述电光转换模块。

优选的，所述反馈模块通过所述光纤通道连接所述控制模块。

所述安全保护装置包括警报模块，与所述控制模块连接，响应于控制模块接收到报警信号，发出声光警报。

所述电光转换模块包括激光器。

所述光电转换模块包括多级光电池。

所述应用模块包括传感器、LED照明中的任意一种。

所述远端还具有储能模块，该储能模块与所述第二电源输出端连接，与应用模块连接，用于将光电转换模块转化的电能进行存储，供应用模块在系统发生故障时使用。

进一步的，所述储能模块还与所述检测模块连接，用于给检测模块提供正常运行所需的电能。

所述光纤通道包括第一光纤、第一分路器与第二分路器；

所述第一分路器包括第一输入端、第一输出端以及第二输出端，所述第二分路器包括第二输入端、第三输出端以及第四输出端；

所述第一分路器与第二分路器被设置为能够双向传导光能；

所述第一分路器的第一输入端与所述第一光纤临近所述源端的一端连接，所述第二分路器的第二输入端与第一光纤临近所述远端的一端连接；

所述第一输出端与所述耦合模块连接，所述第三输出端与所述光电转换模块连接，用于将所述源端转化的光能传输至所述远端；

所述第二输出端与所述控制模块连接，所述第四输出端与所述反馈模块连接，用于将反馈模块生成的报警信号传输至控制模块。

进一步的，所述第一分路器、第二分路器采用熔融拉锥形光纤分路器或平面光波导型光纤分路器中的任意一种。

所述光纤通道包括第二光纤、第三光纤，其中：

所述第二光纤的一端与所述耦合模块连接，另一端与所述光电转换模块连接，用于将所述源端转化的光能传输至所述远端；

所述第三光纤的一端与所述控制模块连接，另一端与所述反馈模块连接，用于将反馈模块生成的报警信号传输至控制模块。

一种具有安全保护装置的光纤远端供电系统的安全保护方法，包括：

电光转换模块将电能转化为光能，通过耦合模块实现准直的从光纤通道的一端进入；

光电转换模块位于光纤通道的另一端，接收传送过来的光能，将之转化成电能，并提供给应用模块或储能模块；

检测模块实时检测远端的光电转换模块中的电信号，并将检测结果发送给反馈模块；

反馈模块对检测模块的反馈结果进行处理，当电压或电流低于设定安全值时，生成报警信号并将之发送给控制模块；

控制模块响应于反馈模块发送的报警信号，停止运行电光转换模块，并控制警报模块发出声光警报。

由以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

1、实时监控供电系统，出现异常自动关闭激光器，保护人身及财产安全。

2、设置有最大功率追踪模块，使系统在最高效率提供电能给应用模块和储能模块。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的光纤远端供电系统的结构示意图。

图2是本发明的单纤方式的结构示意图。

图3是本发明的双纤方式的结构示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

本发明提供一种具有安全保护装置的光纤远端供电系统及其实现方法。

结合图1，该光纤远端供电系统包括用于将电能转换为光能并传送出去的源端1、用于将接收到的光能转换成电能并予以应用或存储的远端3、用于将光能及通信信号在源端1和远端3之间相互传输的光纤通道2以及用于实时监控整个光纤远端供电系统是否正常工作的安全保护装置。

源端1包括电光转换模块和耦合模块，其中，电光转换模块用于将电能转换成光能，生成光束，通常采用激光器作为电光转换模块，激光器的选择对于整个系统至关重要，需要考虑其工作波长、与光线的耦合效率以及造价等因素。

耦合模块的一端与电光转换模块连接，另一端与光纤通道连接，用于实现电光转换模块生成的光束准直的进入光纤通道，提高光源与光纤的耦合效率。

远端3包括光电转换模块、最大功率追踪模块以及应用模块，其中：

光电转换模块具有光源接收端与第一电源输出端，其光源接收端与光纤通道2连接，该光电转换模块用于接收光纤通道2传输过来的光束，并将接收到的光能转换成电能。

通常采用多级光电池作为光电转换模块，光电池是一种特殊的半导体二极管，能够将可见光(或者红外光、紫外光)转化为直流电，其基本参数包括：短路电流、开路电压、填充因子及转换效率。

最大功率追踪模块具有电源接收端和第二电源输出端，其电源接收端与所述光电转换模块的第一电源输出端连接，第二电源输出端与应用模块连接，用于追踪光电转换模块转化后的最高电压电流值，使光纤远端供电系统以最大的转化效率提供电能给应用模块。

本发明所采用的最大功率追踪模块通过侦测电路侦测光电转换模块转化后的电压电流，追踪其最大值，使光纤远端供电系统实现最大的转化效率，并以最高的转化效率供电给应用模块和储能模块。在本发明的远端供电系统中，激光通过光纤传输照射到光电池表面，光功率发生了变化。首先，在传输能量的过程中，光纤的宏观弯曲对传输效率有比较明显的影响：光纤的芯径、数值孔径(NA)、长度等指标对高功率激光传输效率有很大影响。其次，在不同的光照照射和温度条件下，由于光电池的工作电压不同，会使光电池输出功率不同。

为了使光电池尽可能地工作在最大功率点，需要进行最大功率控制从而使传输能量最大化。

应用模块即远端的传感组网，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、LED照明等。

该光纤远端供电系统的工作方法，包括：

电光转换模块将电能转化为光能，通过耦合模块实现准直的从光纤通道的一端进入。

光电转换模块位于光纤通道的另一端，接收传送过来的光能，将之转化成电能，并提供给应用模块或储能模块。

结合图1，安全保护装置包括检测模块、反馈模块以及控制模块，其中：

检测模块与光电转换模块连接，用于实时检测光电转换模块中的电信号，并将检测结果发送给反馈模块，一旦出现光纤断裂或者脱离系统时，该电压或电流信号将发生改变。

反馈模块与检测模块连接，与控制模块具有比较器，将检测模块反馈数据与设定安全值比较，若反馈数据低于设定安全值，就表示光纤有可能发生断裂或者脱离系统，此时反馈模块生成一个报警信号，并将之发送给控制模块。控制模块与电光转换模块连接，响应于反馈模块生成报警信号，停止运行电光转换模块。

由于采用光纤通道传输报警信号速度最快，通常选择通过光纤通道2连接反馈模块与控制模块，反馈模块生成的报警信号为光信号。

安全保护装置4包括警报模块，与控制模块连接，响应于控制模块接收到报警信号，发出声光警报，以便工作人员能够及时采取相关的修复和补救措施。

该具有安全保护装置的光纤远端供电系统的工作方法，包括：

检测模块实时检测远端的光电转换模块中的电信号，并将结果发送给反馈模块。

反馈模块对检测模块的反馈结果进行处理，当电压或电流低于设定值时，生成报警信号，发送给控制模块。

控制模块响应于反馈模块发送的报警信号，停止电光转换模块的运行，并控制警报模块发出声光警报。

远端3还设置有储能模块，该储能模块与第二电源输出端连接，与应用模块连接，用于将光电转换模块转化的电能进行存储，供应用模块在系统发生故障时使用。

储能模块还与检测模块连接，用于给检测模块提供正常运行所需的电能。

若采用光纤通道2连接反馈模块和控制模块，此时，该光纤远端供电系统从源端1传输至远端3的是光能量，从远端3传输至源端1的是光信号，即光纤通道2既用于传能，也用于通信。

结合图2，作为本发明的一种实施例，光纤通道2可以采用单纤方式，即只有一条光纤，同时传输光能量和光信号。此种方案下，光纤通道2包括第一光纤、第一分路器与第二分路器。

所述第一分路器包括第一输入端、第一输出端以及第二输出端，所述第二分路器包括第二输入端、第三输出端以及第四输出端；

第一分路器与第二分路器被设置为能够双向传导光能。

第一分路器的第一输入端与第一光纤临近所述源端的一端连接，第二分路器的第二输入端与第一光纤临近远端的一端连接。

第一输出端与耦合模块连接，第三输出端与光电转换模块连接，用于将源端转化的光能传输至远端，实现传能链路。

第二输出端与控制模块连接，第四输出端与反馈模块连接，用于将反馈模块生成的报警信号传输至控制模块，实现通信链路。

第一分路器、第二分路器采用熔融拉锥形光纤分路器或平面光波导型光纤分路器中的任意一种。

安全保护模块生成的反馈信号通过通信链路传送，而电光转换模块发出的能量信号通过传能链路传送。

对于传能链路，耦合模块将电光转换模块发出的光能量耦合进第一光纤，并在远端通过第二分路器将该光能量分离出来。

对于通信链路，安全保护装置将反馈信号耦合进主光路，并在源端通过第一分路器将该反馈信号分离出来。

假设本发明只需要传能和通信两条链路，那么只需要1分2的分路器。实际应用中，可以根据需要选择具有其他类型的分路器，如选择1分3的分路器，实现远端光能量的分流等。

优选的，本发明所述的第一分路器、第二分路器的分光比均为9：1，将分光比为9的光路用于能量传输，分光比为1的光路用于通信。激光器发出的激光利用分光比为9的光路进行传输，分光比为1的光路用于传输通信信号。

在远端3，反馈模块生成的报警信号通过分光比为1的光路进行发送，传输到源端1，控制模块响应于接收到报警信号，停止运行电光转换模块，并且控制警报模块发出声光报警。

对于单纤方式，其优势在于传能光纤和通信光纤是同一根，如果传能光纤断裂或者脱离，反馈光路同时断裂或者脱离，控制模块可直接判断系统的光纤损坏，提高了保护远端供电系统安全保护装置的可靠性。

结合图3，作为本发明的另一种实施例，光纤通道2可以采用双纤方式，在此种方式下，光纤通道2包括第二光纤、第三光纤，其中：

第二光纤的一端与耦合模块连接，另一端与光电转换模块连接，用于将源端1转化的光能传输至远端3，实现传能链路。

第三光纤的一端与控制模块连接，另一端与反馈模块连接，用于将反馈模块生成的报警信号传输至控制模块，实现通信链路。

因此，双纤方式下的传能链路与通信链路独立，一路用于能量信号的收发，一路用于报警信号的收发。此种方式的优点是：隔离通信链路和传能链路，保护设备，降低信道之间的干扰。

本发明所述的光纤可采用单模光纤或多模光纤。单模光纤的芯径很细(一般为10-30μm)，仅允许一个模式传输，色散小，传输频带宽，容量大，传输距离长，工作波长在1310nm和1550nm。多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模分散，模分散技术限制了多模光纤的带宽和距离，其芯径较粗(通常为50或62.5μm)，允许上百个模式传输，色散大，传输速度低，距离短，成本低，工作波长在850nm或1310nm。光纤的损耗一般随波长的加长而减小，0.85μm的损耗为2.5dB/km,1.31μm的损耗为0.35dB/km，1.55μm的损耗为0.20dB/km。

从而，本发明在实现光纤远端供电的同时，完善系统的安全保护措施，有效保护供电网络，达到防火、防爆及保护人身及财产安全的目的。。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。