带有温差发电补偿的激光充电装置的制作方法

本发明属于激光充电技术，具体涉及一种带有温差发电补偿的激光充电装置。

背景技术：

当今社会，人类已经进入电气化时代，特别是进入二十一世纪以后，新生事物不断涌现，智能机器人、无人机、智能手机等，将人类社会带入一个新的纪元。随着人类社会的发展，人们对电能的依赖程度越来越高，电能传输网络也变得越来越复杂，对供配电系统的性能要求也更高，这对传统的供配电系统产生了一定的挑战。采用传统的供配电系统，需要大范围敷设电缆，浪费人力物力；同时，室外电缆需要定期检修、更新；电路发生短路时容易产生火花而引起火灾，安全性较差；某些特殊区域的设备不方便走线，如水下智能机器人、人体植入的医疗器械等；另外，大量开关、插座的使用不仅浪费材料也显得不够美观。采用无线电能传输技术，可以建立起高效、简洁的供电系统，减少人们对电缆、插座等电力耗材的依赖程度，从而节省材料；同时，极大增强了设备的灵活性和安全性。传统供电方式带来的问题将随着无线电能传输技术的普及而解决。

目前，无线电能传输主要分为三类：电磁感应式、磁耦合谐振式、微波或激光形式。其中电磁感应式通过两个分离的线圈进行能量交换，当一个线圈中产生电流并激发出电磁场时，临近的线圈便产生感应电动势。以此方式传输电能，缺点就是传输距离太近。但其技术较为成熟，目前多用在手机无线充电上。根据磁耦合谐振原理，磁耦合谐振式可以实现中距离的无线电能传输。其传输距离与功率都较电磁感应式大了很多，但是由于发射端、接受端都需要设置天线，结构比较复杂，且存在一定的电磁辐射。其传输效率、稳定性、安全性都存在一系列的问题，目前还处于实验室研究阶段。

激光方向性好，能量集中等特点使得大量光能可集中在一极小空间范围被接收，因此，激光充电的输电方法具有传输距离远、传输效率高、接收装置小、适合小型电子设备使用等优点，对微型飞行器、微小卫星、航天器等进行远程电力传输具有独特的应用价值。

中国专利201210172781.3公开了一种《无线充电系统》，该设计是一种无线充电系统，利用激光传输能量给指定的使用终端使用，本发明通过激光对使用终端(笔记本等电子产品)进行充电，可以解决电能无线传输问题。但该发明的不足在于：（1）没有考虑光路问题，激光传输路径、光斑直径大小都没有考虑；（2）没有考虑到激光充电产生热量的散热问题；（3）没有考虑到激光功率与充电效率匹配问题，目前仅适合于实验室操作，还难以应用于实际。

中国201410544044.0公开了《一种激光充电处理方法和设备》，该设计是利用获取到的移动终端图像，进行图像识别与判断然后指引充电模块对终端进行定向激光发射充电。但该发明的不足在于：（1）没有考虑充电效率以及高功率作用激光下的热量聚集问题；（2）激光跟瞄系统没有涉及，同样也只有实验室操作的适用，不具备实际可行性。

除了上述不足，上述两件专利还未考虑下面两个问题：

（1）没有考虑热量的回收利用的问题，这部分白白浪费掉了；太阳能电池板光电转换效率存在极限，单纯依靠电池，装置光电转换效率很难进一步提升。

（2）没有考虑大功率激光充电过程中产生的热量的问题，电池温度的升高会显著影响到太阳能电池板的转换效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种带有温差发电补偿的激光充电装置，解决太阳能电池光电转换效率偏低以及在高能激光作用下发热量大的散热问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种带有温差发电补偿的激光充电装置，包括连续光纤激光器、扩束系统和2自由度云台；其特征在于：还包括太阳能电池板和温差发电模块，温差发电模块固定在太阳能电池板背面；激光器和扩束系统固定在云台上，共光轴依次设置连续光纤激光器、扩束系统和太阳能电池板，云台调节连续光纤激光器发射的激光束的方向对准太阳能电池板。

所述扩束系统包括沿光轴依次设置的第一凸透镜和第二凸透镜，第一凸透镜的焦距为10cm，第二凸透镜的焦距为16cm，两者间距为s，10cm<s<26cm。

所述带有温差发电补偿的激光充电装置还包括温度检测显示模块，用于实时检测太阳能电池板背面的温度。

所述温度检测显示模块包括温度传感器和显示屏，温度传感器固定于太阳能电池板背面中心，温度传感器和显示屏连接。

所述温差发电模块数量为偶数块，与太阳能电池板串联输出。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）本发明在太阳能电池板背面安装了温差发电模块，即达到了给太阳能电池散热，稳定其工作i/v，确保充电效率又利用废热进行温差发电，对系统整体能量转换做出贡献；（2）通过检测太阳能电池板背面的温度，通过反馈控制激光输出能量，使太阳能电池板和温差发电模块总的光电转换效率达到最优；（3）实现了更高的光电转换效率，突破了太阳能电池板光电转换的极限限制，实现更高发电效率，适合工业中小型电气设备无线用电需求。

附图说明

图1是本发明带有温差发电补偿的激光充电装置的整体结构示意图。

图2是本发明温差发电模块的示意图，其中（a）是温差发电模块尺寸与接线示意图，（b）是温差发电模块冷热端放置示意图。

图3是本发明太阳能电池板上的温度与短路电流关系示意图。

图4是本发明太阳能电池板上的温度与开路电压关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，根据本发明制作的带有温差发电补偿的激光充电装置，包括连续光纤激光器1、扩束系统2、2自由度云台3、太阳能电池板4、温差发电模块5和温度检测显示模块6。连续光纤激光器1采用波长为1060~1080nm的连续光纤激光器，其输出能量0~200w可调，输出光斑直径为7mm，扩束系统2的扩束倍数为10倍。连续光纤激光器1输出头和扩束系统2固定在2自由度云台3上，共光轴依次设置连续光纤激光器1、扩束系统2和太阳能电池板4。2自由度云台3有两部步进电机控制，可以在水平方向做圆周运动，运动角度为，以及在竖直方向做圆周运动，运动角度为，使连续光纤激光器1发射的激光束照射在太阳能电池板4的表面，扩束系统2和太阳能电池板3均位于连续光纤激光器1的出射光路上。

所述扩束系统2包括沿光轴依次设置的第一凸透镜和第二凸透镜，第一凸透镜的焦距为10cm，第二凸透镜的焦距为16cm，两者间距为s，10cm<s<26cm。

本发明的温差发电模块5采用碲化铋模块，其结构如图2，为单层双面陶瓷封装结构，封装物为704硅胶，内部为半导体材料，成分为碲化铋，焊接剂为低温焊锡(锡-铋合金)。连续工作温度为125以内。其热端贴在太阳能电池板4的背面，冷端有同大小的纯铝散热器。在使用中，当温差达到20度时就有电流产生，并随着温差升高而增大。散热器利用自然风冷进行散热，确保两端有较大的温差进行发电。安装时，为充分利用太阳能电池板4背面及结构对称，故布置了偶数的碲化铋模块相互之间并联。由于温差发电电流相对太阳能发电较小，因此与太阳能发电电流进行串联。

温差发电模块5将太阳能电池板4多余的部分热能直接转化为电能，显著提高了整个发电装置的光电转换效率；通过温度监控，使其位于最佳工作点。

温度检测显示模块6包括温度传感器和显示屏，为了更好的掌握太阳能电池板4背面的温度变化情况，在太阳能电池背面的中心贴有温度传感器，温度传感器和显示屏连接。

工作过程如下：

本发明进行激光充电时，在2自由度云台3控制下，将连续光纤激光器1发射出的光束扩束对准一定距离之外的太阳能电池板4，形成一个均匀大小与太阳能电池板4面积相当的激光光斑。当太阳能电池板4发生位置移动时，2自由度云台3进行跟瞄。由于激光照射到太阳能电池板4上会产生很高的热量，而这部分热量不及时散发掉会引起电池温度的急剧升高，从而影响电池的i/v曲线工作点，进而大大降低光电转换效率，如下图3、4所示，当温度继续升高时，电压与电流将继续降低，并且失去线性。

因此，有必要对太阳能电池板4进行散热处理和控温处理。这里我们在其背面加装了2n片温差发电模块5，n≥1。温差发电模块5将热能直接转化为电能的电源装置，具有体积小、质量小成本低、可靠性高、无转动部件等优点。特别是在这里是利用太阳能电池板4产生的废热，具有废物利用的优势。同时通过检测太阳能电池板板4背面的温度，通过显示屏显示，可以控制激光输出能量，使太阳能电池板4和温差发电模块5总的光电转换效率达到最优。