一種九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器，用于接收大功率半導(dǎo)體激光器輸出的激光，且能輸出較高電壓以方便后續(xù)利用電能。本發(fā)明的九宮格型激光-電能量轉(zhuǎn)換器通過(guò)將光伏電池芯片設(shè)計(jì)成九宮格的形式，通過(guò)九片光伏電池芯片串并聯(lián)的方式以適合激光光斑能量的高斯分布，減少了激光能量的丟失，減少了各個(gè)芯片接收激光功率的不均勻性。本發(fā)明能充分利用激光并輸出大的電功率，通過(guò)調(diào)節(jié)芯片尺寸或厚度來(lái)接收更大功率激光，提高了能量的傳輸效率，能夠提供高的電壓輸出易于實(shí)現(xiàn)高效的DC/DC轉(zhuǎn)換等。
【專利說(shuō)明】一種九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光無(wú)線能量傳輸領(lǐng)域，尤其涉及一種九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器。【背景技術(shù)】
[0002]激光無(wú)線供能技術(shù)是一種新興的技術(shù)。它可以取代傳統(tǒng)的基于銅線供電系統(tǒng)且適用于有嚴(yán)格的安全要求的地區(qū)。這樣的地區(qū)通常被稱為“排除區(qū)域”，被認(rèn)為存在爆炸的危險(xiǎn)，或有高電磁噪聲的干擾，如高壓線，煉油廠，煤礦，燃料罐，衛(wèi)星，飛機(jī)，核電站領(lǐng)域和電話系統(tǒng)。典型的激光無(wú)線供能技術(shù)包括光源(通常是激光二極管)，傳輸介質(zhì)(光纖或空氣)，和光接收器(光生伏特(PV)轉(zhuǎn)換器)。其中高功率的激光-電能的轉(zhuǎn)換器成為了全球熱點(diǎn)話題?，F(xiàn)階段在輸出高電壓的同時(shí)能有效轉(zhuǎn)換百瓦級(jí)激光功率的轉(zhuǎn)換器相關(guān)報(bào)道很少。部分前人的工作大都存在缺陷，激光功率偏低，或者光電轉(zhuǎn)換效率偏低。例如，1997年，日本
H.Yugami等人做過(guò)激光能量傳輸?shù)膱?chǎng)地實(shí)驗(yàn)，發(fā)射端選用C02連續(xù)激光器，測(cè)試過(guò)程中最大激光功率為25W。同時(shí)測(cè)試了 808nm的半導(dǎo)體激光器照射尺寸為2X2cm2單結(jié)GaAs電池芯片，激光-電轉(zhuǎn)換效率為40%。2002年，SternsieK和Schafer進(jìn)行了地面激光能量傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)。他們用Nd = YAG全固態(tài)激光器倍頻輸出532nm的激光來(lái)驅(qū)動(dòng)裝備有光伏電池的小車，傳輸距離為30?300m，激光功率為5W，光伏電池的材料為InGaP,激光-電的轉(zhuǎn)換效率為25%。2006年，日本Kinki大學(xué)利用波長(zhǎng)為808nm光纖耦合半導(dǎo)體激光器，激光功率為200W，給裝配有光伏電池的風(fēng)箏、直升機(jī)激光供能，激光器電-光轉(zhuǎn)換效率為34.2%，光伏電池組件由30片4X7cm2的GaAs電池芯片組成，激光-電轉(zhuǎn)換效率僅為21%，總的電-光轉(zhuǎn)換效率為7.2%。2012年，NASA利用望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)傳輸8kw連續(xù)激光驅(qū)動(dòng)太空電梯，用硅基光伏電池陣列粘附在電梯(climbers)上。激光器為光纖輸出的半導(dǎo)體泵浦固體激光器，波長(zhǎng)1030nm,由333片2X2cm2單晶硅芯片組成光伏電池陣列，但電流匹配不好，效率很低?，F(xiàn)階段激光-電能轉(zhuǎn)換器存在部分問題有，單片光伏電池芯片電壓太低，且輸出電功率偏低。部分前人的研究成果采用陣列串聯(lián)方式增大輸出功率及電壓，存在激光光斑照射不均勻的電流匹配問題，從而影響光電轉(zhuǎn)換效率。目前國(guó)內(nèi)外激光能量傳輸技術(shù)的主要問題有:傳輸總功率低，轉(zhuǎn)換效率較低，輸出電壓低，激光能量與電池匹配問題等等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器，其能接收大功率半導(dǎo)體激光器輸出的激光，且能輸出較高電壓以方便后續(xù)利用電能。其減少了激光能量的丟失，同時(shí)減少了各個(gè)芯片接收激光功率的不均勻性，提高了能量的傳輸效率，是新一代的能源技術(shù)，能充分改善能源的傳輸和利用。
[0004]本發(fā)明的九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器，包括:
[0005]九片光伏電池芯片，該九片光伏電池芯片封裝組成九宮格，所述九宮格的第一排依次命名為第一光伏電池芯片(I)、第二光伏電池芯片(2)、第三光伏電池芯片(3);所述九宮格的第二排依次命名為第四光伏電池芯片(4)、第五光伏電池芯片(5)、第六光伏電池芯片(6);所述九宮格的第三排依次命名為第七光伏電池芯片(7)、第八光伏電池芯片(8)、第九光伏電池芯片(9)；
[0006]九片光伏電池芯片的連接關(guān)系如下:
[0007]其中所述第一光伏電池芯片(I)與第三光伏電池芯片(3)并聯(lián)為第一電路，所述第七光伏電池芯片(7)與所述第九光伏電池芯片(9)并聯(lián)為第二電路，所述第二光伏電池芯片(2)、所述第一電路、第四光伏電池芯片(4)、第五光伏電池芯片(5)、第六光伏電池芯片(6)、所述第二電路、第八光伏電池芯片(8)依次串聯(lián)為第三電路，最終由所述第二光伏電池芯片(2)的負(fù)極引出所述九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的負(fù)電極b，由所述第八光伏電池芯片(8)的正極引出所述九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的正電極a。
[0008]進(jìn)一步的，所述九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的激光光斑能量呈高斯分布。
[0009]進(jìn)一步的，所述九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的尺寸大小可根據(jù)傳輸激光功率調(diào)節(jié)。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:
[0011]本發(fā)明將激光-電能量轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)成九宮格的形式，通過(guò)串并聯(lián)以適合激光光斑能量的高斯分布，接收大功率半導(dǎo)體激光器輸出的激光，輸出較高電壓以方便后續(xù)利用電能。本發(fā)明減少了激光能量的丟失，同時(shí)減少了各個(gè)芯片接收激光功率的不均勻性，能充分利用激光并輸出大的電功率，且可通過(guò)調(diào)節(jié)芯片尺寸或厚度來(lái)接收更大功率激光。本發(fā)明提聞了能量的傳輸效率，能夠提供聞的電壓輸出易于實(shí)現(xiàn)聞效的DC/DC轉(zhuǎn)換等。綜上所述，本發(fā)明的九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器屬于新一代的能源技術(shù)，能充分改善能源的傳輸和利用。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明的九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明的應(yīng)用具體涉及到模塊化航天期間激光能量傳輸、空-地激光能量傳輸、太空探索及作業(yè)、應(yīng)急供能等，以及在特定環(huán)境情況下，例如地震、洪澇、暴風(fēng)雪等引起的自然災(zāi)害，或人為因素引發(fā)的場(chǎng)景中承擔(dān)能量傳輸及通信的功能。本發(fā)明的目的是接收百瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器輸出的激光，且能輸出較高電壓以方便后續(xù)用電。
[0014]圖1是本發(fā)明的九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器，包括:
[0015]九片光伏電池芯片，該九片光伏電池芯片封裝組成九宮格，所述九宮格的第一排依次命名為第一光伏電池芯片(I)、第二光伏電池芯片(2)、第三光伏電池芯片(3);所述九宮格的第二排依次命名為第四光伏電池芯片(4)、第五光伏電池芯片(5)、第六光伏電池芯片(6);所述九宮格的第三排依次命名為第七光伏電池芯片(7)、第八光伏電池芯片(8)、第九光伏電池芯片(9)；
[0016]九片光伏電池芯片的連接關(guān)系如下:
[0017]其中所述第一光伏電池芯片(I)與第三光伏電池芯片(3)并聯(lián)為第一電路，所述第七光伏電池芯片(7)與所述第九光伏電池芯片(9)并聯(lián)為第二電路，所述第二光伏電池芯片(2)、所述第一電路、第四光伏電池芯片(4)、第五光伏電池芯片(5)、第六光伏電池芯片(6)、所述第二電路、第八光伏電池芯片(8)依次串聯(lián)為第三電路，最終由所述第二光伏電池芯片(2)的負(fù)極引出所述九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的負(fù)電極b，由所述第八光伏電池芯片(8)的正極引出所述九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的正電極a。
[0018]其中，所述九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的激光光斑能量呈高斯分布。所述九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的尺寸大小可根據(jù)傳輸激光功率調(diào)節(jié)。
[0019]本發(fā)明可以有效的減少激光能量丟失，且可以輸出大的電功率及高電壓。由于激光光斑能量呈高斯分布，光斑四角的能量分布幾乎為中心光斑一半，本發(fā)明的連接方式能有效的減少單個(gè)芯片接受激光功率不均勻性。
[0020]本發(fā)明可以選擇激光光源為百瓦級(jí)任意波長(zhǎng)大功率半導(dǎo)體激光器。例如選用793nm半導(dǎo)體激光器,輸出功率最大為70W,通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直傳輸一定距離后,照射在本發(fā)明中激光-電能量轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)行儲(chǔ)能或者直接利用。
[0021]當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括: 九片光伏電池芯片，該九片光伏電池芯片封裝組成九宮格，所述九宮格的第一排依次命名為第一光伏電池芯片(I)、第二光伏電池芯片(2)、第三光伏電池芯片(3);所述九宮格的第二排依次命名為第四光伏電池芯片(4)、第五光伏電池芯片(5)、第六光伏電池芯片(6);所述九宮格的第三排依次命名為第七光伏電池芯片(7)、第八光伏電池芯片(8)、第九光伏電池芯片(9)； 九片光伏電池芯片的連接關(guān)系如下: 其中所述第一光伏電池芯片(I)與第三光伏電池芯片(3)并聯(lián)為第一電路，所述第七光伏電池芯片(7)與所述第九光伏電池芯片(9)并聯(lián)為第二電路，所述第二光伏電池芯片(2)、所述第一電路、第四光伏電池芯片(4)、第五光伏電池芯片(5)、第六光伏電池芯片(6)、所述第二電路、第八光伏電池芯片(8)依次串聯(lián)為第三電路，最終由所述第二光伏電池芯片(2)的負(fù)極引出所述九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的負(fù)電極b，由所述第八光伏電池芯片(8)的正極引出所述九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的正電極a。
2.如權(quán)利要求1所述的九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的激光光斑能量呈高斯分布。
3.如權(quán)利要求1所述的九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述九宮格型激光-電能轉(zhuǎn)換器的尺寸大小可根據(jù)傳輸激光功率調(diào)節(jié)。
【文檔編號(hào)】H01L31/05GK103531651SQ201310517926
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】張海洋, 何滔, 趙長(zhǎng)明, 楊蘇輝, 張逸晨 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)