激光無線能量傳輸技術應用及其發展趨勢

李向陽 吳世臣 李鐘曉

（山東航天電子技術研究所，山東煙臺 264670）

1 引言

無線能量傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）系統是指不依賴能源輸送線，利用微波、激光等無線手段，向特定環境下工作的目標機器提供能源支持，使其順利完成指定任務的能源輸送系統。目前，盡管無線能量傳輸的效率低于有線傳輸，但浩瀚的宇宙空間是無法鋪設電力傳輸線的，而無線能量傳輸技術成為向遠端供電的唯一選擇。當前美國國家航空航天局、日本宇宙航空研究開發機構、歐洲航天局等紛紛開展了無線能量傳輸技術的研究。2002年，德國開展了激光驅動小車驗證試驗。2006年日本近畿大學開展了室內電動風箏和直升機激光供能試驗。2009年美國開展了激光驅動太空電梯試驗，2012年美國洛克希德-馬丁公司與美國激光動力公司成功試驗了一種新型激光能量傳輸系統，實現對“潛行者”（Stalker）無人機室外無線充電。2014年中國山東航天電子技術研究所首次實現了兩個飛艇之間的激光無線能量傳輸試驗。隨著無線能量傳輸技術的發展，在向衛星、機器人、空間探測巡視器等類似平臺供電方面將得到越來越多的應用，并將有力促進航天技術的發展。

本文主要對無線能量傳輸技術的分類、應用需求進行了介紹，并以激光無線能量傳輸系統為例，對系統組成、關鍵技術以及未來的發展趨勢進行了展望。

2 無線能量傳輸技術分類及應用需求

目前，實現無線能量傳輸的方式主要有4種：感應耦合、磁場共振、激光、微波等不同形式［1-2］，如圖1所示。

圖1 無線能量傳輸方式Fig．1 Wireless power transmission methods

4種能量傳輸手段各有特點，其中，電磁感應傳能和磁場共振耦合傳能的方式在近距離情況下可以獲得較理想的傳輸效率，而隨著傳輸距離的增加，其效率迅速下降，在較遠距離情況下能量損耗比較嚴重；微波無線能量傳輸技術可實現中遠距離能量傳輸，其突出優點是大氣穿透能力強，傳輸功率大，但微波手段的發射和接收天線尺寸都較大，對電子設備有強電磁干擾，同時由于彌散與不期望的吸收與衰減，傳輸效率相對較低，限制了微波無線能量傳輸技術的應用；激光無線能量傳輸技術以大功率激光光束為能量介質，利用光電效應實現能量傳輸，適于中遠距離無線能量傳輸。由于激光光束發散角度小、能量密度大，傳輸和接收設備口徑較小，非常適合于空間應用。但是激光在穿越大氣時，由于波長短，受大氣影響嚴重（激光透過率最高為0．8，微波為0．9），因而對傳輸效率的影響很大。雖然中紅外波段大氣窗口（3～5μm，8～14μm）可以減弱大氣影響，但目前該波段的大功率激光器的效率較低。而近年來大功率、新型激光發射器技術、高效率光電轉換技術的發展，為激光無線能量傳輸技術的進一步研究應用提供了現實基礎。

2．1 適合于空間在軌操控的無線能量傳輸

當前空間在軌活動日益增多，包括交會對接、航天員出艙活動、在軌維護與服務等。在越來越多的空間非固定活動中，需要解決對靈活軌道設備的能量供給問題。而無線能量傳輸在實現對空間機械臂、航天員出艙活動工具、在軌更換單元（ORU）等在軌操控設備（圖2）能量供給方面，提供了快速、方便的解決手段，根據感應耦合、磁場共振和激光無線能量傳輸的特點，可提供近、中、遠不同距離上的解決方案。

感應耦合電能傳輸采用非接觸的變壓器線圈傳能，具有較高的傳輸效率，可以能源模塊的形式方便地進行ORU 設備能量交換；磁場共振式無線能量傳輸系統，具有使能量傳輸通道繞過金屬的突出特點，可采用基站安裝能量主發射線圈，而各個接收部分安裝諧振線圈的無線能量傳輸方式，用于機械臂關節、出艙活動工具的無線供能；激光無線能量傳輸系統以其體積小、質量輕、傳輸距離遠的特點，可用于對伴飛衛星、維護衛星等進行遠距離的無線電能供給。

圖2 在軌操控示意圖Fig．2 Space operation on orbit

2．2 航天器傳感器網絡中的無線能量傳輸

目前，隨著空間任務的擴展，航天器組成和結構越來越復雜，航天器在發射、運行及回收過程中，其系統運行狀態可為航天器故障評估處理、重復使用檢測、新型航天器設計等提供重要的信息支持。而無線傳感器網絡將在航天器健康監測中發揮重要作用，同時在深空探測領域，可以使用無線傳感器網絡來進行行星環境的探測，借助于航天器布撒的傳感器節點實現對星球表面大范圍、長時期、近距離的監測和探索。圖3所示為NASA 的空間探索計劃無線傳感網絡，系統由數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單元等組成。目前電源管理單元一般采用微型紐扣電池供電，其壽命將影響到網絡節點的壽命，而無線能量傳輸技術為這一關鍵問題提供了很好的解決途徑。通過采用磁場共振式無線能量傳輸方式，可方便地實現對分布于各處的無線傳感器網絡節點供電。該技術的運用為整星健康狀態的感知提供了有效解決手段，可滿足在軌應用的需求［3］。

圖3 NASA 空間探索計劃無線傳感網絡Fig．3 NASA wireless sensor net in space exploration project

2．3 衛星之間無線能量傳輸

分布式可重構衛星是由多個模塊化航天器編隊飛行構成的新型航天器，具有任務可重構、抗損能力強的突出特點。由于模塊化航天器體積、質量、功能和組成受限，集群飛行的能量供給成為制約技術發展的難題。無線能量傳輸技術可應用于分布式可重構衛星［4］、多個衛星組成的編隊飛行中，一旦某一衛星出現能源采集系統故障，或者因遮擋等因素無法采集太陽光能源時，其他正常工作的衛星就可以采用無線方式為其輸送能源，保證每個衛星的能量供給，如圖4所示。該技術可有效提高衛星系統在軌修復的可行性，延長衛星壽命，降低衛星成本。鑒于航天器間的距離較遠，目前可行的方案集中于激光無線能量傳輸和微波無線能量傳輸兩種方式。

圖4 分布式衛星無線能量傳輸示意圖Fig．4 WPT on fractionated satellites

2．4 星地之間無線能量傳輸

無線能量傳輸技術還可應用于空間太陽能電站。1968年，P．E．Glaser首次提出了在地球同步軌道上建造太陽能發電衛星的概念，以滿足天基和地基的電力需求，如圖5所示。這就需要在地球同步軌道到地面的36 000km 距離上建立無線能量傳輸通道。目前，各國專家將研究重點集中在微波和激光兩種無線能量傳輸方式上［5-6］。

圖5 太陽能發電衛星示意圖Fig．5 WPT on space power station

2．5 深空探測無線能量傳輸

無線能量傳輸技術可應用于載人登月及其他深空探測任務，如使用著陸器給巡視器等移動設備供給能量、月球基地與電站之間能源供給（圖6）、月球衛星與著陸器之間的能源供給等，為巡視器無線供能能夠極大拓展巡視器的活動范圍。

圖6 月球基地示意圖Fig．6 WPT on lunar base

2．6 無人機無線能量傳輸

無人機具有體積小、質量輕、機動性好、飛行時間長和便于隱蔽等特點，特別適用于執行危險性大的任務。當前，無人機逐漸成為作戰、偵察及民用遙感的飛行平臺。小型無人機大多使用電力發動機，一般由鋰電池來驅動，然而電池的能量密度遠低于燃油，嚴重限制了無人機的續航性能。而無線能量傳輸技術的發展為提高無人機的續航能力提供了一種有效的解決方法，其中采用激光方式是目前實現電動無人機無線傳能的首選，又稱為激光射束驅動無人機技術（圖7）［7］。

圖7 無人機激光無線能量傳輸示意圖Fig．7 WPT on unmanned aerial vehicle

無線能量傳輸技術在航天領域的應用正在逐步拓展，而隨著技術的成熟及應用范圍的擴大，在構建無線通信網絡的同時，可構建一個無線能量傳輸網絡，將使航天技術的設計理念發生根本性的變化；同時，在我國空間科學探測、空間遙感、在軌維護、新能源利用等重大科技需求中，將進一步加強空間無線能量傳輸技術的研究，為未來空間飛行器的新型能源供應及有效利用太陽能等奠定良好的技術基礎。

3 激光無線能量傳輸系統組成及關鍵技術

激光無線能量傳輸技術（LWPT）是以激光光束為能流量傳輸載體，利用發射端電光轉換、接收端光電轉換，實現電能的無線傳輸。系統主要由激光發射模塊、激光接收模塊、激光傳輸控制模塊、能源管理模塊等組成，如圖8所示。涉及的關鍵技術包括無線能量傳輸總體設計技術、高效高光束質量的激光發射器技術、高效激光—電能轉換系統設計技術、能源管理技術和激光光束控制技術等。

圖8 激光無線能量傳輸系統示意圖Fig．8 Fame of LWPT system

3．1 無線能量傳輸總體設計技術

需要對無線能量傳輸的功率、效率和距離的相互耦合關系進行研究，達到發射、接收之間的最佳匹配，使系統具有最高的傳輸效率，涉及的關鍵技術包括激光無線能量傳輸波長、光電材料選擇，傳輸途徑設計，衛星平臺影響等因素的分析及仿真驗證。

3．2 高效、高光束質量的激光發射器技術

激光無線能量傳輸系統的發射端主要采用大功率激光器，如光纖耦合輸出的半導體激光器等。需要根據激光器的特點分析其遠場分布特性，研究高功率激光器陣列的光束變換技術和激光器陣列準直的微透鏡結構。

此外，由于熱功耗引起的半導體激光器有源區的溫升會使激光器轉換效率下降，閾值電流上升，輸出功率減小，激光波長漂移，甚至會徹底毀壞激光器，因此需要對大功率激光器進行溫度控制，特別是針對空間應用的特殊環境，研究空間激光器的散熱方式。

同時為在能量接收端獲得高功率密度、高質量激光光束，需要對大功率激光整形、準直技術進行研究，引入自適應光學技術，對大氣閃爍、波前畸變等進行補償。

3．3 高效率激光—電能轉換技術研究

激光—電能轉換模塊的工作參數，主要包括轉換效率、工作頻率、輸出功率、工作溫度、面板結構及形狀設計、空間環境影響等。普通太陽能電池是針對太陽光寬光譜結構設計的，且其在實際應用中有較高的激光反射，不能直接應用于激光—電能轉換模塊。因此，開發與激光波長相匹配，具有特定表面限光結構的激光—電能轉換器件是實現激光無線能量傳輸的關鍵技術之一，其中包括激光—電能轉換器件的表面限光結構的研究，半導體激光—電能轉化器件的基質材料研究，高功率傳輸情況下升溫對激光—電能轉換器件性能的影響等。

在進行激光—電能轉換過程中，光束能量分布、電池片工作溫度、串／并聯特性、輸出電壓／電流、面板結構及形狀等都會影響接收裝置效率，需要根據光電池特性，結合激光光束特性，對高效的激光光電池結構進行設計和優化。例如，光電池最大功率點跟蹤技術就是通過一種算法，使光伏電池始終工作在最大功率點狀態，當溫度或者光照影響最大功率點位置的時候能進行自動調整，使光伏電池的輸出功率達到最大。通過研究激光—電能轉換模塊的光伏特性，建立適用于激光無線能量傳輸系統的功率跟蹤算法。

3．4 能源管理技術研究

通過激光無線傳輸的能量需要快速存儲，以達到高效傳輸的目的。需要研究能源檢測技術、能源平衡及能源控制技術，以提高無線能量傳輸的有效利用率，涉及的關鍵技術包括能源管理系統組成，能量存儲、能量管理、能量穩定輸出等技術。

3．5 激光光束控制技術研究

激光光束的波束很窄，對發射端和接收端的對準提出了更高要求。需要研究激光發射傳輸控制技術和編程方案，控制激光束發射方向，使光束與激光電池板正入射，達到最高的光電轉換效率。需要研究瞄準、捕獲與跟蹤（APT）系統的動態、靜態、隨機振動等性能對能量傳輸鏈路的穩定性、能量傳輸效率等的影響，為激光無線能量傳輸APT 系統的優化設計提供技術基礎。

4 激光無線能量傳輸技術發展趨勢

4．1 國內外激光無線能量傳輸技術發展

國外開展激光無線能量傳輸技術研究的主要有美國、日本和德國等。目前激光無線能量傳輸技術仍處于試驗階段，多數為數十瓦的傳輸功率和數百米內的傳輸距離，受器件、傳輸效率等因素影響很大，至今尚未有實際裝備應用［8-12］。

1997年，日本進行了激光無線能量傳輸的地面試驗。激光器為連續CO2激光器，傳輸距離為500m。試驗結果顯示激光空間傳輸效率約為60%～65%。另外，日本專家使用2cm×2cm 的太陽能電池板接收激光，在808nm 半導體激光器照射下砷化鎵（GaAs）轉換效率最高為51%。

2002年德國進行了地面激光能量傳輸試驗，用激光驅動裝備有光伏電池的小車，采用銣釔鋁石榴石（Nd：YAG）全固態激光器倍頻輸出532nm 的綠光，激光光束擴束后，光束直徑為30～50mm，輸出功率為5 W，光伏電池的轉換效率為25%。

2004年，美國設計了一種激光無線能量傳輸接收系統，其中透鏡的口徑為3．7cm，將激光匯聚在一個直徑為4．0mm 的GaAs太陽能電池上。測試性能顯示，在835nm、功率0．522W 激光照射下，激光-電能轉換效率大于56%。

2006年，日本近畿大學利用激光能量進行了機器人、電動風箏、直升機激光供能試驗，激光系統由兩個光纖耦合半導體激光器組成，輸出功率為200 W，波長為808nm，太陽能電池板為直徑30cm 的圓形，由30個4cm×7cm 的GaAs電池片構成。當用200 W激光照射時，太陽能電池板的最大輸出功率為42 W。整個試驗過程中，激光器轉化效率為34．2%，GaAs光伏電池的轉化效率為21%，整體電-光轉化效率為7．2%。

2008年，NASA 開展了激光驅動太空電梯的試驗。此試驗采用半導體激光器，波長為0．84μm，電-光轉換效率為70%，光伏電池粘附在電梯上，以3．7m／s的均速最終將電梯送到了900 m 的高空。2012年，美國激光動力公司和洛馬公司在風洞內驗證了一種激光充電系統，成功地將“潛行者”（Stalker）無人機系統的連續飛行時間延長到了超過48h，相當于“潛行者”自身能力的24倍，超出了最初設定的耐久目標。

NASA 還計劃采用800～830nm 的激光在航天器之間進行無線能量傳輸試驗。計劃利用大功率激光二極管作為發射源，在“國際空間站”上向空間站外的航天器（如貨運飛船等）傳輸電能，試驗將分步進行，從開始的小功率、短時間能量傳輸最終擴展至大功率、長時間的無線激光能量傳輸。

國內，北京理工大學主要進行了小功率激光能量傳輸的仿真研究，通過對國外相關文獻的研究，給出了激光無線能量傳輸系統效率的初步模型；清華大學則對用于激光無線能量傳輸接收端反射鏡的反饋彌補效果進行了研究。

以下重點介紹山東航天電子技術研究所的情況。山東航天電子技術研究所對激光能量傳輸領域高度重視，制定了發展規劃，自主投入、大力開展了相關技術的研究。“十一五”期間自籌資金開展了民用系統的開發，研制出無線激光供能系統，給遠端工作的電子設備供電，激光工作波長800～830nm，激光器輸出光功率5W，光電轉換效率最大可達40%～50%。“十二五”期間，依托國家863項目，聯合優勢單位，對激光無線能量傳輸機理進行了深入研究，并針對模塊航天器應用背景，設計研制了一套激光無線能量傳輸系統［13］，系統工作波長810nm，工作距離100～200m，激光輸出光功率28 W，電—電轉換效率最大約15%，2014年10月首次進行了兩飛艇之間的激光無線能量傳輸試驗（如圖9所示），成為國際上首次實現該技術的研究機構。同時開展了分布式航天器無線能量傳輸、無人駕駛飛機無線能量傳輸、空間太陽能電站、地外駐留平臺無線傳能及能源管理的研究工作，掌握了大量關鍵技術。未來，山東航天電子技術研究所將針對新型激光傳能技術發展及其在航天領域擴展應用方面繼續深入研究，廣開思路，大力促進該技術的發展。

圖9 飛艇之間激光無線能量傳輸試驗Fig．9 LWPT experiment onboard between airships

4．2 激光無線能量傳輸技術發展趨勢

提高能量傳輸效率、傳輸距離和傳輸功率一直是無線能量傳輸技術發展的方向，為了實現更高的效率、更遠的距離和更大的功率，未來激光無線能量傳輸技術也將圍繞以下幾個方向開展研究。

1）白光激光能量傳輸

利用白光激光或多波長激光模擬日光，對太陽能電池進行激光充電，實現太陽光和激光能量的復合利用，使得接收端在獲得激光能量的同時，可以在平時或者工作時間利用太陽光獲得額外的能量，提高能量傳輸系統的工作效率。目前大功率白光激光器技術還不成熟，最大功率僅為百瓦量級，且一般光束質量較差；而采用多波長傳輸來模擬日光技術中的波長組成、光強比例，其傳輸效率優化方面尚需要大量的試驗研究。

2）激光熱能轉換技術研究

目前在進行激光能量接收時，一部分能量被光能轉換為電能，大部分剩余能量則以熱的形式被浪費掉。對此可以利用光—熱—電、光—熱—動能—電等手段實現更高效率的電能獲取，以達到激光能量復合利用的目的。主要利用光電池易于回收熱能的特點，對循環散熱系統和溫差發電技術進行研究，將損失的能量以熱能和電能的形式回收，可顯著提高系統能量傳輸效率［14-15］。

3）多光束激光能量傳輸

大功率激光器技術、空間散熱技術的不足，限制了單路激光發射的能量，未來空間大功率激光能量傳輸，將采用多光束體制，同時激光無線能量傳輸分布式應用也需要采用多光束體制，來實現傳能的高效及靈活運用，如圖10所示。

4）強激光脈沖傳能

利用強激光短時間擊穿空氣，使得激光通道上的空氣成為導體，再利用高壓放電原理形成能量發射端與接收端之間的電弧，接收該電能，實現中、遠段距離上的高效電能傳輸。該方法不再進行電能—激光—電能轉換，而是直接電能—電能轉換，本質上不是激光能量傳輸，研究重點是如何控制電弧以及電弧能量如何收集［15］。

5）太陽光泵浦激光器傳能

與傳統激光器相比，太陽光泵浦激光器結構簡單，能量轉化環節少，省略了光—電—光的環節，較為可靠（見圖11）。隨著技術進步和轉換效率的提高，可以直接用于無線能量傳輸系統中，提高傳輸效率［16］。

圖10 多光束激光無線能量傳輸示意圖Fig．10 Sketch of multi-beam LWPT

圖11 太陽光泵浦激光無線能量傳輸示意圖Fig．11 So1ar pumped solid-state 1aser

5 結束語

無線能量傳輸技術在航天領域的應用前景非常廣泛，可為空間科學研究、天基遙感和環境監測等提供技術先進、應用靈活的能量獲取手段，可滿足多類重大應用需求，使得遙感和空間科學研究更加方便、快捷。通過航天應用引領該技術的發展，不但可以用于空間太陽能電站等空間應用領域，還可以應用于空—地、空—空、地面等多種無線能量傳輸應用場合，拓展無人機、無線傳感、快速充電等多種用電設備、設施的應用范圍和應用模式，具有廣泛的應用前景和巨大的經濟效益。

（References）

［1］雷進輝，杜留峰．無線能量傳輸技術的理論研究［J］．福建電腦，2009（10）：46 Lei Jinhui，Du Liufeng．Theoretical study of wireless power transmission［J］．Fujian Computer，2009（10）：46（in Chinese）

［2］Sheik S，Mohammed K．Wireless power transmission—a next generation power transmission system［J］．International Journal of Computer Applications，2010，13（1）：100-103

［3］Rama K Yedavalli．Application of wireless sensor networks to aircraft control and health management systems［J］．J Control Theory Appl，2011，9（1）：28-33

［4］Mathieu C，Wei gel．Assessing the fractionated spacecraft concept，AIAA 2006-7212［R］．Washington D．C．：AIAA，2006

［5］Hoang H，Fu S J．International Space Station power system requirements models and simulation［C］／／Aerospace Conference．New York：IEEE，2012：1-9

［6］Shinohara N，Kawasaki S．Recent wireless power transmission technologies in Japan for space solar power station／satellite［C］／／Radio and Wireless Symposium．New York：IEEE，2009：13-15

［7］蓋伊·諾里斯．利用無人機驗證激光動力技術［J］．國際航空，2013（1）：50 Guy Norris．UAV Demonstrates utility of laser power［J］．International Aviation，2013（1）：50（in Chinese）

［8］H Yugami，Y Kanamori，H Arashi．Field experiment of laser energy transmission and laser to electric conversion［C］／／Proceedings of the Intersociety Energy Conversion Engineering Conference．New York：IEEE，1997：625-630

［9］Nobuki Kawashima，Kazuya Takeda．Laser energy transmission for a wireless energy supply to robots［J］．Robotics and Automation in Construction，2008：184-198

［10］N Kawashima．The importance of the development of a rover for the direct confirmation of the existence of ice on the moon［J］．Trans．Japan．Soc．Aeronaut．Space Sci，2000，43（1）：34-35

［11］Hyde R A，Dixit S N，Weisberg A H，et al．Eyeglass：large aperture diffractive space telescope［C］／／Proceedings of the International Society for Optical．Engineering．Bellingham：SPIE，2002：28-39

［12］Howell J T，O＇Neill M J，Fork R L．Advanced receiver／converter experiments for laser wireless power transmission［C］／／Proceedings of the 4th International Conference on Solar Power from Space．Bellingham：SPIE，2004：187-194

［13］石德樂，李振宇，吳世臣，等，模塊航天器間激光無線能量傳輸系統方案設想［J］．航天器工程，2013，22（5）：67-73 Shi Dele，Li Zhenyu，Wu Shichen，et al．Concept of laser power transmission system for modular spacecraft［J］．Spacecraft Engineering，2013，22（5）：67-73（in Chinese）

［14］S B RiffaL，Xiaoli Ma．Thermoelectrica：a review of present and potential applications［J］．Applied Thermal Engineering，2003，23（8）：913-935

［15］馬洪奎，高慶．一種溫差發電模塊的研制及其性能測試［J］．電源技術，2013，37（4）：589-592 Ma Hongkui，Gao Qin，Development and performance test of a thermoelectric modular，development and performance test of a thermoelectric modular［J］．Power Sources，2013，37（4）：589-592（in Chinese）

［16］趙長明，趙彬，何建偉．太陽光泵浦固體激光器及其空間應用［J］．紅外與激光工程，2006，35（z3）：95-99 Zhao Changming，Zhao Bin，He Jianwei．Solar pumped solid state lasers and its space applications［J］．Infrared and Laser Engineering，2006，35（z3）：95-99（in Chinese）