激光充電

推薦單位：北京科學(xué)技術(shù)期刊學(xué)會(huì)

成果來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所

科研代表：吳臣武

轉(zhuǎn)化作者：張穎

在生活中，充電和吃飯、睡覺一樣，幾乎成了一項(xiàng)必須的基本活動(dòng)。目前，移動(dòng)設(shè)備的充電方式主要以有線充電和電磁感應(yīng)無(wú)線充電為主，這些充電方式受到距離的限制。電磁感應(yīng)技術(shù)已經(jīng)較好地實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)和分米級(jí)的無(wú)線充電，但在實(shí)現(xiàn)十米級(jí)、百米級(jí)無(wú)線充電方面還存在難以克服的困難。近年來(lái)，隨著激光技術(shù)和光電池制造技術(shù)的發(fā)展，使用激光充電技術(shù)進(jìn)行無(wú)線充電成為可能，并且其能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)程的無(wú)線充電。

針對(duì)當(dāng)前移動(dòng)設(shè)備充電領(lǐng)域使用距離范圍小、激光充電系統(tǒng)穩(wěn)定性和能力轉(zhuǎn)換效率低等問題，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究團(tuán)隊(duì)建立了從激光輸入到電能輸出的耦合模型，發(fā)展了光能吸收分布求解的數(shù)學(xué)格式，闡明了光能向電能、熱能、應(yīng)變能轉(zhuǎn)化的耦合機(jī)制。

什么是激光充電

百度百科顯示，激光充電技術(shù)是利用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離能量傳輸?shù)囊环N技術(shù)，由洛克希德·馬丁公司與美國(guó)激光動(dòng)力公司共同研發(fā)。其研發(fā)的激光充電系統(tǒng)采用比銅線更輕的光纖進(jìn)行能量傳輸，可為無(wú)人機(jī)不間斷地安全提供能量。從本質(zhì)上看，激光充電實(shí)際上是利用激光束和電池，通過光能向電能的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無(wú)線充電，其通常可應(yīng)用于無(wú)人機(jī)續(xù)航和便攜式電器充電等。激光遠(yuǎn)程充電系統(tǒng)主要由激光發(fā)射端和激光接收端兩部分組成。

激光充電的大致過程如下：首先，以激光發(fā)射器作為發(fā)射端，把電能轉(zhuǎn)化成激光的光能;然后，光能沿著無(wú)線的光路傳播，直到它照射到接收端光電池上;最后，作為接收端的光電池接收到光能后，把光能轉(zhuǎn)化成電能。這樣就完成了給蓄電池或負(fù)載充電。激光充電在無(wú)人機(jī)中使用得比較廣泛，無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間影響其任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)是提高續(xù)航能力的關(guān)鍵。激光在給飛行中的無(wú)人機(jī)電池充電方面具有理論可能性，這可以使其飛行時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)，無(wú)需著陸重新充電。

激光充電的優(yōu)勢(shì)

與電磁感應(yīng)無(wú)線充電技術(shù)相比，激光充電技術(shù)具有以下3個(gè)特點(diǎn)。第一，由于激光的準(zhǔn)直性較好，可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的充電;第二，由于激光的功率密度較高，加之光電池高達(dá)50%的光電轉(zhuǎn)換效率，一束激光可以產(chǎn)生較大的功率;第三，激光擁有較低的空間傳輸損耗，光功率集中，遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓β蕮p失較少。

據(jù)中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究人員介紹，激光充電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于高效、遠(yuǎn)程、無(wú)干擾。從數(shù)據(jù)上看，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究團(tuán)隊(duì)可以在1平方厘米的面積上穩(wěn)定獲取電功率。直觀地講，如果該激光充電技術(shù)能夠成功應(yīng)用到新能源汽車上，和有線充電相比，其可以壓縮40%左右的充電時(shí)間。此外，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究團(tuán)隊(duì)的初步研究結(jié)果顯示，該激光充電技術(shù)還可以較大程度地延長(zhǎng)蓄電池的壽命。

激光充電效率陷阱

研究發(fā)現(xiàn)，激光充電的過程中總是會(huì)存在效率陷阱現(xiàn)象。簡(jiǎn)單來(lái)講，即當(dāng)工作參數(shù)趨近于某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，即使增加投入，產(chǎn)出也不會(huì)增加，可能反而會(huì)下降，甚至還可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。激光充電技術(shù)的關(guān)鍵在于高亮度激光輻照環(huán)境的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，因?yàn)榧す廨椪展怆姵氐墓怆娹D(zhuǎn)換過程總是伴隨著熱耗散，熱耗散引起的材料升溫又會(huì)通過若干機(jī)制（改變材料帶隙、縮短載流子壽命等）降低光電效率，使更多光能耗散成熱能的情況進(jìn)一步加劇，其甚至?xí)?dǎo)致光電池暫時(shí)或永久失效。

為了避免落入效率陷阱，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究團(tuán)隊(duì)做了很多基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)了臨界轉(zhuǎn)變規(guī)律，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，其還建立了一系列系統(tǒng)參數(shù)匹配準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)上，其研制實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)樣基，并進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，在所希望的參數(shù)水平上，系統(tǒng)的效率衰減始終小于30%。

激光充電的安全性

在激光充電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用之前，其安全性是人們關(guān)注的重點(diǎn)。據(jù)研究人員介紹，激光充電對(duì)人體并沒有傷害，其進(jìn)行激光充電相關(guān)研究時(shí)特別關(guān)注安全性問題，安全性是強(qiáng)制性的標(biāo)準(zhǔn)。激光充電技術(shù)的基本原則，即一定要用低功率的探測(cè)光先探測(cè)整個(gè)光路，待收到探測(cè)光的反饋信號(hào)，確保其安全性后，再發(fā)射和傳播能量光光束。

激光充電技術(shù)可能會(huì)創(chuàng)造一個(gè)更大的市場(chǎng)需求

激光充電技術(shù)如果真正落地應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，還需大量的資金投入。例如，實(shí)現(xiàn)一個(gè)10米級(jí)的激光充電系統(tǒng)，需要在激光發(fā)生系統(tǒng)、光束整形系統(tǒng)、指示探測(cè)系統(tǒng)和接收轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)投入，大約需要研發(fā)費(fèi)用共500萬(wàn)元。此外，將其制成全套產(chǎn)品的產(chǎn)品造價(jià)約為每套900元。無(wú)線充電的市場(chǎng)有多大呢？根據(jù)M&M2020年發(fā)布的市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告，無(wú)線充電的市場(chǎng)規(guī)模將超過8000億美元，其中遠(yuǎn)程無(wú)線充電的市場(chǎng)規(guī)模將占到一半以上。

未來(lái)，激光充電技術(shù)可能會(huì)切割無(wú)線充電的市場(chǎng)份額，但其更加可能會(huì)創(chuàng)造一個(gè)更大的市場(chǎng)需求。