高效率激光无线能量传输系统闭环控制研究

郭陆灯，赵长明，王云石

(北京理工大学 光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081)

引 言

无线能量传输(wireless power transmission,WPT)作为一种“非接触式”的能量传输方式，其构想早在1890年就被伟大的物理学家尼古拉·特斯拉提出[1]。该方式摆脱了传统线缆式能量传输的束缚，使得能量传输更为灵活，极大地拓宽了应用领域。

目前WPT的主要形式包括电磁感应耦合式、电磁谐振耦合式、微波和激光等[2-4]。这些方式在传输效率、距离等方面皆有各自的优缺点，而激光和微波是公认的最佳远距离无线能量传输方式。由于激光功率密度高、方向性好和单色性好等特点，相同传输功率下其整体系统的体积和质量只需同类微波设备的10%；同时由于其频率与通信卫星没有相互干扰的风险，因此适合为飞行器、卫星和深空探测器等移动用电设备提供灵活方便、安全可靠的能量获取方式[5]。

基于上述优势，欧美等西方发达国家率先对激光无线能量传输(laser wireless power transmission，LWPT)展开了研究，其中具有代表性的工作有：2003年，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)首次利用输出功率500W、波长940nm的强激光对15m以外微型飞行器上的三结Ga∶In∶P2光伏电池进行照射，为微型飞行器提供了6W的电力，使其进行持续飞行时间超过了15min[6]。2009年,美国激光动力公司完成激光输能PELICAN四旋翼直升机飞行试验，创造了悬停飞行12.5h的记录[7]。2012年，该公司与洛·马公司合作，在美军特种作战部队装备的小型无人机Stalker加装激光输能系统，完成了室内和野外激光输能飞行试验，取得了里程碑成果[8]，但是关于其技术细节未见报道。……