[发明专利]一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统及其供能方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤供能技术领域，尤其涉及一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统及其供能方法。

背景技术

物联网可以实现远程网络数字传输与存储系统、远程网络数据通讯与存储、远程多网络融合，已成为当前世界经济和科技发展的战略制高点之一。物联网的构建离不开传感网，包括信息的采集与传输；实际上，传感器件在整个网络中正是相当于一个个信息采集点，更广泛领域及环境下的传感器布置，可以实现“无所不在的感知”这一终极目标。

然而，在部分亟需覆盖各类传感网络的特殊环境中，维持传感网络正常工作及信号传输的能量供应存在许多限制，例如高电压、强磁场对传统电力线存在电磁干扰，而且在易燃易爆环境下，电火花则会引发灾难性后果。为了克服电力供应难题，研究人员研究了诸多方法，如无线电磁传能、声波传能、太阳能供电以及大容量电池供电等，然而上述技术依然存在很大的局限性，譬如电磁环境对无线电、声波产生干扰，太阳能受大气环境限制，电池存在寿命问题等。

在需抗电磁的环境下为传感器件及设备供能，光纤传能（Power over Fiber, PoF）技术是一种有效且可靠的供能方式。该方式是利用光纤把高能量激光传输到远端，然后用光电能量转换器把激光能量转换成电能量，从而给远端的器件及设备供电。由于采用光纤传送能量，这种技术不受无线电磁、闪电等的干扰，且其重量轻、安全可靠。光纤传能技术为了传递能量，所采用的光纤多为大芯径的光纤。另一个在光纤传能系统中的核心器件是光电能量转换器。现在光纤供能系统中主流采用的是针对700-870nm近红外波段的激光而选择的GaAs光伏电池。GaAs材料的带隙与此波段相吻合，可制造出高光电转换效率的光伏电池。然而，尽管在700-870nm波段GaAs光伏电池的光电转换效率可达到45％（PENA R, ALGORA C, ANTON I. GaAs multiple photovoltaic converters with an efficiency of 45% for monochromatic illumination[C]. Photovoltaic Energy Conversion, 2003. Proceedings of 3rd World Conference on. IEEE, 2003, 1: 228-231.）,但这样的单一波段的GaAs光伏电池的输出的电功率受限，从而限制了此技术的进一步应用。

发明内容

本发明目的是为解决当前光纤传能系统输出电功率受限的问题，提供一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统及其光纤供能方法，本发明中提出在光纤传能系统中采用多结聚光光伏电池作为光电能量转换器，获得比以往GaAs光伏电池更高的输出电功率，从而扩展了光伏传能技术的应用。

本发明采用的多结聚光光伏电池是利用不同的材料对于太阳光谱的不同响应原理，在基底材料上生长多层不同材料的PN结制备而成，可实现对不同波段光谱的充分吸收利用，不仅具有高达44.7%光电转换效率（DIMROTH F, GRAVE M, BEUTEL P, et al. Wafer bonded four‐junction GaInP/GaAs/GaInAsP/GaInAs concentrator solar cells with 44.7% efficiency[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2014, 22(3): 277-282.），转换后可得到更大的电功率。

一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统及其供能方法是采取以下技术方案实现：

一种基于多结聚光光伏电池的光纤供能系统包括激光模块、光纤耦合模块、分光模块和光电转换模块四部分。激光模块采用多波段激光模块，多波段激光模块输出的各个激光光束通过光纤耦合模块合束后入射至传能光纤，经过一定距离传输后入射至分光模块，分光模块将激光束分至为多束，并且经过相应的光电转换模块为负载电路、传感设备供电。

光纤耦合模块采用光纤耦合器，光纤耦合器具有多个输入接头和1个输出接头。多个输入接头分别与多个激光器连接，输出接头与传能光纤连接。

所述的光电转换模块采用光伏电池，所述的光伏电池为叠层多结聚光光伏电池，它由多个子电池与隧穿结串联而成，每一个子电池由不同带隙的半导体材料构成，按照从大到小的带隙宽度自上而下由隧穿结叠层串接，每个子电池分别吸收不同波段的光谱。