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夜间室内光无线电力传输到小电池
小型基站（SCs）原则是一个被广泛接受的，也是最有潜力指数的解决方案。尽管小型基站的大规模户外部署有着诸如网络容量高、可以降低功耗等优点，但高昂的安装成本成为了限制其发展的很大因素。光纤技术被认为是与小型基站高速回程通信的最有潜力的解决方案之一。然而，它最主要的缺点在于安装成本高昂以及对于主电源的要求较高。因此，替换电源来源和使用无线回程通信可以使小型基站的部署更具成本效益。
通过自然资源，如太阳和风，进行能量收集或电量收集，并作为电源的替代来源的主要缺点在于会非常依赖天气条件的变化。因此，无线能量传输技术（WPT）技术已经作为一种补充和可靠的解决方案被提出。无线能量传输的概念是在19世纪末由尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）通过使用射频谐振变压器，又称特斯拉线圈，第一次提出并展示出来的。无线能量传输也可以应用于在EM光谱中可见光和红外部分工作的设备，如激光二极管（LD）、发光二极管（LED）和太阳能电池。在光学领域，这个概念被称为光无线电力传输（OWPT）。
光无线通信（OWC）研究领域已经被作为RD数据通信的补充技术以及呈指数增长的无线数据传输需求的最有潜力的解决方案被提出。OWC的广泛研究领域可以被分为两个部分：
自由空间光通信（FSO）和可见光通信（VLC）。自由空间光学系统主要包括使用激光相干数据传输的发射机，以及使用光电二极管（PD）的接收机。而且，FSO系统一般会被布置在户外，覆盖距离可达几公里。可见光通信促进了LED和PD的使用，主要应用于室内公共场所，如办公室，会议场馆，博物馆，酒店和医院。
总体研究的目的，是调查OWPT提供1W的能量同时与户外的小型基站进行高速FSO回程通信的应用。不过作为这个综合研究的第一步，这里主要侧重于室内的OWPT到户外的小型基站。选择黑暗条件主要是因为在没有光环境的条件下，系统也应该正常工作。在本文中，一共报告了三项研究。在研究I中，少量的LD被用于mw级的光功率传输，以观察太阳能接收器的效率随输入光功率变化的情况。根据该结果和物理模型，可以估计产生1W功率的LD数量。然而，研究I的实验距离只有5.2m，而给SC供电时的实际链路距离大约在100-300m，我们需要确定光无线（OW）链路可以在较长距离上工作。因此，研究II是为了确定上述情况而进行的激光束发散实验。假设LD是一个点源，我们就要考虑1mrad的目标光束发散，因为光束直径在100m处仅为10cm。因此，这种激光连接件的几何损耗可以通过使用具有大孔径的接收器来补偿。如研究一所示，收获1 W所需的LD估计数为61。因此，在研究III中，设计了多个激光发射机将无线7.2W的光功率传输到太阳能电池，从而可以在研究一中达到最高的效率。然而，在研究III中，模拟了具有准直透镜的42个LD，因为它们传递比研究I中考虑的LD更高的功率。
- 研究I：链路和组件的总效率
具体实施的OWPT链路距离为5.2米，为了比较电气性能的指标（如总功率效率和收获功率），在实验中使用太阳能电池板和单个太阳能电池。此外，开发了一种物理模型，用于将椭圆高斯光束通过透镜传播到自由空间，并用于获得激光分类并确定眼睛安全的辐照度极限。提出了一种太阳能电池板的有效单二极管物理模型，并应用于曲线拟合的实验数据。最重要的是，分析模型用于估计实现1W收获功率所需的光发射机的数量。由于总链路效率是组件效率的函数，所以需要测量LD和太阳能电池的效率以确定几何损耗。这种链路在总效率方面的表现与具有最佳形状偶极子线圈的最先进的感应功率传输系统（IPTS）相当。 最终结果显示改善了2.7倍，最大收获功率测量仅为25.7 mW; 并且估计需要61 LD和镜片来收集1 W的功率。
- 研究II：激光束准直
在研究II中，单个LD用于具有大透镜的光准。此外，研究I中开发的高斯光束传播的物理模型被应用于实验测量的辐照度点。沿着梁的小轴和大轴，报告峰的强度分别为3mrad和5.75mrad，具有36.8％全宽度的发散值。因此，可以得出结论，开发的OW链路能够在长距离上有效发射功率，例如100m-300m。
- 研究III：具有1W目标值的能量采集
在研究III中，使用Zemax中的模拟框架和研究I中开发的多个椭圆高斯光束的相应分析模型，研究了1 W的采集可行性。在研究I中，虽然每个二极管的典型输出功率为50 mW，可以得出61个 LD是采集1 W能量所需要的数量，但研究III中考虑了每个典型输出功率为171 mW的LD二极管。特别地，在研究I中，距离30m时，一个42个LDs和透镜的阵列，将达到最高传输效率，可以输出7.2W到太阳能电池。这个多重连接的几何损失，基于模拟和分析模型计算仅为2％，两者都很接近。然而，激光束外壳也是必需的，因为对于眼睛有安全限制。
本文的其余部分组织如下：第二部分给出了文献综述。在第三节中，提供了总链路和组件效率的研究。在第四节中，给出了激光束准直的研究。 在第五节中，提供了采集1 W能量的研究。 最后，第六节给出了总结意见。
II。 之前的工作
特斯拉的开创性工作吸引了大量研究者对于RF的兴趣，具体来说就是在EM频谱的微波（mu;w）区域。WPT的基本方法是近场磁共振耦合，包括电感耦合; 远场RF和激光源的功率传输。
- 基于射频的WPT
在[15]中，实现了强耦合磁共振系统，并且具有将60W的能量转移到2m的距离的能力，整体的墙负荷效率为15％。此外，在[17]中，通过使用直流（dc） - 负载效率为77％的IPTS来证明在距离30cm处的105W能量的转移。然而，只要SC的室外安装需要在100米-300米的数量级的相对较长的链路距离处采集1W的电量，则唯一的潜在解决方案被认为是从 RF或mu;w天线和激光源。RF或mu;w辐射的EH功能由基于二极管的电路执行，称为直流天线。 整流天线包括整流电路和用于将输入RF或mu;w功率转换为直流电力的接收天线。在[13]中，介绍了直逼天线效率的最新测量值从1.2％到90.6％的概况。然而，没有报告总链路效率和距离的结果。请注意，直立电路专门设计用于收集几mu;W或者来自“专用”天线的射频功率的环境射频功率。 因此，他们没有能力从自然资源中收获电力。
- 光无线电力传输和EH从阳光
基于激光源的OWPT的概念中首先介绍了太阳能发电卫星的应用。目前大功率LD技术的研究进展，报告了输出光功率大于10W，在940nm-980nm波长区域，相应的转换效率可达65％以上。此外，使用诸如透镜的光准直的无源光学元件产生非常高的方向性的简单的激光系统。除了这个重要特征外，户外太阳能电池板的广泛应用提供了从包含阳光的环境光以及建立OWPT原理的“专用”激光源的PH的独特潜力。此外，在标准测试条件（STC）下，从阳光中接收到高水平的100 mW / cm2的辐照度。
在[28]中，给出了在STC测量报告中的太阳能电池和模块的效率值的综合表。特别地，非晶硅（a-Si）的模块的效率为12.3％。此外，单晶硅（单c-Si）电池和多晶硅（多Si）模块的廉价技术的效率分别为25.6％和18.5％。报道了基于多结电池的集中器光伏技术的最佳效率值。[28]报道了具有集中器的多结电池的最大效率为45.7％。
在[8]和[9]中研究了OWPT的独家室内应用。 在这些研究中，确保环境光可以忽略不计，因此在黑暗条件下调查OWPT对SCs的概念。在[8]中，通过使用高亮度白光LED，用于光准直的大型抛物面镜和放置在5米的a-Si太阳能电池板，创建了OW链路。最大测量链路效率和收获功率分别为0.1％和18.3 mW。 这一事实归因于面板的a-Si技术的显着的几何光学损耗和非常低的能量效率。光功率严重的几何损耗源自LED的朗伯辐射图，这是高效光准直的主要障碍。 因此，下一步是使用高度指令性的激光源和不同类型的太阳能电池板。
在后续研究[9]中，OW链路采用1到5个具有相应准直透镜的红色LD和位于5.2 m的多硅太阳能电池板实现。使用5个透镜镜头的最大测量连杆效率和收获功率分别仅为0.74％和10.4 mW。 低水平的链路效率归因于低效率和低太阳能电池板效率。而且，由于低透射光功率和相同面板的单元之间的失配损失的影响，所以最终获得低的采集功率。
- 同步无线通信和电力传输
[30]和[31]中证明了同步EH和数据通信的实际可行性。 在[30]中，对于仅35厘米的连杆距离，轴向比带宽为12.1％，整天效率为57.3％。在[31]中，对于链路距离为80厘米，测量输入功率为25毫瓦的输出功率为5.78 GHz的天线效率为63％。
使用VLC系统的数据传输已被广泛研究，LED源的数据速率为3 Gb / s的可行性已经在[34]中得到证实。最重要的是，对于高达95厘米的链路距离，在[35]中证明了同时使用数据速率为12Mb / s的用于mW和高速OWC的PH的太阳能电池板。 而且，ame概念在[36]中实现，但是使用能够收集1mW功率并且以3kb / s的速率接收数据的小型太阳能电池。
由于研究目标是实现高速FSO回程通信和电力传输到室外SC，所以对大气通道施加的限制和潜在的解决方案的回顾如下。
1）大气通道引起的挑战：通过大气通道的激光束传播，受大气衰减，闪烁，未对准和环境光噪声等因素的限制，大气衰减导致光波的功率降低。 它以气体分子和瑞利和米ie散射的形式呈现，气体分子或悬浮在空气中的气溶胶颗粒存在于雾，雨，云，烟雾和灰尘中。术语闪烁，也称为大气湍流，用于描述由大气折射率变化引起的光强随机变化。由于在FSO系统中应用了高度指向性的激光束，所以需要发射器和接收器之间的精确对准，以便通过检测器最大程度地收集光功率。最后，包含阳光的环境光可以影响接收机的信噪比，因为它以散粒噪声的形式被检测到。
2）大气通道约束的潜在解决方案：在晴朗的天气条件下的大气损失被认为是可以忽略的，在这种情况下，只有几何损失是主导的。请注意，在大雾状态下，FSO链路可能不可用，但这些情况很少发生，并且取决于当地的地形和风况。此外，即使在这种最差情况下的天气条件下，也可以通过多个发射机和接收机创建多个FSO链路，以应用最大比率组合技术来选择最佳信道。闪烁效应导致衰落，即接收信号的光学因素和电功率的时间和空间波动。 使用孔径平均法可以缓解闪烁的负面影响。此外，使用诸如太阳能电池板的多元接收器和用于光准直和接收的相对较大的光学装置（诸如反射镜）是解决不对准问题的最有效方式。因此，在接收器处使用大的光圈被认为是闪烁和未对准的有效的缓解技术。在数据通信中，当典型的光电检测器可以被过量的环境光驱动到饱和时，太阳能接收器对大量接收的光功率更有弹性。此外，由于环境光呈现缓慢的时间变化，所以可以通过使用滤光器或其它先进的检测技术完全去除环境光。最后，环境光的存在是EH的重要优点，因为太阳能接收器不仅可以从“专用”激光源而且可以从自然资源即阳光收集能量。
III。 研究I：总链接和组件效率
研究I的实验I-III的目标，方法，设置，应用分析模型和结果总结在表I中。
A.目标
研究I的目的是提高在[8]和[9]中创建的5米OW链路的实验能量效率。这通过在[8]和[9]中的尺寸，电池数量和太阳能接收器的不同技术用途的减少来实现。增加的最大链路效率降低了实现1W的收获电功率所需的光发射机（即，LD和准直透镜）的数量。由于每个组件有助于总链路效率，所以确定了每个单个组件的效率。
B.分析模型
以下给出了二极管产生的激光束的分析模型，厚透镜，透镜重新成形的光束，太阳能电池板以及总链路和组件的效率。
对于从二极管产生的激光束，考虑椭圆高斯模型，其附录A给出了推理。高斯光束的几何图示如图1所示。 1分别在x-z和y-z平面上。当高斯光束通过与光束轴对准的任何圆形对称光学分量时，只要傍轴近似成立，高斯光束保持高斯分布。近轴近似在附录A中定义。从LD发射的高斯光束的几何参数和强度特性被透镜的几何和光学特性所改变。因此，在四个不同的横向平面，即LD的发射矩形区域中计算光束参数; 非球面透镜的输入和输出表面的顶点; 并且新梁的位置分别沿着x轴和y轴。
1）激光二极管产生的光束：本研究中使用的LD具有多量子阱（MQW）结构。放置在LD封装内的结的发射矩形层的面积为（2W0x）times;（2W0y）。 参数W0x和W0y分别表示沿x和y轴的波束。 它们是从远场相对强度模式计算的，作为角度分歧的函数。 特别地，从LD（z = 0）生成的束腰由[41]给出：
符号lambda;0表示LD工作波长，theta;x[rad]和theta;y[rad]表示垂直并平行于结束分歧。 theta;x和theta;y的值对应于高斯图的半峰宽（HWHM）强度点。对于近轴近似的适用性，选择HWHM光束发散值。 然而，请注意，高斯光束的光束发散度也可以根据1 / easymp; 0.368和1 / e2asymp;0.135的峰值强度点。认为光束从LD的封装孔径通过而没有任何光损耗。此外，假设放置在LD封装前表面的保护玻璃窗不影响从MQW源产生的光束的强度特性。因此，这里不考虑LD的圆形孔径的衍射效应。 这通过相应的LD数据表[43]，[44]中所示的光束强度的高斯形式来解释，而不是以旁瓣为特征的贝塞尔束的形式。
VI。 总结与结论
在这个综合研究中，在黑暗时段内，即在没有环境光的情况下，首次对室内场景进行了OWPT原理的应用。
特别地，进行了实验研究以确定最大链路效率，最大收获功率和光接收机效率。 光源最多可以使用四个红色CW LD，结合使用非球面透镜进行光束准直。光接收机分别是基于多c-Si和单Si的技术的太阳能电池板和太阳能电池。 链路距离为5.2米。 通过太阳能电池板获得发送效率高达69％，采集功率30.6 mW的高能效。最大连接效
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