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给力之光:光驱机

文章来源:力学研究所    发布时间:2017-11-14  【字号:      】

  对,你没看错!就是“光驱机”——激光驱动无人机、简称“光驱机”。

  近几年,随着无人飞行系统的蓬勃发展、无人机频繁起落引起的系统故障成了售后工程师的噩梦。

  忧郁的科学家们就在想:咱能不能搞个永不降落的无人机?也许你很快就想到了”彩虹牌”太阳能无人机。Oh no,太阳也要下班、而且从不加班!

  于是,从不下班的科学家们想到了激光,光驱机诞生了!——因为能量上激光可以抵十个、几十个…没日没夜工作的太阳。

  光驱机的基本原理是这样的(图1):电网供电到激光器系统,造成一束束发散角极小的单色光,用它们远距离辐照无人机身表面的太阳能电池阵、让光能再转化为电能,持续跟踪供给的电能让无人机在天上不知疲倦的飞来飞去…

  有木有想起当年爬手电筒光柱的相声?不用再担心掉下来啦,有了光驱机、剧情已反转!国内外同行竞相攀比的最新战况是,激光驱动无人机持续飞行超过了50小时(真不睡觉啊……)

  敏锐如你,一定开始关心这个光驱机的效率了,咱这里先不说激光发生过程中的电光转换损耗和冷却耗能,也不说激光长距离穿过大气的吸收、散射等衰减……

图1.激光驱动无人机实物、概念拼图

  咱淡淡的聊聊抵达光电池阵的激光光能转化为电能这个环节的效率。

  如果激光波长与光电池材料禁带宽度匹配的足够好,目前能获得的最佳系统光电转换效率达到了80%——颠覆了你对太阳能电池的全部想象吗?光伏领域那些好汉不是一直在20%~30%摸爬滚打吗?

  为什么?因为通常说的光电效率都是指光电池对太阳光这种连续、广谱辐射的转化效率,它注定会浪费光子能量低于禁带宽度的一大片波长范围的能量;而咱们这里选的激光,当然要选刚刚好、不浪费的波长!

  慢着,既然不浪费为啥光电效率却不是100%呢?最佳才80%、言下之意还有很多更抑郁的数字……简单来说是因为……

  人算不如天算:激光光子能量总是要略微高出禁带宽度那么一丢丢,高出来那么一丢丢光能都耗散成了热能、使光电池升温膨胀;这种热(升温)力(热膨胀、热应力)效应会通过若干个机制降低光电效率,使更多光能耗散成热能、升温膨胀进一步加剧;听起来就像狗咬尾巴、

  不留神就掉进了粉红的效率陷阱(图2)、陷得深了无人机就会砸下来(是谁,把手电筒关了?)……

  为了让系统更高效利用激光光能驱动飞行、规避效率陷阱,我们致力于发掘最大程度抑制热力效应负面影响的设计思想和理论方法。研究发现,理论上最佳状态是从左边无限逼近输出功率Po曲线的峰值点。

  永不降落的光驱机离我们越来越近了……

图2.光电转换试验架构与效率陷阱




(责任编辑:侯茜)

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