[发明专利]能量传输设备、能量收集设备和功率定向传送系统

说明书

本发明涉及一种用于将补充能量传输到远程对象的能量传输设备，该能量传输设备包括：‑能量源，‑基座，所述基座被配置为保持该能量源并使该能量源朝向该远程对象，其中，该能量源包括至少一个垂直外腔面发射激光器。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年10月23日提交的申请号PCT/IB2017/056563的国际专利申请的优先权，通过引用的方式将其全部内容合并于本文中。

技术领域

本发明涉及向远程对象进行功率定向传送(power beaming)或提供能量传输束以向该对象提供能量的领域。本文公开了一种实现功率定向传送的系统。

背景技术

功率定向传送包括向固定或运动的远程对象传送能量。优选地通过电磁波传送能量。通过介质(通常是大气)传输这些电磁波，电磁波到达接收器，接收器将其转换为电能。电能为电池或电动马达或安装在对象上的任何设备供电。特斯拉(Tesla)展示了无线电力的传输。在20世纪中叶，研究集中在微波功率传输上。威廉·布朗(William Brown)在1964年展示了由微波束驱动的直升机。设计了其他使用微波的飞机原型。微波束发散限制了该技术。最近，该技术已经转移到另一个波长范围。NASA于2003年研发出第一架由激光驱动的小型飞机。光源是系统的关键要素，因此其质量和光束形状至关重要。

对象接收到的电力应使其能够为对象的电池充电，或直接为马达或任何装置的设备供电。在其他参数中，对象接收到的功率取决于对象到电磁波源的距离、发射波长在介质的传输以及光束的发射。

光束朝向移动对象。最简单的解决方案是生成高强度固定光束，并使用引导光束的如反射镜之类的有源元件(参见WO2008045439，US2005190427)。该解决方案的问题在于，由于入射在有源元件上的激光辐射非常强烈而导致有源元件的快速退化。由于有源元件上的反射镜不是100％反射的，因此一部分辐射会被吸收，而一部分会产生热，这会使反射镜和/或有源元件本身损坏。克服此问题的解决方案是将光束指向接收对象，而无需任何中间有源元件，在这种情况下，将提高整个系统的可靠性。

此外，必须对光束进行准直以优化能量传输并增加传输距离。实际上，如果激光束未完全准直，则激光束直径会随着与光源的距离的增加而增加，并且最终会变得大于安装在接收对象上的光电二极管元件。在这种情况下，接收对象接收到的功率随与电源的距离的增加而减小。获得准直的激光束并非易事，特别是在高强度的情况下。在理想情况下，基本模式下的激光束应接近完美的高斯光束，以便准直的光学器件可以以最有效的方式工作。用高强度激光难以实现这种配置。为了获得这样的光束，有可能使用垂直腔激光矩阵。然而，这需要大量的透镜来使光束成形并限制光束发散(参见WO2016187328)。而且，这种垂直腔激光器的发射功率本质上受到限制。此外，这些设备中的激光作用对在高发射功率下发生的温度变化非常敏感，如果不保持严格的温度控制，谐振腔就会因温度变化而发生偏移，并且改变激光波长或失去激光作用。光源也可以捆绑在一起，但会引入损失(参见US2015311755)。

应考虑安全因素。通常，暴露在发射的激光束中应该没有危险。

当诸如无人飞行器或无人机(无人飞行器)之类的大量移动对象需要通过功率定向传送进行能量补充时，每个对象都需要较高的能量补充率和较短的补充时间。较大的单个移动对象也可能需要大量的连续发射功率。当前已知的功率定向传送系统不允许高的能量补充率和足够短的补充时间。而且，它们不能提供足够的能量以允许大型无人飞行器或无人机的完全自主操作，因此有必要提供大量的补给设备以确保快速补充能量或完全自主操作。

发明内容

因此，本公开的一方面提供根据权利要求1的能量传输设备、根据权利要求29的能量收集设备、包括根据权利要求41所述的能量收集设备的无人机或无人飞行器以及根据权利要求42的功率定向传送系统，其克服了上述问题并且符合上述挑战。本公开还涉及一种使用功率定向传送系统执行的功率定向传送方法。