无“线”可能：激光能量传输如何重塑能源未来
在科技与新质生产力快速发展的浪潮中，以低空产业和商业航天为代表的新兴产业不断涌现，并持续重塑着我们的生活和未来。无线能量传输技术应运而生。其中，激光无线能量传输（LWPT）技术，以其高方向性、高能量密度和远距离传输能力，展现出巨大的发展潜力和广阔的应用前景。自20世纪初，美国科学家尼古拉特斯拉提出无线电力传输的设想并开展研究以来，经过百年的技术积累和需求的不断增长，这一曾被视为科幻场景的技术如今正逐渐成为现实。激光无线能量传输（laser wireless power transmission，LWPT）技术利用电磁波束将能量从发射端传递到接收端，提供了一种无需物理连接的全新能源补给方案。这一技术不仅可以为无人机、飞行汽车等低空飞行器提供持续的能源支持，还在卫星、太空站及深空探测器等航天应用中具有极大的应用前景。随着技术能力的持续进步，LWPT技术将超越单纯的能源传输功能，成为推动交通–信息–能源三网融合的核心驱动力。未来的交通系统将是与信息和能源网络紧密相连的、高度有序的有机整体，从而实现交通、信息和能源的协同发展。LWPT技术作为无线能量传输的代表，将在其中扮演至关重要的角色。这些创新和变革将为未来人类社会形态的重塑提供无限可能，开启智能交通系统的新时代（图1）。图1 LWPT能源互联概念图 基于电磁波束的长距离无线能量传输技术主要有微波和激光（LWPT）2种路线。LWPT技术的基础是将电能转化为激光能量进行远距离传输，主要包括激光发射、传输、接收和能量转换4个主要步骤。如图2所示，首先，激光器基于受激辐射原理，将输入的电能转化为激光能量。随后，激光束通过光学系统进行准直和整形，以提高光束的方向性和光束质量。在传输过程中，激光束在大气或真空介质中传播。最后，接收端的光电转换装置（激光电池）利用半导体光伏发电原理，将接收到的激光能量高效转化为电能，为各种负载提供能量供应。图2 激光无线能量传输系统示意LWPT技术具有以下技术特点：（1）高方向性；（2）高能量密度；（3）安全性；（4）远距离传输能力；（5）可选频率范围广。目前，LWPT技术可使用的激光器主要有半导体激光器（图3（a））、全固态激光器、光纤激光器等类型。此外，激光电池的性能也是决定LWPT系统整体效率的关键要素。目前主要有3种类型的激光电池：Ⅲ−V族化合物半导体激光电池、硅激光电池、基于钙钛矿或有机材料的激光电池。其中，Ⅲ−V族化合物半导体激光电池（图3（b））具有带隙与第一大气窗口匹配、效率高、抗辐射能力强等优势，缺点是成本较高。随着技术的不断进步，可以期待激光电池的效率、稳定性和成本将会得到进一步优化，从而提高无线能量传输技术在各领域的应用前景。图3 LWPT技术可使用激光器此外，LWPT系统在传输过程中的大气衰减和光学系统损耗，以及能量传输过程中系统对准精度的问题，也制约着LWPT系统的性能。 LWPT技术的潜在应用场景非常广泛，涵盖了从陆地到海洋，从地球到太空，从民用到军事等多个领域。国内外多个研究机构已对LWPT系统开展过相关的验证实验，取得了一定的进展。在地面应用中，LWPT技术可以用于无人机、电动汽车等移动设备的无线充电。例如：2009年，美国LaserMotive公司使用激光为四旋翼直升机无线供电，使其在空中停留12.5 h。2010年，该公司使用激光无线充电系统为1 km外的鹈鹕无人机（UAV）供电（图4（a）和4（b）），将无人机的续航时间从无激光充电的5 min增加到12 h。电动汽车方面，2003年，Steinsiek等进行了利用激光为地面移动小车无线供能的实验（图4（c））。在太空应用中，LWPT技术可用于卫星充电、太空站能量补给、深空探测器供电等，为人类探索宇宙提供可靠的能源保障（图4（d））。军事方面，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）开展了LWPT技术在军事领域的应用研究，包括用于远程武器系统、无人机等设备的无线供电，提高作战效率和安全性。此外，LWPT 技术还可以应用于水下设备能量传输。例如：2018年，浙江大学首次提出了基于太阳能板的水下无线光学传输（underwater wireless optical communication，UWOC）系统，能够实现光通信和能量传输的双重功能（图4（e））。总的来说，LWPT 技术在太空、地面、军事、水下等多个领域都具有广泛的应用前景。随着该技术的不断进步和应用的不断拓展，LWPT技术将为人类社会带来更多的便利和福祉，并为新兴产业的颠覆性创新和人类可持续发展做出重要贡献。图4 LWPT系统的相关研究与应用案例 LWPT技术因其在诸多领域的潜在应用前景，受到了广泛关注。这项技术代表着未来能源传输领域的重要发展方向，拥有巨大的发展潜力。然而，要进一步实现技术的实用化并推广其应用，仍需克服许多挑战。首先，激光发射器是LWPT系统的核心。通过光纤耦合技术和光束合并技术，可以将多个低功率激光器的光束合并，实现千瓦级甚至兆瓦级的激光输出。然而，高功率激光器产生的热量也带来了散热难题。为解决这一问题，需要采用高效率的热沉设计，利用特殊的散热材料和结构，将热量快速散发出去；同时，采用低应力、高热导率的封装工艺，确保激光器在工作过程中温度能控制在合理范围，维持稳定运行。其次，激光电池（laser power converter，LPC）负责接收激光能量并将其转换为电能，是LWPT系统的关键组成部分。目前，基于GaAs的LPC的光电转换效率已达到74.7%，而InGaAs LPC在1064 nm激光照射下，光电转换效率达到 50.8%（图5）。然而，高功率激光能量传输会导致LPC温度升高，其效率降低甚至损坏。因此，开发高效的散热结构至关重要，例如采用新型散热材料和散热鳍片设计，加强电池的散热能力，以保证激光电池的长期稳定。图5 LWPT研究中的激光电池最高效率统计与相关公司此外，传输过程损耗也是影响LWPT系统效率的重要因素。激光在传播过程中会受到大气的影响，从而导致能量损失。为了降低大气损耗，需要选择合适的激光波长和传输路径，并采用自适应光学系统来校正波前畸变。同时，激光发射器和接收器之间的对准误差也会导致能量损失。因此，需要开发高精度的激光跟踪控制系统来保证激光束的准确照射。系统设计方面，为了提高能量转换效率，需要保证激光发射器和接收器的能带匹配。研究人员也在探索包括钙钛矿材料或有机光伏材料在内的新型材料在LWPT系统中的应用，以期进一步提高能带匹配的效率。同时，将LWPT系统设计成模块化结构，可以方便进行系统升级和维护，提高系统的灵活性和可扩展性，便于在不同应用场景中部署和使用。目前，在多数实际应用中，仍需要进一步优化LWPT系统设计以达到更高的效率以满足使用需求。此外，LWPT系统的整体成本仍然偏高，这主要来自大功率激光器和高效率LPC的制造成本。对此，可以通过采用激光二极管阵列和光束合并技术，实现高效率、低成本的激光输出，从而降低LWPT系统的整体成本。 LWPT技术作为一种新型的无线能量传输技术，虽然在航空航天、移动设备充电、交通运输等领域展现出巨大的应用潜力，但仍面临着一些技术挑战。为了推动LWPT技术的健康发展，我们提出以下发展建议（图6）。图6 LWPT发展建议一是加强基础研究是推动LWPT技术发展的关键。基础研究应涵盖激光发射、传输、接收和能量转换等环节，以及光束瞄准与跟踪、大气影响、能量转换效率等关键技术难题。二是开展应用示范是验证LWPT技术可行性和经济性的重要途径。通过在实际应用场景中进行示范，可以验证LWPT技术的性能和稳定性，为技术的推广和应用提供有力支持。三是降低成本是提高LWPT技术市场竞争力的重要措施。一方面，通过技术创新，研发新型的激光器和光电转换器件制造工艺，提高生产效率，降低制造成本；另一方面，实现规模化生产，优化供应链管理，利用规模效应降低单位产品成本。四是制定标准规范是保证LWPT技术健康发展的重要保障。标准规范可以统一技术参数、规范设备性能，为技术推广和应用提供依据。五是加强国际合作与交流是推动LWPT技术发展的重要手段。国际合作应涵盖技术研发、设备制造、市场推广等环节，共同推动LWPT技术在全球范围内的应用。最后，伴随低空产业和商业航天等新兴产业的蓬勃发展，LWPT技术可以与激光通信、卫星遥感定位等技术深度结合，实现全时空领域的能源与信息全面互联，打造出全新的人类社会形态。 综上所述，无线能量传输技术，特别是LWPT技术，展现出为低空产业和航空航天等领域带来革命性进步的巨大潜力。在无人机、飞行汽车、太空发电和空间传能等新兴产业相关领域，人们对高效、灵活的能源传输技术需求愈发迫切。LWPT技术凭借其高方向性、高能量密度和远距离传输能力，有望突破传统能源传输方式的局限，为新兴产业的发展注入强大动力。尽管在发展过程中，LWPT技术面临诸如光束瞄准与跟踪、能量转换效率和成本等挑战，但通过持续的技术创新和产业发展，这些问题将会逐步得到解决。在未来，无人机或许可以做到在城市上空自由飞行，持续进行物流配送；卫星在太空中也许会依靠能源的无缝互联，为全球通信和数据传输提供稳定保障。这一切都将因LWPT技术的成熟而成为可能。应抓住这一历史机遇，加快技术研发和应用推广，推动交通、信息和能源的深度融合，构建智能化、自动化和高效化的交通系统，为国家的科技进步和经济发展贡献力量。
