一种无线输电系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种无线输电系统，属于电子仪器领域。本实用新型专利技术包含底座、转向定位机构、发射端、红外发射器、透镜安装座、聚焦系统。底座用于固定设备位置，并含有供电和控制系统及红外LED驱动系统；转向定位机构一端固定于底座另一端固定发射端的位置和指向；发射端安装有透镜安装座；透镜安装座底部安装有红外发射器，沿其长度方向布置若干透镜形成聚焦系统，该镜片组通过合理的参数设计，可将红外发射器发出的散射红外线聚焦为平行光束，并射向预定位置的无线用电设备进行供电的聚光部件和光伏板，从而解决了现有无线供电技术存在的电磁辐射污染和输电效率因距离大幅度衰减的问题，并实现对各种用电设备进行长距离无线输电的功能。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种通过利用聚焦的红外线光束进行无线输电的系统。
技术介绍
几十年来电池技术进步缓慢，导致电池性能已经成为智能移动设备和小型IoT(即物联网)设备最主要的性能瓶颈。容易理解，智能移动设备和IoT设备的计算能力，实时数据交换能力，无外部供电下的续航能力，传感器精度及分辨率和多传感器支持能力等一系列性能都会受到功耗和电池性能的影响。基于IoT的智能家居系统，若想要实现IoT智能控制系统自动控制调整各设备的工作状态，首先需要通过大量布置在各个房间或分布于每个房间内各个角落的传感器阵列获得各种环境参数和用户(语音或行为)指令，此时广泛铺设有线供电网络则会显著降低智能移动设备和IoT设备的用户体验，并提高此类设备安装的难度和获得体验的门槛(因强电一般需要装修领域的专业人士安装接线，还有严重破坏装修效果的问题)。因此，多年来，大量厂家和科研单位一直在研究多种不同的无线充电技术。当前，最主要的无线充电技术还是基于源于上百年前尼古拉·特斯拉专利技术的无线输电技术，主要包括电磁感应技术(ICPT)和电磁谐振技术(ERPT)。另一种无线充电技术——电波辐射技术(MPT)因效率低(一般低于38％)，成本高和使用不便(远距离传输时，发射天线直径可高达1km，接收整流天线直径可高达10km)和很可能对健康产生危害(常用微波输送能量)而少有应用。当前消费电子产品主流无线充电标准分别为QI标准、A4WO标准和PMA标准。其中，A4WP采用效率较低但传输距离稍远的电磁谐振原理，QI采用效率较高但传输距离较近的电磁感应原理。一个典型的QI标准的无线充电系统，传输10W功率时的转换效率约为70％(更详细地说，当前技术下，输电和充电设备接触，只有在充电和放电线圈距离在10mm及以下时，充电效率才能达到65％～75％)。而电磁谐振效率一般为50％～60％(因多用于数厘米到数十厘米的相对较远距离输电)，现有技术下最高可支持数十厘米的输电距离。上述两种主要技术中，电磁感应技术效率较高且电磁污染较少，但具有几个局限性：1.充电线圈和接收线圈彼此位置需要吻合，两者稍有偏差就可能引起充电效率的大幅度降低、2.线圈间的可用距离太短，一般仅有数毫米、3.一个充电线圈无法实现多设备同时充电。相对而言，电磁谐振技术则没有设备(线圈)间严格的位置要求，可实现数十厘米(放弃效率时可达数米)的充电距离，可输出高达几千瓦的大功率，而且支持一个充电线圈同时对多个设备进行充电。然而，电磁谐振需要直径较大的充电线圈，会在充电线圈周围布置具有相当强度的电磁场(尤其是磁场)，可能造成大范围内电子设备的电磁干扰，并会让部分用户(尤其是具备电磁波恐慌的周边邻居或者孕妇和老人)产生健康方面的心理焦虑。最后，开放的磁场无法杜绝周围其他用户“借电”的可能性。此外，根据国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)发布的对于电磁辐射的安全规范，对无线充电常用的3～150kHz频段的电磁波， 一般暴露的平均辐射场强不应超过6.25uT，职业暴露不超过2.0/fuT(其中f是工作频率，单位为MHz)。计算可知，家庭室内使用，电磁谐振技术如果用于对大范围内的设备进行大功率充电，确实有超标风险。有研究显示，对于3kW输送功率为电动充电汽车的无线充电系统，周边最大场强可远超100uT，因此需在车身现有钢板外再加额外的磁场屏蔽层，并在距离线圈中心870mm外的区域才能达到ICNIRP的安全标准。由于上述问题短期内难以通过常规技术方法予以解决，受其限制，既便不考虑较长距离上的转化率限制，无线充电技术用于支持家庭内的分布式智能无线设备和无线传感器的充电应用仍然具有很大的局限性。因此，在基于线圈间电磁感应的常规无线充电技术外，许多厂家开发了非常规的无线充电技术。如申请号为201520616783.6专利《免维护红外探测器》，采用了在仪器内部安装WIFI能量收集模块的方案，作为太阳能光伏板的补充。然而WIFI信号所携带的能量极其微弱——典型无线路由器的天线发射功率只有几十毫瓦，信号功率还要弥散在周围空间中，使得具体位置上能接收到的信号功率数值，与接收设备与天线距离呈平方的反比——，而受手持仪器的表面积限制，能获得的太阳能总量和稳定性也存在问题。此外，利用红外线对移动智能设备充电已经是公知技术，如新闻报道，国外Wi-Charge公司已经研究出利用安装于室内天花板上红外线发射器向多个设备充电的红外线无线充电原型机。然而新闻中，Wi-Charge公司也承认全向辐射的红外线充电技术，受到信号发射器所能传输的能量上限限制，仅能用于低功耗设备的无线充电。限制Wi-Charge无线充电系统的主要问题在于，假如将光源投射系统简化为点光源来计算，最后在接收红外线的设备的具体位置上的红外线光功率，和设备离发射红外线的点光源的距离呈反比。这是利用红外线和光进行全向无线输电带来的必然问题。理论上我们可以用提高红外线输出功率的方法增加设备的实际能量接收量，然而足以使小受光面积的移动智能设备获得足够能量的大功率的红外线会产生明显的热效应，从而严重影响室内人或动物的舒适度，并且非常不利于空调和新风系统的节能。申请号为201510605142.5的专利《红外充电器、红外充电外接装置和红外充电方法》和申请号为201510604125.X的专利《一种红外充电系统和红外充电方法》，其具体情况和所存在的问题与Wi-Charge无线充电系统类似。需补充的是，太阳能光伏板对太阳能的转换效率较低，是因为近地面的太阳能包含了从远红外线到近红外线到可见光再到紫外线的一系列连续光谱，所以太阳光中的能量分布在一个十分宽广的连续光谱中。而单一材料的光伏板因为量子理论中的带隙限制等问题几乎不可能吸吸收整个太阳能光谱中的全部能量。以至于当前的太阳能光伏电池需要依赖极高成本的层叠式多节电池模式来提高转换效率。所以在2014年，实验室中的光伏技术对含有紫外线(完全无法利用)、可见光、近红外线和远红外线的全光谱太阳光仅实现了最高45.7％的转换率。然而对于单一波长的光线，光伏板容易通过各种优化技术获得较高的能量转换率。如2013年，美国斯坦福大学等研究人员发现，用太阳光加热涂覆二氧化铪陶瓷的钨质吸收器，从而将太阳能转化为红外线热辐射，可将太阳能电池的转换率提高到80％的水平(此成果发表在2013年10月16日出版的《自然·通讯》上)。制约该技术推广的瓶颈不是如何让光伏板对红外线 的转化率达到80％，而在于钨质吸收器在高温下的寿命只有1至12个小时。需指出，此时吸收器发出的红外线仍是连续光谱。易于理解，当辐射中红外线波长分布更窄时，对应优化定制的红外线光伏板成本可更低，而转换效率可更高。基于类似的思路，专利CN201110268224.7，《无线充电系统、光源提供装置以及充电装置》也提供了一种类似的，利用沿平板布置的单一波长光源，向紧贴在该平板式光源上的被充电设备进行以单色光谱的光为能量传输介质的无线充电系统。然而专利CN201110268224.7也有其较大的局限性。可详见该专利说明书第七页，[0044]“光源提供装置的面积可以做得很大，因此可以同时对多个设备充电”，以及[0048]“6.光源提供装置采用平板结构光泄露小，对环境或人体影响非常小”本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线输电系统，其特征在于：包含底座(1)、转向定位机构(2)、发射端(3)、透镜安装座(4)、聚焦系统(5)、红外发射器(6)；所述底座(1)用于固定设备位置，并在内部安装有供电电路、控制系统、红外线LED驱动系统；所述转向定位机构(2)一端固定在底座(1)上，另一端固定发射端(3)，为可弯曲的空心管、关节轴承或杆端关节轴承，内含可供光纤或导线通行的通道，并通过自身的刚度或阻尼抵消发射端(3)、透镜安装座(4)、聚焦系统(5)、红外发射器(6)的重力以确定发射端(3)的具体空间位置和空间指向；所述发射端(3)用于固定和安装透镜安装座(4)，并决定透镜安装座(4)的具体空间位置和空间指向；所述透镜安装座(4)为圆桶形结构，其底部安装有红外发射器(6)，沿透镜安装座(4)长度方向布置若干透镜形成聚焦系统(5)；所述聚焦系统(5)的镜片组可将红外发射器(6)发出的散射的红外线聚焦为近似平行的光束，并从发射端(3)开口处射向预定的位置。

【技术特征摘要】
1.一种无线输电系统，其特征在于：包含底座(1)、转向定位机构(2)、发射端(3)、透镜安装座(4)、聚焦系统(5)、红外发射器(6)；所述底座(1)用于固定设备位置，并在内部安装有供电电路、控制系统、红外线LED驱动系统；所述转向定位机构(2)一端固定在底座(1)上，另一端固定发射端(3)，为可弯曲的空心管、关节轴承或杆端关节轴承，内含可供光纤或导线通行的通道，并通过自身的刚度或阻尼抵消发射端(3)、透镜安装座(4)、聚焦系统(5)、红外发射器(6)的重力以确定发射端(3)的具体空间位置和空间指向；所述发射端(3)用于固定和安装透镜安装座(4)，并决定透镜安装座(4)的具体空间位置和空间指向；所述透镜安装座(4)为圆桶形结构，其底部安装有红外发射器(6)，沿透镜安装座(4)长度方向布置若干透镜形成聚焦系统(5)；所述聚焦系统(5)的镜片组可...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文扬，李影，陈忠，
申请(专利权)人：杭州睿恂唯信科技有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江;33