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一种可见光能量传输装置和使用该装置的无线传能系统制造方法及图纸

技术编号:34049286 阅读:10 留言:0更新日期:2022-07-06 15:25
本发明专利技术公开了一种可见光能量传输装置和使用该装置的无线传能系统,该能量传输装置包括聚光镜和凸透镜,凸透镜安装在聚光镜的第二焦点F2前方的焦线上。所述无线能量传输系统包括电源模块、光源、可见光能量传输装置、光电转换模块、电源变换模块和负载,电源模块与光源之间、电源变换模块与负载之间采用线缆连接,光源、可见光能量传输装置及光电转换模块之间均通过无线的光束传播。本发明专利技术解决了无线传能技术领域中的较大功率、高效率、中距离传输的技术难题。技术难题。技术难题。

A visible light energy transmission device and a wireless energy transmission system using the device

【技术实现步骤摘要】
一种可见光能量传输装置和使用该装置的无线传能系统


[0001]本专利技术属于能量无线传输
,具体涉及一种能量传输装置及无线传能系统。

技术介绍

[0002]无线能量传输(WPT)技术是一种无需线缆即可对目标进行能量供应的新型技术,在工业、医疗、航空航天等方面具有巨大应用潜力,成为近年来热门研究方向。无线传能的主要方式包括电磁感应式传能、磁谐振式传能、微波传能和激光传能,其中电磁感应式传能可在厘米级距离内高效率传输较大功率,但无法实现远距离能量传输。磁谐振式传能可在米级距离内进行高效率、高功率密度的能量传输,但对负载变化比较敏感、容易失谐。虽然通过多中继磁耦合方式可以增加传输距离,但传能系统变得更加复杂。微波方式可实现远距离、大功率无线传能,但存在微波辐射安全性的问题,且仪器较笨重。激光传能的特点是传输距离远、准直性好、能量密度高,但激光器和激光电池昂贵,不适宜中小功率多点应用场景,难以在工业应用中推广使用。
[0003]无线能量传输应用的领域主要有:第一、无线传感器网络是由多个传感器节点组成的实时监测网络系统,它利用低功耗、小尺寸的无线传感器实现对监测区域的信息获取,目前广泛应用于工农业、军事领域和环境监测领域。无线传感器节点的供能问题是制约无线传感器技术发展的一个关键因素,铺设传统电力线对其进行充电会大幅提高成本,且在高电压、强磁场等恶劣环境下传统电力线无法铺设、难以进行能量供给;使用电池对传感器节点进行供电也会受到许多限制,如电池需定期更换、成本较高等缺陷。
[0004]第二、随着我国航天技术的快速发展,动力系统规模的增加和电驱技术的应用,火箭的供电呈现多电化、智能化和无缆化的趋势。火箭发射前,需与地面测发系统连接,由地面系统提供电力,进行系统检测和诸元装订。目前箭地传能和通信主要采用脱插接口有线连接方式。火箭点火前脱插自动断开与地面系统的有线连接,如果脱落不正常,将导致摆杆不能摆开,电缆断裂,损坏设备,直接影响火箭正常发射。而且,有线连接增加了火箭系统的重量,减小了发射有效荷载。
[0005]中国专利申请号为202110511141.X,专利名称为基于可见光传输的无线传能装置与方法,该无线传能装置包括发送模块和接收模块,通过发送模块发出可见光光源,照射在接收模块,接收模块将其转化为电能给链式武器供电。然而,该专利技术使用LED阵列作为光源,其光源功率和输出电功率低,由于功率太小,远不能满足较大功率的无线供电需要,且其mW级小功率无线传能从光源、光路与接收等多个环节中,对于增大功率传能还存在较大技术障碍,不能达到高功率无线传能的要求。
[0006]中国专利申请号202110989313.4,专利名称为一种基于可见光的能量与数据同传无线装置,它包括发射端和接收端,发射端包括控制电路板﹑光源电路板和聚光组件,光源电路板包括混合可见光源和红外光源,接收端包括接收电路板和转存电路板。该专利技术可以同时实现传能和通信,但是使分开传能通道和通信通道不互相影响,所以传能通道的光波
长局限于452nm~465nm、波长800nm~830nm和波长1005nm~1035nm三种波段,采用成本低廉的光伏电池时,不能匹配光伏电池的连续宽光谱吸收特性,使得传能的效率降低。而且,该系统包含较多的800nm以上红外光谱成分,提升传输功率后在实际应用中对人眼极易造成不可恢复的伤害。
[0007]针对上述中距离、强电磁干扰等恶劣环境下的无线传感器和火箭点火等小功率电能供应问题,现有技术中还没有公开一种传输距离达到数米、供电功率数瓦以上且成本低的无线传能系统。可见光具有生物安全的波段,且发射、接收端组件市场普遍应用,实现成本低。因此,本专利技术正是利用可见光实现数米至数十米距离的无线能量供给,以解决无线传能
中存在较大功率、高效率、中距离传输的技术难题。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的第一个技术问题就是提供一种可见光能量传输装置,它能提高能量传输效率。本专利技术所要解决的第二个技术问题是提供一种无线能量传输系统,该系统能实现较大功率、数米至数十米中距离、抗电磁干扰、成本低的无线传能。
[0009]为了解决上述技术问题:本专利技术提供的一种可见光能量传输装置,包括聚光镜和凸透镜,所述聚光镜具有聚光镜内的第一焦点F1和聚光镜外的第二焦点F2,凸透镜安装在聚光镜的第二焦点F2前方的焦线上。
[0010]理想情况下,凸透镜与第二焦点F2的间距为凸透镜焦距。由于实际光源不可能是理想的点光源,且发光形状各异,导出焦点处的光束并非形成光点,而是分布于焦平面,透镜的出射光也并非完全平行。因此,实际应用中凸透镜与第二焦点F2的间距可以根据光源的大小或照射光斑大小、或者传输距离进行优化调整。
[0011]由于经聚光镜反射的聚光,再利用凸透镜对光束准直,使聚光镜反射光斑与凸透镜大小一致,并保持光源和凸透镜位于聚光镜的焦线上,使光束平直地传输,减少了光能的传输损失,提高接收面的光能利用率。
[0012]本专利技术还提供的一种无线能量传输系统,包括电源模块、光源、可见光能量传输装置、光电转换模块、电源变换模块和负载,电源模块与光源之间、光电转换模块经电源变换模块接至负载之间采用线缆连接,光源、可见光能量传输装置及光电转换模块之间均通过无线的光束传播。
[0013]所述光源选择短弧氙灯、LED光源、短波长激光器,发出波长主要为400

780nm之间的可见光,光源形状一般选择点光源,有利于聚光。
[0014]光源发出的发散点光源,经过可见光能量传输装置的聚光镜聚光、凸透镜准直,使光束以较小的发散角传输数米或数十米距离到光电转换模块的光伏电池上,再通过光电转换模块依据光伏效应输出电能;为获得负载所需功率并使光电转换模块输出更多功率,采用电源变换模块的最大功率跟踪技术进行阻抗匹配,经过匹配和调控的电能施加于负载,实现用电负载的无线能量供给。
[0015]与现有技术相比,本专利技术的技术效果是:1、可见光能量传输装置采用了聚光镜、准直的凸透镜联合光路变换,光束稳定、准直性好,既保证光能的高捕获率,又实现无线传能距离可调,能达到数米的传输距离。
[0016]2、无线能量传输系统的光源采用极高频的可见光作为能量的传输载体,避免了电磁波传能造成的电磁干扰和辐射损伤;3、可见光具有光谱质量稳定、光谱分布接近太阳光,使得光电转换模块能够采用成本很低、广泛应用的普通太阳能光伏电池。
附图说明
[0017]本专利技术的附图说明如下:图1为聚光镜的聚光原理图;图2为本专利技术的可见光能量传输装置的光束分布示意图;图3为F2焦平面光能利用率及光斑半径与光源离焦量的关系图;图4为有凸透镜与无凸透镜情况下光能利用率的对比;图5为本专利技术的无线传能系统的结构框图。
[0018]图中:1、电源模块;2、光源;3、可见光能量传输装置;31、聚光镜;32、凸透镜;4、光电转换模块;5、电源变换模块;6、负载。
具体实施方式
[0019]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明本文档来自技高网
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可见光能量传输装置,包括聚光镜(31)和凸透镜(32),所述聚光镜(31)具有聚光镜内的第一焦点F1和聚光镜外的第二焦点F2,其特征是:凸透镜(32)安装在聚光镜(31)的第二焦点F2前方的焦线上。2.根据权利要求1所述的可见光能量传输装置,其特征是:所述聚光镜(31)为椭球面聚光镜;所述凸透镜(32)为平凸透镜或双凸透镜。3.一种无线能量传输系统,其特征是:包括电源模块(1)、光源(2)、可见光能量传输装置(3)、光电转换模块(4)、电源...

【专利技术属性】
技术研发人员:张淮清朱学贵龙兴明周阳张谦舒雨
申请(专利权)人:重庆大学
类型:发明
国别省市:

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