一种可见光能量传输装置和使用该装置的无线传能系统

1.本发明属于能量无线传输技术领域，具体涉及一种能量传输装置及无线传能系统。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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，该发明使用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。
6.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。该发明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。
7.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，本发明正是利用可见光实现数米至数十米距离的无线能量供给，以解决无线传能技术领域中存在较大功率、高效率、中距离传输的技术难题。


技术实现要素：

8.本发明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。本发明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。
9.为了解决上述技术问题：本发明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。
10.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。
11.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。
12.本发明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。
13.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。
14.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。
15.与现有技术相比，本发明的技术效果是：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。
16.2、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
17.本发明的附图说明如下：图1为聚光镜的聚光原理图；图2为本发明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为本发明的无线传能系统的结构框图。
18.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
19.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：如图2所示，一种可见光能量传输装置包括聚光镜31和凸透镜32，如图1所示，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，凸透镜32安装在聚光镜31的第二焦点f2前方的焦线上。
20.由于光源并非理想的点状光源，而是呈不同形状的体光源，光源的轴向离焦量（指沿着聚光镜轴向的光源中心与聚光镜31第一焦点f1的距离）、凸透镜与第二焦点f2的间距均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。
21.所述聚光镜31选用椭球面聚光镜；所述凸透镜32为平凸透镜或双凸透镜。
22.本发明的能量传输装置的工作原理是：参见图2，位于椭球面聚光镜31内的光源2发出光束，首先经椭球面聚光镜31汇聚后，再经凸透镜32准直，以较小的发散角照射到光电转换模块4，实现后端用电装置的供电。
23.参见图1，位于椭球面聚光镜31第一焦点f1处的光源发出的光束经聚光镜反射后汇聚在第二焦点f2处，然后根据无线传输距离的需求和光伏板照射面积大小，对光源到第一焦点f1的距离沿轴向进行调整，改变处于第二焦点f2处的焦平面光斑辐照分布。
24.f2焦平面上的光能利用率（即f2焦平面接收到的光能量与光源发出光能量的比值）及光斑半径随光源轴向离焦量的变化情况如图3所示：光源轴向离焦量在-3mm到+6mm之间时，光能利用率在0.75以上，保持较高水平；当负向离焦量超过3mm或正向离焦量超过6mm时，光能利用率开始迅速下降，这是因为离焦量增大导致部分光线经反射后没有入射到焦平面上，导致光能捕获率迅速降低。
25.从图3的光斑半径变化曲线看出：光源位于聚光镜第一焦点f1处时在f2焦平面的光束形成光斑最小，随着轴向离焦量的增大，光斑半径整体呈线性增加。根据可见光无线传能系统要求，要保持光伏板接收到的光能量在较高水平，同时光斑面积应能全覆盖光伏电池，否则辐照严重不均，造成光电转换效率低下。在本实施例中，调节光源负向离焦量为3mm时，
在f2焦平面获得能量分布较均匀的光斑，且光能利用率较高。
26.经聚光镜反射的光束发散角过大，直接照射在光伏接收板时，造成光伏板接收面光能利用率仍然偏低，可见光传能的传输距离也受到很大限制。所以本发明利用凸透镜对光束进一步准直。将凸透镜放置于聚光镜前方，调节凸透镜位置，使聚光镜反射光斑与凸透镜大小一致，并保持光源、聚光镜和凸透镜同轴。
27.图4中，调节光电转换模块4与光源的距离，比较有凸透镜与无凸透镜时光伏板上的光能利用率（即光伏板接收到的光能量与光源发出光能量的比值）变化趋势。从图4可以看出：当光伏接收面位置在500mm到2000mm范围内时，没有凸透镜时，由于光束发散角过大，光伏板接收到的光能量密度随着接收面距离增加，迅速衰减，导致光能利用率过低，而有凸透镜时，由于凸透镜进一步压缩了发散角，光伏板接收的光能利用率明显高于无凸透镜时接收的光能利用率，而且随着接收距离的增加，接收的光能并没有快速减少，表明凸透镜对光束有较好的汇聚效果，有助于提高接收面的光能利用率。
28.由上可知：通过改变光源和凸透镜的轴向位置，使得照射到光伏电池的光束发散角小，光斑能量分布均匀，即使改变光电转换模块4与光源2间的距离，仍能获得较高的光能利用率和光电转换效率，从而实现无线能量传输距离可调。提高光源功率，仍能使用本发明的无线能量传输系统，满足不同用电负荷的需要。
29.如图5所示，一种无线能量传输系统包括电源模块1、光源2、可见光能量传输装置3、光电转换模块4、电源变换模块5和负载6，电源模块1与光源2之间、光电转换模块4经电源变换模块5接至负载6之间采用线缆连接，光源2、可见光能量传输装置3及光电转换模块4之间均通过无线的光束传播。
30.实验测试测试设备包括350w氙灯光源，100mm平凸透镜，90mm口径聚光镜，聚光镜固定支架，平凸透镜固定支架，直流电源，方形多晶硅光伏电池板（边长130mm），直流电子负载，辐照计，光学平台，挡光板。
31.测试环境，气温约20摄氏度，无明显灰尘和干燥的实验室内进行测试。
32.测试步骤如下：（1）将氙灯、聚光镜、平凸透镜和光伏电池板固定，并使其中心高度相同，其中氙灯、平凸透镜和光伏电池板在轴向可以移动。
33.（2）调节氙灯光源的轴向离焦量，利用挡光斑观察f2焦平面的光斑均匀度及大小，为负向离焦量为3mm时，得到f2焦平面的均匀光斑。
34.（3）调节平凸透镜的轴向位置，使投射到平凸透镜平面侧的光斑正好覆盖平凸透镜。改变光伏电池板的位置距离光源2m，使经平凸透镜准直的光束照射到光伏电池板，并全覆盖光伏电池。
35.（4）光伏电池输出的正负极性端分别连接直流电池负载的正负极性。接通氙灯电源，调节直流电阻负载的电阻，当电阻匹配完成后，测得光伏电池板输出电功率3.6w。
36.（5）按照以上相同的测试条件，从以上步骤中移开平凸透镜后，测得光伏电池板最大输出电功率0.36w。
37.在光伏电池板的位置距离光源太近（低于0.5m）时，由于光束沿氙灯轴向发出，氙灯电极阻挡光线，造成光伏板上出现不同程度的暗斑，辐照分布严重不均，光伏电池的输出
效率会显著降低。
38.本发明的可见光能量传输装置有效提高了可见光无线传能系统的能量传输效率，满足较多场景下小功率无线供电需求；通过提高光源功率、增加凸透镜组合，可以进一步增加传输距离至数米和提高输出电功率至数十瓦。
39.针对中距离、强电磁干扰等恶劣环境下的无线传感器节点的电力供应问题，本发明的可见光能量传输装置利用可见光实现数米至数十米距离的无线能量供给，有助于弥补当前无线供电的中距离盲区。本无线能量传输系统所用设备成本低、易携带安装，具备明显的工程实用性和很高的性价比。