一种无线输电系统的制作方法
专利名称:一种无线输电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种无线输电系统，属于电子仪器领域。本实用新型包含底座、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。
【专利说明】
一种无线输电系统
技术领域
[0001]本实用新型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。
【背景技术】
[0002]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1T(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1T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1T的智能家居系统，若想要实现1T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1T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)。
[0003]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.特斯拉发明的无线输电技术，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lkm，接收整流天线直径可高达1km)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、A4W0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1W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1mm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。
[0004]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.—个充电线圈无法实现多设备同时充电。
[0005]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(I CNIRP)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10uT，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。
[0006]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夕卜，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一一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一一，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W1-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，W1-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W1-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W1-Charge无线充电系统类似。
[0007]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I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。
[0008]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”，再加上专利附图中图3，和权利要求书中，权利要求7“所述控制模块根据电子设备的面积或位置选择性地开启LED阵列中的一部分或全部”。上述权利要求、说明书和专利附图中的说明和图示，指出了专利CN201110268224.7实际上采用了发光LED阵列与光线接受设备紧贴的方案，输电和充电设备的实际使用方法类似于采用QI标准的近距离无线输电方案。该专利不得不采用输电和充电设备紧贴方式输电的原因，正是因为上面提到的，散射光线投射在某点上的能量与点光源与该点的距离的平方呈反比(在较大相对距离上，面光源的情况类似)的限制。这就显著缩小了该专利的使用范围和适用性。
[0009]为解决在较远距离下，以光为载体传递能量时，未指向需要充电的设备的无用能量损耗过大的问题，申请号为CN201510421496.4《一种小功率无线充电装置》的专利提供了一种能通过“寻向机”自动旋转“电光转换器”，从而实现让“电光转换器”通过两轴圆周扫描的方法找到和对准需要充电设备的“光电转换器受光面”，并发出能照射到“光电转换器受光面”的“光柱”实现无线充电。相对于上面提到的其他利用全向辐射的光能实现无线充电的专利，专利CN201510421496.4采用了定向的光路，这就减少了无用的红外线损耗。然而该方案也存在不足之处，首先是对于大部分应用下，“寻向机”及其控制机构的成本过高的问题:对于大部分智能移动设备来说，为满足移动便利性要求，设备的表面积是较小的。而且如手机和平板电脑等正在使用中的智能移动设备很难保持其位置固定不变。所以，如果需要充电的设备离该专利中所述的“电光转换器”较远(如数米或数十米)，易于从平面几何原理推知(相似三角形某条边的边长(即寻向机与用电设备的距离)放大十倍，其他边的边长也要放大十倍，此时为在某条边上获得相同数值的直线距离(如某个移动设备上光伏板短边边长的一半)定位精度，角度定位分辨率也需要放大十倍)，用来实现自寻的功能的“寻向机”，其角度定位精度必须很高才能实现准确的指向，这就大幅度提高了机械系统的成本并增加了扫描时间。或者需要通过增加光柱的直径来增加光柱的覆盖面积，以大幅度牺牲总体转换率的代价降低“寻向机”的空间角度定位精度要求。其次，与基于电磁谐振的无线充电技术不同，即使该专利的无线充电装置确实能够实现足够高的寻的定位精度，光伏板与光柱之间的夹角也会显著影响光电转换率。大量对太阳能和光伏板的研究显示，光路与光伏板之间的夹角在80?90度间才能获得最高的转换率，而当夹角逐渐变小时，转换率会大幅度下降，相比最优角度，大夹角时转换效率下降幅度甚至可达85%以上。这就是为何太阳能光伏发电站必须配备太阳能跟踪系统，时刻调整光伏板对太阳的指向的原因。所以专利CN201510421496.4的技术方案只解决了红外线充电系统中关于寻向的一部分问题，难以兼顾转换效率，从而只能被限制于小功率无线充电用途。再加上在无线充电系统中增加“寻向机”和在需充电设备中增设“导向探头”导致整个寻向系统需要高昂的系统成本，和精确扫描和定位需供电设备的空间位置所需要花费的大量时间，并需要对需供电设备进行额外改造一一增设导向探头(105)。所以该方案用于小功率设备的无线充电的经济性和适用性不佳。再次，该方案无法解决LED发光元件和光伏板在传递功率光束时必然产生的发热导致两者转换效率和寿命降低的问题。最后，对于专利CN201510421496.4的附图18中所示的，被输电设备在光电转换器(101)上只设一个导向探头(105)的情况，其自动定位方案实际上只能定位产生“十”字扫描光带的横向扫描枪或者纵向扫描枪中的一个(因为以该专利说明书所述的扫描方式，当其纵向“I”字形光带扫描至导向探头(105)后，探头(105)的传感器上一直存在光电信号，此时横向“一”字光带是否扫描到探头(105)是难以判断的。原因是因为无线充电距离的多变性(对于点光源，空间上某点上光信号的强度与距离的平方呈现反比)和定位转动机械不可避免的振动会造成狭缝光带照射下光电信号强度总在实时变化的问题，想要依靠光电信号强度变化确定导向探头(105)是否处于“十”字扫描信号的中心点是很困难的)一一易于理解，要同时不受干扰地定位横向扫描枪和纵向扫描枪的“一”形和“I”形定位光带的位置，实际上需要在光电转换器(101)上布置两个不重合的导向探头(105)来各自确认“一”形和“I”形定位光带已经分别定位。换言之，专利CN201510421496.4的方案具还存在技术问题。
[0010]此外，当前光学技术已经比较完善，如激光笔因为激光频率的一致性导致光路在透镜中的折射率不变，易于定制聚焦镜片的曲率等参数，从而将激光聚焦成平行光束。有国外报道显示，市售的激光笔配合定制的驱动电路(信号调制电路)，可以将数字信息调制到激光的闪烁频率中去，并传递到172公里远外的接收器进行解调，以实现数字信息(实验中是音乐信号)的超远程传输。而现有的骑行等用途的LED强光电筒，在低成本下，虽然其白光LED发出的是非单一频率的连续光谱，导致不同频率的光在透镜中的折射率不同，然而通过合理的光路设计，还能做到将LED发出的光聚焦到几十米(一般为40至90米)外的，直径约为几厘米到几十厘米(具体直径一般通过镜片间的距离进行调整)的圆形光斑上。
【实用新型内容】
[0011]本实用新型的目的在于提供一种用于可在中长距离上对固定位置的移动智能设备、智能传感器或其他无线设备进行无线充电的装置。
[0012]为实现上述目的，本实用新型的技术方案为:一种无线输电系统，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，并含有供电电路、控制系统、红外线LED驱动系统;所述转向定位机构一端固定在底座上，另一端固定于发射端，为具备一定刚度的可弯曲的空心管、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;所述发射端用于固定和安装透镜安装座的空间位置和具体空间指向，并可通过对红外线光路侧边的大深度遮蔽阻圈来挡微量的散射红外光，以防止干扰室内摄像头等传感器的拍摄和感光效果;所述透镜安装座为圆桶形结构，其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。所述聚焦系统，其各构成镜片可以是若干凹透镜与凸透镜组成的镜片组，也可以是若干成本较低的菲涅尔镜片组成的镜片组，这些镜片组通过合理的参数设计，可将红外发射器发出的散射的红外线聚焦为近似平行的光束，并从发射端开口处射向预定的位置；当本装置的底座位置固定，需要接受无线输电的用电设备位置也固定时，通过手动或者附加的自动调节机构调节发射端指向用电设备的红外线接收器，就可以实现采用聚焦的红外线光束定向传递能量。用电设备则通过接收器中对应的光伏板将红外线转化为所需的电能。
[0013]需强调，当底座内安装红外线LED驱动系统为LED驱动电源模块时，则该系统为红外LED芯片的恒流供电电路，此时对应的转向定位机构内部通道安装导线，对应红外发射器为红外线LED芯片。当所述的红外线LED驱动系统为包含红外LED芯片和恒流供电电路的整套红外LED发光系统时，对应的转向定位机构内部通道安装光纤，对应红外发射器为光纤端头。
[0014]本实用新型的有益效果:本无线输电系统可将电能转换为聚焦后的，接近于平行的红外线光束，定向传递给较远距离外需要无线供电的设备，并由该设备转化为电能以实现无线输电，且成本很低；同时因为红外光束能够实现定向收敛而非全方位发散的无线传输，不会影响周围环境舒适度、不会造成电磁污染和干扰其他设备的正常运行。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型专利主体结构的示意简图。图中，I底座，2转向定位机构，3发射端，4透镜安装底座。
[0016]图2是本实用新型发射端内部结构示意简图。图中，2转向定位机构，4透镜安装底座，5聚焦系统，6红外线发射器。
[0017]图3是一种用电设备上可行的红外线收集机构原理示意简图。图中，7光伏板，8聚光管。
【具体实施方式】
[0018]在图1中，底座I通过配重或吸盘等机构可稳固拜访和固定在所需位置，内部含有供电电路、控制系统、红外线LED驱动系统，并通过电源线从外部获得电源供应，所述红外线LED驱动系为红外LED驱动电源模块，或包含驱动电源的红外LED模组。转向定位机构2—端连接在底座I上，另一端连接安装在发射端3内的透镜安装底座4，转向定位机构2的结构为具有一定刚度且可弯曲的弹性管道(如不锈钢波纹管等)、或关节轴承、或杆端关节轴承，且弹性管道、关节轴承或杆端关节轴承内有安装导线或光纤的通道。通过上述结构，只要通过合理的结构设计，就能确保转向定位机构2因为波纹管的内应力平衡，或关节轴承和杆端关节轴承的附加摩擦力(可通过改变公差数值，或在轴承内添加附加阻尼垫片等附件实现)，在转动调节发射端3的指向后，转向定位机构2能够长期保持发射端3当前相对于底座I的空间位置和具体指向。因为透镜安装底座4安装在发射端3，并受到发射端3的牢固固定，所以如果底座I位置固定，则当发射端3的位置和指向通过手工或自动定位系统扳动而确定后，透镜安装底座4的空间位置和指向也同时获得确定。
[0019]在图2中，所述红外线发射器6为能够发射红外线的部件，即红外LED芯片，或者红外线光纤端头。需补充，当红外线发射器6为红外线LED芯片时，转向定位机构2内部管道中安装有红外LED芯片供电的导线，透镜安装底座4为金属，尤其是铝制部件，同时作为LED芯片的散热器；当红外线发射器6为红外线光纤端头时，转向定位机构2内部管道中安装有红外线光纤，而红外LED芯片则安装在图1中的底座I内，即可通过适当的透镜组和光路将底座
I内的若干红外LED芯片阵列发出的红外光聚焦后通过转向定位机构2内的光纤输送到聚焦系统5之前。将红外LED芯片放置于体积较大并可用采用大面积散热片和散热风扇等辅助散热手段的底座I内，可以放宽布置LED阵列时受到的体积和散热限制，使发射端3相对于前一种方案，可以输出更高功率的红外光束。
[0020]易理解，无论红外线发射器6为红外LED芯片，还是红外线光纤端头，其都能释放具有一定功率的红外线。并因可定制红外LED芯片使得光谱中能量分布具备集中性，进而实现能量分布比例最高的光段谱，通过由若干对应该光谱段频率折射率已定的透镜组成的聚焦系统5，聚焦为高度近似平行光的狭窄光束。而且因为载能光谱频率段较窄的原因，透镜的加工要求和成本可大大降低，并可采用若干加工成本最低(因为形成所需曲率不需要精密研磨工艺)的菲涅尔透镜组成聚焦系统5。只要确保从聚焦系统5射出的红外线光束中，载能比例最高的主要光谱频段的光线在实用距离上(对于一般的室内无线输电应用，保持红外光束在几十米内不明显发散即可)能够形成近似平行的狭窄光束，则远距离能量传输的损耗仅有少量尘埃造成的散射，实际传输损耗可忽略不计。而不会产生全向散射的红外线输电技术共有的，空间位置上某点或某截面上获得的红外线辐射能量与该点和点光源的距离呈反比的问题。
[0021]为进一步降低组成聚焦系统5的镜片组，和透镜安装底座4的加工精度要求，以及聚焦系统5在透镜安装底座4上安装的距离和同轴度要求，即进一步降低发射端3输出的红外线光束的平行度要求，从而进一步降低系统成本，可对需要无线供电的用电设备的红外线接收部件进行结构优化。
[0022]图3是一个可行的用电设备的红外线接收部件的接收率增强结构示意简图。
[0023]在图3中，安装在用电设备上的光伏板7固定于聚光管8的底部。所述光伏板7应由相对传统硅基光伏板而言，对红外线转换效率较高的材料制成，此类材料如砷化镓、钙基(如钙钛晶体)、纳米银、金属-半导体复合物、量子点或铁电光伏板，均为公知技术。所述聚光管8为金属质地的锥形管和对直径较小端进行封闭的金属圆板构成(也可一体冲压制造)，材质宜为铝。聚光管8内壁应通过精磨、电解磨削或电镀等方法加工为光滑镜面，使未能正对光伏板7射入聚光管8的红外线光束进行镜面反射，以提高光伏板7上红外线的获得率。此外，当光伏板7上获得一定功率的聚焦的红外线光束照射后，光伏板7容易发生较高的温升而降低光电转换效率，此时具有远大于光伏板7表面积和总热容量的聚光管8可以成为光伏板7的被动散热器，从而使光伏板7的温升大幅度降低以保障转换效率的稳定性。该结构也可以通过聚光原理使光伏板7的面积减小数倍，从而大幅度降低光伏板7的使用成本，或者在可接受的成本下采用具备更高转换率材料的光伏板7。为尽可能提高光伏板7的转换效率，安装光伏板7的聚光管8在用电设备上宜设计为角度可调机构，以便于用户手动或自动调整聚光管8针对于发射端3的夹角，以保证光伏板7的光照夹角处于较小值。
[0024]实际使用中，假设某个发射端3内通过聚焦系统5聚焦后发射发出的红外光功率约为6瓦左右(如使用3颗标称功率为3瓦的红外LED灯珠作为红外光源，为简化计算取实际输出值为6瓦)，以室内或车内空气洁净度估算，在25米外经过尘埃散射后用电设备的光伏板7能获得5.7瓦以上的红外线光束能量。出于经济性考虑，假设对给定频率的红外线定制优化的光伏板7，在对红外线实际使用夹角下的平均光电转换率为45%，则当单个发射端3对准用电系统进行无线输电时，用电系统可获得稳定的2.57瓦供电(已大于USB1.0规范的最大供电功率为5伏500毫安所提供的2.5瓦供电，更常见的是350毫安)。使用两个发射端3对同一用电系统进行无线输电时，功率已经可以驱动常用的，不带红外补光功能的室内监控用摄像头。对于常规的室内温湿度和光照亮度等无线传感器来说，2.57瓦供电功率已经有足够的功率裕量。而对于功耗更高的无线用电设备，可通过提高为发射端3提供红外线的光源功率强度(如使用更多的大功率红外线灯珠)，或采用更多数量的发射端3对其进行供电，也可通过采用对于给定频率的红外线转换效率更好的光伏板7提高实际电能获取量，甚至可以用转换率更低的光伏板配合更多的LED红外芯片以降低转换效率的方法节约用电设备成本。需指出，对于光伏板7和聚光管8，增设少量升压和稳压电路后，则该红外线接收部件可作为独立组件(等同于充电宝和移动电源)，通过标准USB输出口等等通用供电接口，也可对前市场上已有的不同型号的直流供电设备进行供电，从而实现对现有智能设备由有线供电升级为无线供电设备。这对于降低此类设备的安装和使用门槛，防止破坏装修效果等方面有很大助益。该红外线接收部件也可用于对传统低功耗设备增设高功耗应用时进行辅助供电，如可在行车记录仪上添加自动导航模块、通讯模块和跑偏报警模块，并增加平行显示(又叫抬头显示，英文缩写为HUD，S卩Head Up Display，通过微型投影仪将图像投影在汽车等交通工具的挡风玻璃上，以便于驾驶员在不低头查看仪表盘等实时了解各种数据信息)输出功能。
[0025]作为优选，为进一步提高本专利的无线输电系统的适用性，宜在底座I内增设无线数据传输系统，以便于与需要无线供电的设备进行数据交换，以确定当前用电设备的电池电压是否过低，是否需要开启或者关闭对应于该设备的发射端3的红外线传输。与此同时，底座I内宜增设智能控制系统，并通过无线网络获得及存储各无线用电设备的工作参数和工作时间等代码和数据，成为控制这些用电设备开启或关闭(对于无线传感器等不需要设置充电电池的设备，可直接通过开启和关闭无线输电来控制此类设备的开关)的1T控制中心。此时，对于室内监控摄像头之类可变功耗(如在室内无人时，通过降低传感器和视频处理电路的采样频率，或在室内有光照时关闭红外线补光灯等方法降低功耗)的无线用电设备，本专利的无线输电系统可控制和识别该设备当前处于何种功耗的工作状态下，以实时改变供电功率(如关闭多个发射端3中的一个或数个，或者降低或提高LED供电电路的电流数值)。
[0026]作为优选，如为控制本专利的无线输电系统的成本，可不采用自动定位系统对发射端3进行用电设备指向定位。此时为了便于观察手动调节发射端3时是否已经指向聚光管8内的光伏板7，可在底座I (当红外LED设在底座I内时)添加一个发射可见光的LED，在或发射端3上添加一个光路平行于红外光束的定向可见光发射器。以便于用户在手动调节发射端3时，通过与红外光束重合或平行紧贴的可见光点位置，来判断不可视的红外线光束对准的位置是否符合预期。
【主权项】
1.一种无线输电系统，其特征在于:包含底座(I)、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(I)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) —端固定在底座(I)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。2.根据权利要求1所述的一种无线输电系统，其特征在于:所述的底座(I)内的红外线LED驱动系统，为红外LED芯片的恒流供电电路，或包含红外LED芯片和恒流供电电路的整套红外LED发光系统；当所述的红外线LED驱动系统为红外LED芯片的恒流供电电路时，对应的转向定位机构(2)内部通道安装导线，对应红外发射器(6)为红外线LED芯片，当所述的红外线LED驱动系统为包含红外LED芯片和恒流供电电路的整套红外LED发光系统时，对应的转向定位机构(2)内部通道安装光纤，对应红外发射器(6)为光纤端头。3.根据权利要求1所述的一种无线输电系统，其特征在于:所述聚焦系统(5)，其各构成镜片可以是若干凹透镜与凸透镜组成的镜片组，也可以是若干菲涅尔镜片组成的镜片组。
【文档编号】H02J50/30GK205725181SQ201620393820
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】赵文扬, 李影, 陈忠
【申请人】杭州睿恂唯信科技有限公司
【专利摘要】本实用新型公开了一种无线输电系统，属于电子仪器领域。本实用新型包含底座、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。
【专利说明】
一种无线输电系统
技术领域
[0001]本实用新型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。
【背景技术】
[0002]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1T(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1T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1T的智能家居系统，若想要实现1T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1T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)。
[0003]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.特斯拉发明的无线输电技术，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lkm，接收整流天线直径可高达1km)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、A4W0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1W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1mm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。
[0004]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.—个充电线圈无法实现多设备同时充电。
[0005]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(I CNIRP)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10uT，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。
[0006]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夕卜，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一一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一一，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W1-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，W1-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W1-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W1-Charge无线充电系统类似。
[0007]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I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。
[0008]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”，再加上专利附图中图3，和权利要求书中，权利要求7“所述控制模块根据电子设备的面积或位置选择性地开启LED阵列中的一部分或全部”。上述权利要求、说明书和专利附图中的说明和图示，指出了专利CN201110268224.7实际上采用了发光LED阵列与光线接受设备紧贴的方案，输电和充电设备的实际使用方法类似于采用QI标准的近距离无线输电方案。该专利不得不采用输电和充电设备紧贴方式输电的原因，正是因为上面提到的，散射光线投射在某点上的能量与点光源与该点的距离的平方呈反比(在较大相对距离上，面光源的情况类似)的限制。这就显著缩小了该专利的使用范围和适用性。
[0009]为解决在较远距离下，以光为载体传递能量时，未指向需要充电的设备的无用能量损耗过大的问题，申请号为CN201510421496.4《一种小功率无线充电装置》的专利提供了一种能通过“寻向机”自动旋转“电光转换器”，从而实现让“电光转换器”通过两轴圆周扫描的方法找到和对准需要充电设备的“光电转换器受光面”，并发出能照射到“光电转换器受光面”的“光柱”实现无线充电。相对于上面提到的其他利用全向辐射的光能实现无线充电的专利，专利CN201510421496.4采用了定向的光路，这就减少了无用的红外线损耗。然而该方案也存在不足之处，首先是对于大部分应用下，“寻向机”及其控制机构的成本过高的问题:对于大部分智能移动设备来说，为满足移动便利性要求，设备的表面积是较小的。而且如手机和平板电脑等正在使用中的智能移动设备很难保持其位置固定不变。所以，如果需要充电的设备离该专利中所述的“电光转换器”较远(如数米或数十米)，易于从平面几何原理推知(相似三角形某条边的边长(即寻向机与用电设备的距离)放大十倍，其他边的边长也要放大十倍，此时为在某条边上获得相同数值的直线距离(如某个移动设备上光伏板短边边长的一半)定位精度，角度定位分辨率也需要放大十倍)，用来实现自寻的功能的“寻向机”，其角度定位精度必须很高才能实现准确的指向，这就大幅度提高了机械系统的成本并增加了扫描时间。或者需要通过增加光柱的直径来增加光柱的覆盖面积，以大幅度牺牲总体转换率的代价降低“寻向机”的空间角度定位精度要求。其次，与基于电磁谐振的无线充电技术不同，即使该专利的无线充电装置确实能够实现足够高的寻的定位精度，光伏板与光柱之间的夹角也会显著影响光电转换率。大量对太阳能和光伏板的研究显示，光路与光伏板之间的夹角在80?90度间才能获得最高的转换率，而当夹角逐渐变小时，转换率会大幅度下降，相比最优角度，大夹角时转换效率下降幅度甚至可达85%以上。这就是为何太阳能光伏发电站必须配备太阳能跟踪系统，时刻调整光伏板对太阳的指向的原因。所以专利CN201510421496.4的技术方案只解决了红外线充电系统中关于寻向的一部分问题，难以兼顾转换效率，从而只能被限制于小功率无线充电用途。再加上在无线充电系统中增加“寻向机”和在需充电设备中增设“导向探头”导致整个寻向系统需要高昂的系统成本，和精确扫描和定位需供电设备的空间位置所需要花费的大量时间，并需要对需供电设备进行额外改造一一增设导向探头(105)。所以该方案用于小功率设备的无线充电的经济性和适用性不佳。再次，该方案无法解决LED发光元件和光伏板在传递功率光束时必然产生的发热导致两者转换效率和寿命降低的问题。最后，对于专利CN201510421496.4的附图18中所示的，被输电设备在光电转换器(101)上只设一个导向探头(105)的情况，其自动定位方案实际上只能定位产生“十”字扫描光带的横向扫描枪或者纵向扫描枪中的一个(因为以该专利说明书所述的扫描方式，当其纵向“I”字形光带扫描至导向探头(105)后，探头(105)的传感器上一直存在光电信号，此时横向“一”字光带是否扫描到探头(105)是难以判断的。原因是因为无线充电距离的多变性(对于点光源，空间上某点上光信号的强度与距离的平方呈现反比)和定位转动机械不可避免的振动会造成狭缝光带照射下光电信号强度总在实时变化的问题，想要依靠光电信号强度变化确定导向探头(105)是否处于“十”字扫描信号的中心点是很困难的)一一易于理解，要同时不受干扰地定位横向扫描枪和纵向扫描枪的“一”形和“I”形定位光带的位置，实际上需要在光电转换器(101)上布置两个不重合的导向探头(105)来各自确认“一”形和“I”形定位光带已经分别定位。换言之，专利CN201510421496.4的方案具还存在技术问题。
[0010]此外，当前光学技术已经比较完善，如激光笔因为激光频率的一致性导致光路在透镜中的折射率不变，易于定制聚焦镜片的曲率等参数，从而将激光聚焦成平行光束。有国外报道显示，市售的激光笔配合定制的驱动电路(信号调制电路)，可以将数字信息调制到激光的闪烁频率中去，并传递到172公里远外的接收器进行解调，以实现数字信息(实验中是音乐信号)的超远程传输。而现有的骑行等用途的LED强光电筒，在低成本下，虽然其白光LED发出的是非单一频率的连续光谱，导致不同频率的光在透镜中的折射率不同，然而通过合理的光路设计，还能做到将LED发出的光聚焦到几十米(一般为40至90米)外的，直径约为几厘米到几十厘米(具体直径一般通过镜片间的距离进行调整)的圆形光斑上。
【实用新型内容】
[0011]本实用新型的目的在于提供一种用于可在中长距离上对固定位置的移动智能设备、智能传感器或其他无线设备进行无线充电的装置。
[0012]为实现上述目的，本实用新型的技术方案为:一种无线输电系统，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，并含有供电电路、控制系统、红外线LED驱动系统;所述转向定位机构一端固定在底座上，另一端固定于发射端，为具备一定刚度的可弯曲的空心管、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;所述发射端用于固定和安装透镜安装座的空间位置和具体空间指向，并可通过对红外线光路侧边的大深度遮蔽阻圈来挡微量的散射红外光，以防止干扰室内摄像头等传感器的拍摄和感光效果;所述透镜安装座为圆桶形结构，其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。所述聚焦系统，其各构成镜片可以是若干凹透镜与凸透镜组成的镜片组，也可以是若干成本较低的菲涅尔镜片组成的镜片组，这些镜片组通过合理的参数设计，可将红外发射器发出的散射的红外线聚焦为近似平行的光束，并从发射端开口处射向预定的位置；当本装置的底座位置固定，需要接受无线输电的用电设备位置也固定时，通过手动或者附加的自动调节机构调节发射端指向用电设备的红外线接收器，就可以实现采用聚焦的红外线光束定向传递能量。用电设备则通过接收器中对应的光伏板将红外线转化为所需的电能。
[0013]需强调，当底座内安装红外线LED驱动系统为LED驱动电源模块时，则该系统为红外LED芯片的恒流供电电路，此时对应的转向定位机构内部通道安装导线，对应红外发射器为红外线LED芯片。当所述的红外线LED驱动系统为包含红外LED芯片和恒流供电电路的整套红外LED发光系统时，对应的转向定位机构内部通道安装光纤，对应红外发射器为光纤端头。
[0014]本实用新型的有益效果:本无线输电系统可将电能转换为聚焦后的，接近于平行的红外线光束，定向传递给较远距离外需要无线供电的设备，并由该设备转化为电能以实现无线输电，且成本很低；同时因为红外光束能够实现定向收敛而非全方位发散的无线传输，不会影响周围环境舒适度、不会造成电磁污染和干扰其他设备的正常运行。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型专利主体结构的示意简图。图中，I底座，2转向定位机构，3发射端，4透镜安装底座。
[0016]图2是本实用新型发射端内部结构示意简图。图中，2转向定位机构，4透镜安装底座，5聚焦系统，6红外线发射器。
[0017]图3是一种用电设备上可行的红外线收集机构原理示意简图。图中，7光伏板，8聚光管。
【具体实施方式】
[0018]在图1中，底座I通过配重或吸盘等机构可稳固拜访和固定在所需位置，内部含有供电电路、控制系统、红外线LED驱动系统，并通过电源线从外部获得电源供应，所述红外线LED驱动系为红外LED驱动电源模块，或包含驱动电源的红外LED模组。转向定位机构2—端连接在底座I上，另一端连接安装在发射端3内的透镜安装底座4，转向定位机构2的结构为具有一定刚度且可弯曲的弹性管道(如不锈钢波纹管等)、或关节轴承、或杆端关节轴承，且弹性管道、关节轴承或杆端关节轴承内有安装导线或光纤的通道。通过上述结构，只要通过合理的结构设计，就能确保转向定位机构2因为波纹管的内应力平衡，或关节轴承和杆端关节轴承的附加摩擦力(可通过改变公差数值，或在轴承内添加附加阻尼垫片等附件实现)，在转动调节发射端3的指向后，转向定位机构2能够长期保持发射端3当前相对于底座I的空间位置和具体指向。因为透镜安装底座4安装在发射端3，并受到发射端3的牢固固定，所以如果底座I位置固定，则当发射端3的位置和指向通过手工或自动定位系统扳动而确定后，透镜安装底座4的空间位置和指向也同时获得确定。
[0019]在图2中，所述红外线发射器6为能够发射红外线的部件，即红外LED芯片，或者红外线光纤端头。需补充，当红外线发射器6为红外线LED芯片时，转向定位机构2内部管道中安装有红外LED芯片供电的导线，透镜安装底座4为金属，尤其是铝制部件，同时作为LED芯片的散热器；当红外线发射器6为红外线光纤端头时，转向定位机构2内部管道中安装有红外线光纤，而红外LED芯片则安装在图1中的底座I内，即可通过适当的透镜组和光路将底座
I内的若干红外LED芯片阵列发出的红外光聚焦后通过转向定位机构2内的光纤输送到聚焦系统5之前。将红外LED芯片放置于体积较大并可用采用大面积散热片和散热风扇等辅助散热手段的底座I内，可以放宽布置LED阵列时受到的体积和散热限制，使发射端3相对于前一种方案，可以输出更高功率的红外光束。
[0020]易理解，无论红外线发射器6为红外LED芯片，还是红外线光纤端头，其都能释放具有一定功率的红外线。并因可定制红外LED芯片使得光谱中能量分布具备集中性，进而实现能量分布比例最高的光段谱，通过由若干对应该光谱段频率折射率已定的透镜组成的聚焦系统5，聚焦为高度近似平行光的狭窄光束。而且因为载能光谱频率段较窄的原因，透镜的加工要求和成本可大大降低，并可采用若干加工成本最低(因为形成所需曲率不需要精密研磨工艺)的菲涅尔透镜组成聚焦系统5。只要确保从聚焦系统5射出的红外线光束中，载能比例最高的主要光谱频段的光线在实用距离上(对于一般的室内无线输电应用，保持红外光束在几十米内不明显发散即可)能够形成近似平行的狭窄光束，则远距离能量传输的损耗仅有少量尘埃造成的散射，实际传输损耗可忽略不计。而不会产生全向散射的红外线输电技术共有的，空间位置上某点或某截面上获得的红外线辐射能量与该点和点光源的距离呈反比的问题。
[0021]为进一步降低组成聚焦系统5的镜片组，和透镜安装底座4的加工精度要求，以及聚焦系统5在透镜安装底座4上安装的距离和同轴度要求，即进一步降低发射端3输出的红外线光束的平行度要求，从而进一步降低系统成本，可对需要无线供电的用电设备的红外线接收部件进行结构优化。
[0022]图3是一个可行的用电设备的红外线接收部件的接收率增强结构示意简图。
[0023]在图3中，安装在用电设备上的光伏板7固定于聚光管8的底部。所述光伏板7应由相对传统硅基光伏板而言，对红外线转换效率较高的材料制成，此类材料如砷化镓、钙基(如钙钛晶体)、纳米银、金属-半导体复合物、量子点或铁电光伏板，均为公知技术。所述聚光管8为金属质地的锥形管和对直径较小端进行封闭的金属圆板构成(也可一体冲压制造)，材质宜为铝。聚光管8内壁应通过精磨、电解磨削或电镀等方法加工为光滑镜面，使未能正对光伏板7射入聚光管8的红外线光束进行镜面反射，以提高光伏板7上红外线的获得率。此外，当光伏板7上获得一定功率的聚焦的红外线光束照射后，光伏板7容易发生较高的温升而降低光电转换效率，此时具有远大于光伏板7表面积和总热容量的聚光管8可以成为光伏板7的被动散热器，从而使光伏板7的温升大幅度降低以保障转换效率的稳定性。该结构也可以通过聚光原理使光伏板7的面积减小数倍，从而大幅度降低光伏板7的使用成本，或者在可接受的成本下采用具备更高转换率材料的光伏板7。为尽可能提高光伏板7的转换效率，安装光伏板7的聚光管8在用电设备上宜设计为角度可调机构，以便于用户手动或自动调整聚光管8针对于发射端3的夹角，以保证光伏板7的光照夹角处于较小值。
[0024]实际使用中，假设某个发射端3内通过聚焦系统5聚焦后发射发出的红外光功率约为6瓦左右(如使用3颗标称功率为3瓦的红外LED灯珠作为红外光源，为简化计算取实际输出值为6瓦)，以室内或车内空气洁净度估算，在25米外经过尘埃散射后用电设备的光伏板7能获得5.7瓦以上的红外线光束能量。出于经济性考虑，假设对给定频率的红外线定制优化的光伏板7，在对红外线实际使用夹角下的平均光电转换率为45%，则当单个发射端3对准用电系统进行无线输电时，用电系统可获得稳定的2.57瓦供电(已大于USB1.0规范的最大供电功率为5伏500毫安所提供的2.5瓦供电，更常见的是350毫安)。使用两个发射端3对同一用电系统进行无线输电时，功率已经可以驱动常用的，不带红外补光功能的室内监控用摄像头。对于常规的室内温湿度和光照亮度等无线传感器来说，2.57瓦供电功率已经有足够的功率裕量。而对于功耗更高的无线用电设备，可通过提高为发射端3提供红外线的光源功率强度(如使用更多的大功率红外线灯珠)，或采用更多数量的发射端3对其进行供电，也可通过采用对于给定频率的红外线转换效率更好的光伏板7提高实际电能获取量，甚至可以用转换率更低的光伏板配合更多的LED红外芯片以降低转换效率的方法节约用电设备成本。需指出，对于光伏板7和聚光管8，增设少量升压和稳压电路后，则该红外线接收部件可作为独立组件(等同于充电宝和移动电源)，通过标准USB输出口等等通用供电接口，也可对前市场上已有的不同型号的直流供电设备进行供电，从而实现对现有智能设备由有线供电升级为无线供电设备。这对于降低此类设备的安装和使用门槛，防止破坏装修效果等方面有很大助益。该红外线接收部件也可用于对传统低功耗设备增设高功耗应用时进行辅助供电，如可在行车记录仪上添加自动导航模块、通讯模块和跑偏报警模块，并增加平行显示(又叫抬头显示，英文缩写为HUD，S卩Head Up Display，通过微型投影仪将图像投影在汽车等交通工具的挡风玻璃上，以便于驾驶员在不低头查看仪表盘等实时了解各种数据信息)输出功能。
[0025]作为优选，为进一步提高本专利的无线输电系统的适用性，宜在底座I内增设无线数据传输系统，以便于与需要无线供电的设备进行数据交换，以确定当前用电设备的电池电压是否过低，是否需要开启或者关闭对应于该设备的发射端3的红外线传输。与此同时，底座I内宜增设智能控制系统，并通过无线网络获得及存储各无线用电设备的工作参数和工作时间等代码和数据，成为控制这些用电设备开启或关闭(对于无线传感器等不需要设置充电电池的设备，可直接通过开启和关闭无线输电来控制此类设备的开关)的1T控制中心。此时，对于室内监控摄像头之类可变功耗(如在室内无人时，通过降低传感器和视频处理电路的采样频率，或在室内有光照时关闭红外线补光灯等方法降低功耗)的无线用电设备，本专利的无线输电系统可控制和识别该设备当前处于何种功耗的工作状态下，以实时改变供电功率(如关闭多个发射端3中的一个或数个，或者降低或提高LED供电电路的电流数值)。
[0026]作为优选，如为控制本专利的无线输电系统的成本，可不采用自动定位系统对发射端3进行用电设备指向定位。此时为了便于观察手动调节发射端3时是否已经指向聚光管8内的光伏板7，可在底座I (当红外LED设在底座I内时)添加一个发射可见光的LED，在或发射端3上添加一个光路平行于红外光束的定向可见光发射器。以便于用户在手动调节发射端3时，通过与红外光束重合或平行紧贴的可见光点位置，来判断不可视的红外线光束对准的位置是否符合预期。
【主权项】
1.一种无线输电系统，其特征在于:包含底座(I)、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(I)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) —端固定在底座(I)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。2.根据权利要求1所述的一种无线输电系统，其特征在于:所述的底座(I)内的红外线LED驱动系统，为红外LED芯片的恒流供电电路，或包含红外LED芯片和恒流供电电路的整套红外LED发光系统；当所述的红外线LED驱动系统为红外LED芯片的恒流供电电路时，对应的转向定位机构(2)内部通道安装导线，对应红外发射器(6)为红外线LED芯片，当所述的红外线LED驱动系统为包含红外LED芯片和恒流供电电路的整套红外LED发光系统时，对应的转向定位机构(2)内部通道安装光纤，对应红外发射器(6)为光纤端头。3.根据权利要求1所述的一种无线输电系统，其特征在于:所述聚焦系统(5)，其各构成镜片可以是若干凹透镜与凸透镜组成的镜片组，也可以是若干菲涅尔镜片组成的镜片组。
【文档编号】H02J50/30GK205725181SQ201620393820
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】赵文扬, 李影, 陈忠
【申请人】杭州睿恂唯信科技有限公司
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