无线电力传输单元、发电机和具有无线电力单元的发电系统的制作方法

专利名称：无线电力传输单元、发电机和具有无线电力单元的发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种取代电磁感应或电磁波的传播而利用磁共振耦合来以无线方式传输电力的磁共振耦合无线电力传输单元。本发明还涉及一种通过磁共振耦合无线电力传输使由例如太阳能电池等发电部生成的电能的电压上升的发电机和发电系统。
背景技术：
在一般的太阳能发电系统中，采用将多个太阳能电池(以下简称为“电池”)排列于金属框内，将单元间相互连接起来的“太阳能电池模块”。在太阳能电池模块(以下简称为“模块”)的前面设置玻璃板，各电池在与大气隔离而密封的状态下工作。通过铺设这样的太阳能电池模块，从而能构筑太阳能发电系统。然而，这种太阳能发电系统的使用并未普及，因为这些电池和模块的制造成本过高，这是对于其引入的一个主要障碍。除此之外，也不能忽视铺设电池和模块来构成系统的成本较高这样的问题。由于铺设作业越是在高的地方，越危险且成本越高，这是太阳能发电系统的进一步普及的一个严重问题。另外，当在不是新建的建筑物中引入太阳能发电系统的情况下，难以安装用于将建筑物外的太阳能发电部与建筑物内部的电子设备相连接的布线，这也是传统的太阳能发电系统的一个大问题。如后面所述，所以在传统的太阳能发电系统中，由于各个电池的输出电压较低，为了得到操作电子设备所需的足够高的电压，需要连接多个太阳能电池。多个连接点处的可靠性的降低也成为导致使系统整体的长期可靠性降低的决定性因素。另外，如果这些模块和线缆随着长期使用而发生劣化，它们的替换物也应当被安装在那样的高度上。因此，维护成本也是不可忽视的。作为能够克服该问题的一种传统的太阳能发电机，提出了一种从建筑物外部经由建筑物的墙壁以无线方式提供能量的电力系统(例如，参照专利文献1)。该电力供给系统通过电磁感应方式发送穿过墙壁的RF(射频)能量。另一方面，专利文献2公开了一种穿过两个谐振器之间的空间从一个谐振器向另一个谐振器(反之亦然)传送能量的新型无线能量传送装置。该无线能量传送装置经由在围绕这两个谐振器的空间内产生的谐振频率的振动能量的短暂尾部(evanescent tail)而将两个谐振器彼此耦合，由此以无线方式传送振动能量。引用列表专利文献专利文献1 日本专利申请待审公开No. 2006-136045(实施例5和图16)专利文献2 美国专利申请公开No. 2008/027拟64 (图12和14)。

发明内容
(技术问题)
然而，专利文献1公开的电力系统不能解决太阳能发电器件自身的问题，即从各个电池输出的电压低。在太阳能发电领域中，由于其高能量转换效率而目前广泛使用的基于晶体硅的太阳能电池的输出电压Vc在0.5V左右。例如，如果需要将来自太阳能发电部的直流输出变换为交流电，一般的功率调节器的操作效率响应于300Vdc左右的输入电压而最大化。这是以高效率进行该变换的原因，应当通过将数百个电池串联连接从而将太阳能发电部的输出电压提高到300V左右。另外，如果连接至作为普通的家庭配电系统的三线单相电网系统(工作电压为100V或200V)，可以通过功率调节器使太阳能发电部的输出电压升压到200倍或更多。考虑到这样大地升高电压所导致的电力效率的降低，优选地仍是串联连接很大数量的电池以尽可能升高太阳能发电部的输出电压。应当注意，即使不在该太阳能发电系统中将直流电压变换为交流电，也会出现类似的问题。例如，在当今吸引了大量关注的直流供电系统中，其工作电压会是48Vdc或在 300至400Vdc的范围内。这就是为何当需要向直流供电系统提供太阳能时需要将数十个至数百个太阳能电池串联连接在一起的原因。然而，串联连接的电池或模块的个数越大，由于所谓的“局部遮挡”(即，安装区的一部分进入遮挡处)或者由于待安装的那些电池或模块中的一部分的特性发生劣化，越容易导致系统整体性能的降低。为了克服这样的问题，通常采用应对措施，例如在每一个模块内引入旁路二极管。这种措施不是优选的，因为在该情况下会产生过多热量或成本急剧增力口。同时，即使当需要采用具有升压功能的一般的DC/DC转换器进行升压时，也难以实现能大幅降低串联连接的电池的数目的足够高的升压比。提供本发明的优选实施例，以克服传统系统中的上述问题。因此，本发明的一个目的在于提供一种能够有效地增大发电部的低输出电压的无线电力传输单元。(解决问题的技术方案)根据本发明的无线电力传输单元，包括振荡器，用于将DC能量变换为具有频率 f0的RF能量；第一天线，发送所述RF能量，所述第一天线包括第一电感器和第一电容器， 所述第一电感器和所述第一电容器串联连接以形成具有谐振频率fT的串联谐振电路；以及第二天线，通过耦合谐振磁场来接收由所述第一天线已经发送的所述RF能量的至少一部分，所述第二天线包括第二电感器以及第二电容器，所述第二电感器以及所述第二电容器并联连接以形成具有谐振频率fR的并联谐振电路。所述谐振频率fT以及所述谐振频率 fR被设定为实质上等于所述RF能量的所述频率f0。假定所述振荡器具有升压比Voc，所述第一电感器具有电感Ll，所述第二电感器具有电感L2，以及所述第一天线与所述第二天线具有耦合系数k，则所述电力传输单元满足(L2/L1)彡4(k/Voc)2。根据本发明的发电机，包括发电部，用于输出DC能量；以及与所述发电部相连的无线电力传输单元。所述无线电力传输单元包括振荡器，用于将所述DC能量变换为具有频率f0的RF能量；第一天线，发送所述RF能量，所述第一天线包括第一电感器和第一电容器，所述第一电感器和所述第一电容器串联连接以形成具有谐振频率fT的串联谐振电路； 以及第二天线，通过耦合谐振磁场来接收由所述第一天线已经发送的所述RF能量的至少一部分，所述第二天线包括第二电感器以及第二电容器，所述第二电感器以及所述第二电容器并联连接以形成具有谐振频率fR的并联谐振电路。所述谐振频率fT以及所述谐振频率fR被设定为实质上等于所述RF能量的所述频率f0。假定所述振荡器具有升压比Voc，所述第一电感器具有电感Ll，所述第二电感器具有电感L2，以及所述第一天线与所述第二天线具有耦合系数k，则所述发电机满足(L2/L1)彡4(k/Voc)2。在一个优选实施例中，所述发电部是太阳能发电部。在这个特定的优选实施例中，所述太阳能发电部使用晶体硅。在另一个优选实施例中，当所述第二天线的输出端子连接到跟随所述第二天线的负载时，所述振荡器的输出阻抗he以及所述第一天线的输入阻抗Zin实质上相等。在另一个优选实施例中，，当所述振荡器的输出端子连接到所述第一天线的输入端子时，所述第二天线的输出阻抗hut与跟随所述第二天线的负载的输入阻抗实质上相寸。在另一个优选实施例中，满足(L2/L1)彡100X (k/Voc)2。在另一个优选实施例中，满足(L2/L1)彡10000X (k/Voc)2。在另一个优选实施例中，所述发电部和所述第一天线被设置在建筑物的外部，以及所述第二天线被安装在所述建筑物的内部。在另一个优选实施例中，所述第一电感器和所述第二电感器均具有空芯螺旋结构。在另一个优选实施例中，满足Ll < L2。在另一个优选实施例中，所述第二电感器的匝数N2大于所述第一电感器的匝数Ni。在另一个优选实施例中，所述第二电感器的面积大于所述第一电感器的面积。在这个特定的优选实施例中，当把所述第一电感器和所述第二电感器投影至所述第一天线的设置平面上时，所述第一电感器包括在由所述第二电感器的投影轮廓所限定的区域内。 在这个特定的优选实施例中，当把所述第一电感器和所述第二电感器投影至所述第一天线的设置平面上时，所述第一电感器的位置接近由所述第二电感器的投影轮廓所限定的区域的边缘。根据本发明的另一个无线电力传输单元，包括振荡器，用于将DC能量变换为具有频率f0的RF能量；第一天线，发送所述RF能量，所述第一天线包括第一电感器和第一电容器，所述第一电感器和所述第一电容器串联连接以形成具有谐振频率fT的串联谐振电路；第二天线，通过耦合谐振磁场来接收由所述第一天线已经发送的所述RF能量的至少一部分，所述第二天线包括第二电感器以及第二电容器，所述第二电感器以及所述第二电容器并联连接以形成具有谐振频率fR的并联谐振电路；以及整流器，用于将所述第二天线提供的所述RF能量变换为DC能量。所述谐振频率fT以及所述谐振频率fR被设定为实质上等于所述RF能量的所述频率f0。假定所述振荡器具有升压比Voc，所述整流器具有升压比 Vrr，所述第一电感器具有电感Li，所述第二电感器具有电感L2，以及所述第一天线与所述第二天线具有耦合系数k，则所述电力传输单元满足(L2/L1)彡4 (k/(Voc XVrr))2。根据本发明的另一个发电机，包括发电部，用于输出DC能量；以及与所述发电部相连的无线电力传输单元。所述无线电力传输单元包括振荡器，用于将所述DC能量变换为具有频率f0的RF能量；第一天线，发送所述RF能量，所述第一天线包括第一电感器和第一电容器，所述第一电感器和所述第一电容器串联连接以形成具有谐振频率fT的串联谐振电路；第二天线，通过耦合谐振磁场来接收由所述第一天线已经发送的所述RF能量的至少一部分，所述第二天线包括第二电感器以及第二电容器，所述第二电感器以及所述第二电容器并联连接以形成具有谐振频率fR的并联谐振电路；以及整流器，用于将所述第二天线提供的所述RF能量变换为DC能量。所述谐振频率fT以及所述谐振频率fR被设定为实质上等于所述RF能量的所述频率f0。假定所述振荡器具有升压比Voc，所述整流器具有升压比Vrr，所述第一电感器具有电感Ll，所述第二电感器具有电感L2，以及所述第一天线与所述第二天线具有耦合系数k，则所述发电机满足(L2/L1)彡4 (k/(Voc XVrr))2。在一个优选实施例中，所述发电部是太阳能发电部。在另一个优选实施例中，当所述整流器的输出端子连接到跟随所述整流器的负载时，所述振荡器的输出阻抗he以及所述第一天线的输入阻抗Zin实质上相等。在另一个优选实施例中，当所述振荡器的输出端子连接到所述第一天线的输入端子时，所述整流器的输出阻抗^mt与跟随所述整流器的负载的输入阻抗实质上相等。在另一个优选实施例中，满足(L2/L1)彡100Xk/(VocXVrr))2。在另一个优选实施例中，满足(L2/L1)彡2304X (k/Voc)2。在另一个优选实施例中，满足(L2/L1)彡10000X (k/Voc)2。在另一个优选实施例中，所述整流器是具有至少为2的升压比Vrr的倍压整流器电路。根据本发明的发电系统，包括多个发电机。在所述发电机中至少两个发电机中，其输出端子彼此并联。以及，所述至少两个发电机与上述本发明的优选实施例中任意一个实施例中限定的发电机相同。(本发明的有利效果)根据本发明优选实施例的无线电力传输单元能够显著增大使用磁谐振耦合在天线之间传输功率时的电压。同样，根据本发明其他优选实施例的发电机和发电系统能够经由天线之间的空间(即，通过非接触方法)以无线方式传输能量。因此，根据本发明，能够以增大的电压将设置在建筑物外部的发电部产生的能量传送至该建筑物内部的电子设备。 根据本发明的优选实施例，能够降低安装发电机的成本，并且能够更加容易地执行更换发电机中发生劣化的部件的工作。此外，根据本发明的另一个优选实施例，能够容易地增大发电部的输出电压。因此，如果发电部由具有低输出电压的发电元件(例如太阳能电池)制成时，能够显著减少要连接在一起的发电元件的个数。从而，如果太阳能发电系统是通过把根据本发明优选实施例的发电元件并联在一起而形成的，那么由于局部遮挡所造成的劣化能够被最小化，并且能够以良好的稳定性来供电。根据以下参考附图对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的其他特征、元件、 过程、步骤、特性以及优点将会变得更加明显。


图1示出了根据本发明的无线电力传输单元的基本配置。图2示出了根据本发明的无线电力传输单元中的天线的等效电路。图3示出了根据本发明的发电机的结构。
图4是示出了根据本发明的发电机的典型应用的示意图。图5示出了根据本发明的另一无线电力传输单元(具有整流器)的基本配置。图6示出了根据本发明的另一发电机(具有整流器)的结构。图7示出了根据本发明的发电机的第一特定优选实施例。图8是作为本发明第一优选实施例的发电机的无线传输部的等效电路图。图9示出了根据本发明的发电机的第一优选实施例的修改示例。图10(a)是示出两个电感器的示例配置的俯视图，而图10(b)是其示意性的剖面图。图11示出了作为本发明第二特定优选实施例的发电机。图12(a)是示出了在作为本发明的第二优选实施例的发电机中使用的半波倍压整流器电路的电路图，而图12(b)是示出了在第二优选实施例中使用的全波倍压整流器电路的电路图。图13是示出了作为本发明第三特定优选实施例的发电系统的框图。图14是表示本发明特定示例中的无线传输部的输入阻抗Zin以及输出阻抗hut 对天线间隔的依赖性的曲线图。图15是表示本发明的特定示例中的无线传输部的输入输出阻抗变换比&以及无线传送效率对天线间隔的依赖性的曲线图。图16是表示本发明的第一特定实施例中的无线传输部的输入输出阻抗变换比ττ 以及无线传送效率对天线间隔的依赖性的曲线图。
具体实施例方式在对根据本发明的无线电力传输单元和发电机的优选实施例进行描述之前，首先参照图1到图6对本发明的基本配置进行简单说明。图1示出了根据本发明的无线电力传输单元的基本配置。该例子的无线电力传送装置具有振荡频率f0的振荡器103、具有谐振频率fT的第一天线和具有谐振频率fR的第二天线109。这些谐振频率fT以及fR都被设定为等于频率fO。频率fO例如被设定为落入 50Hz 300GHz的范围内，优选地落入IOOkHz IOGHz的范围内，更优选地落入500kHz 20MHz的范围内。根据期望的用途，频率fO还可落入IOkHz IGHz的范围内或者20kHz 20MHz的范围内。振荡器103接收DC电能(S卩，电力)，将该DC电能变换为具有频率fO的RF能量 (这里将称为“DC-RF变换”)。接下来，从振荡器103向与振荡器103连接的第一天线107 提供该RF能量。被设计为具有相同的谐振频率的第一天线107以及第二天线109通过它们的谐振器所产生的谐振磁场而耦合在一起。第二天线109能够接收第一天线107已经发送的RF能量的至少一部分。第二天线109不与第一天线107接触，而是与第一天线107相距例如若干毫米至若干米的距离。在本发明的无线电力传输单元中，“天线”是通过利用耦合现象从两个对象中的一个向另一个传送能量的元件，该耦合现象由谐振器的电磁场的短暂尾部产生。根据这种利用谐振电磁场的无线电力传输技术，由于不会导致当向远方传送电磁波时生成的能量损耗，所以能以极高的效率传输电力。利用这样的谐振电磁场(近场)的耦合现象的能量传输技术与利用法拉第电磁感应定律的公知的非接触电力传输相比，损耗要小得多。例如，在本发明的优选实施例中，能够在例如间隔多达若干米的两个谐振器(或天线)之间传输能量。为了进行基于该原理的无线电力传输，需要在两个谐振天线间产生基于磁谐振耦合的耦合。如上述那样，根据本发明，谐振频率fT以及谐振频率fR都被设定为等于振荡器 103的频率f0。然而，不需要fT和fR严格等于f0，而是可以实质上等于f0。这就是说，不需要fT以及fR完全与频率f0 —致。为了通过采用两个谐振器之间的耦合现象来实现高效率的能量传送，理想的是应当满足fT = fR，但只要fT与fR之间的差异充分小就存在最小损耗。因此，在本申请中，如果满足以下不等式(1)，就将频率fT定义为等于频率fR:fT-fRI ^ fT/QT+fR/QR (1)其中，QT是作为谐振器的第一天线的Q值，QR是作为谐振器的第二天线的Q值。 一般地，如果将谐振频率标识为X并将谐振器的Q值标识为Qx，通过X/Qx而获得谐振器在其中产生谐振的频率范围。如果满足不等式|fT-fR I彡fT/QT+fR/QR，则能够在两个谐振器之间通过磁谐振耦合来传送能量。接下来，参照图2。图2示出了第一天线107和第二天线109的等效电路。如图 2所示，根据本发明，第一天线107是串联谐振电路，其中第一电感器107a以及第一电容器 107b串联连接；而第二天线109是并联谐振电路，其中第二电感器109a以及第二电容器 109b并联连接。第一天线107的串联谐振电路具有寄生电阻分量R1，第二天线109的并联谐振器具有寄生电阻分量R2。根据本发明，如果Voc表示振荡器103的升压比，Ll和L2分别表示第一电感器 107a和第二电感器109a的电感，以及k表示第一天线107与第二天线109的耦合系数，则确定这些Li、L2、k和Voc的值以满足以下不等式(L2/L1) ^ 4(k/Voc)2如果满足该关系式，则通过无线电力传输而输出的RF能量的电压能够至少是直流电能输入的电压的两倍。也就是说，能够实现至少为2的升压比。关于为何能够实现如此的升压，将在后面详细地进行说明。在本说明书中，将“升压比”定义为从系统内的一个电路块(或包括该电路块的一组电路块)输出的能量与已经输入该电路块的能量的电压比。 例如，当输入DC电压增大至有效AC电压士 Vac时，升压比是Vac/Vdc。这里，电路块表示诸如发电部101、振荡器103、第一天线107、第二天线109或整流器115的每一个元件。本发明的无线电力传输单元在以无线方式传输电力时，能够有效地使低电压的能量(或电力)的电压增大。图3示出了根据本发明的发电机的配置。该发电机包括图1所示的无线电力传输单元以及向该无线电力传输单元的振荡器103提供直流电能的发电部101。即使在发电部 101的输出电压低的情况下，通过升压效果，本发明的发电机仍能够输出高电压的电力。因此，本发明的发电机能够有效地增大例如由太阳能电池组成的发电部(即，太阳能发电部) 产生的低电压能量(或电力)的电压。因此，能够大幅降低串联连接的电池的个数。其结果是，提供了一种新型的太阳能发电系统，其能够以较低的成本安装和维护，并且其使用可在不久的将来快速传播。图4是示出了包括本发明的无线电力传输单元的发电机的典型应用的示意图。如图4所示，该发电机包括被设置在建筑物200外部的(即，室外的)太阳能发电部101，以及安装在建筑物200内部的用于向电子设备传输电力的无线传输部105。太阳能发电部101 包括多个太阳能电池，这些太阳能电池作为发电器件而连接在一起。无线传输部105包括第一天线107和第二天线109，两者关于介入其间的建筑物200的墙壁111而彼此面对。第一天线107通过振荡器103(未示出)连接至室外太阳能发电部101，而第二天线109连接至室内电子设备。应当注意，太阳能发电部101无需被放置在屋顶，也可以设置在该建筑物 200的墙壁111上或安装在任何其他建筑物上。形成本发明的发电部的发电器件不限于太阳能电池，也可以是任何其他类型的发电器件。例如，发电部也可以包括燃料电池。由于燃料电池输出具有相对低的电压的DC能量且与高电压系统结合使用，所以本发明的升压效果也能够在燃料电池中显著地实现。图5示出了根据本发明的另一个无线电力传输单元。除了上文描述的无线电力传输单元的每个组件之外(参见附图幻，该无线电力传输单元还包括与第二天线109相连的整流器115。通过该整流器115，无线电力传输单元能够输出DC能量。图6示出了根据本发明的发电机，包括这种类型的无线电力传输单元。即使发电部101输出具有低电压的DC 能量，图6中示出的发电机仍能够输出在其电压经过无线电力传输而得以有效增大后的DC 能量°通过将整流器115与第二天线109相连，如果满足以下不等式，则电压至少能够加倍(L2/L1)彡 4 (k/ (Voc X Vrr))2其中Vrr表示整流器115的升压比。这一点也会在后文详细描述。以下，参照附图对本发明的特定优选实施例进行描述。(实施例1)首先，参照图7以及图8对根据本发明的发电机的第一特定优选实施例进行说明。 图7是示出本发明的第一优选实施例的透视图，而图8是图7中所示的无线传输部105的等效电路图。在图7和图8中，具有与图1和图2中示出的对应物实际上相同功能的任何组件由该对应物的附图标记来标记。如图7所示，本优选实施例中的发电机包括串联连接的发电部101、振荡器103和无线传输部105。在本优选实施例中，发电部101包括串联连接的多个太阳能电池(有时简称为“电池”)。为了尽可能地提高发电效率，太阳能电池优选地是晶体硅太阳能发电元件。但是，能用于本发明的太阳能电池还可以是使用诸如砷化镓或基于CIS的材料的复合物半导体材料的各种其他类型的太阳能发电元件。或者，太阳能电池甚至可以是使用原材料(original material)的多种太阳能发电元件中的任意一种。如果使用半导体材料，则该半导体的晶体结构可以是单晶、多晶或非晶。可选地，也可以使用其中层叠有若干种半导体材料的串联式 (tandem type)太阳能发电元件。可以实现高效率和低失真的D级、E级或F级放大器可以用作振荡器103。或者， 也可以使用多尔蒂(Doherty)放大器。可选地，也可以通过在产生具有失真分量的输出信号的开关元件之后设置低通滤波器或者带通滤波器，高效率地产生正弦波。无线传输部105包括第一天线107和第二天线109。为了实现尽可能高的传送效率，优选地将第一天线107和第二天线109设置为彼此面对。但是，天线107、109的配置并不总是需要彼此面对，而是可以任何其他方式而设置(除了它们彼此以直角相交)。由发电部101生成的DC能量由振荡器103高效率地变换为RF能量。然后，该RF 能量由无线传输部105穿过空间(即，该示例中的墙壁111)无线地传输，并通过输出端子 119输出。图7所示的第一天线107是具有第一电感器107a以及第一电容器107b的串联谐振电路，而第二天线109是由第二电感器109a以及第二电容器109b构成的并联谐振电路。 第一天线107的谐振频率fT以及第二天线109的谐振频率fR被设定为大致等于由振荡器 103产生的RF能量的频率f0。另外，在本优选实施例中，第二天线109的输出阻抗hut被设定为高于振荡器103的输入DC阻抗Zidc。根据该原理，根据本优选实施例，可以将第一天线107与第二天线109之间的距离设定为在若干毫米至若干米的范围内，从而即使在这两个天线之间存在墙壁111的情况下仍能够高效率地传送能量。自然地，即使第一天线107与第二天线109之间不存在墙壁111 而仅仅是开放的空间，也能够通过这种非接触方法来传送能量。另外，根据本优选实施例，不仅能够以无线方式进行这种非接触连接，而且第二天线109提供的RF能量的输出电压与提供给第一天线107的进入RF能量的输入电压相比能够被充分地增大。为了减小电路块之间的RF能量的多重反射并改善整体发电效率，当第二天线109 的输出端子与负载连接时，优选地使振荡器103的输出阻抗he与第一天线107的输入阻抗Zic相匹配。同样，当振荡器103与第一天线107连接时，优选地使第二天线的输出阻抗 Zout与所连接的负载的电阻值R相匹配。在本说明书中，如果两个阻抗“彼此相等”，则阻抗自然可以是彼此严格相等，但页可以是彼此大致相等，具体地，如果较大和较小阻抗之间的差在较大阻抗的25%以内，则这两个阻抗在本文中被视为“彼此相等”。此外，墙壁111不一定必须存在于第一天线107和第二天线109之间，第一天线 107和第二天线109可以彼此面对而其间不放置障碍物。或者，甚至屋顶可以介于第一天线 107和第二天线109之间。应当注意，第一天线107和第二天线109两者可以安装在室内或设置在室外。在任一情况下，能够在两个天线之间无线地传输电力时增大电压。如果第一天线107和第二天线109两者安装在室内，那么可以通过线缆将室外的太阳能发电部101连接至第一天线 107，该线缆经过从建筑物200的墙壁111中穿凿的洞。另一方面，如果第一天线107和第二天线109两者被设置在室外，也可以通过线缆将室内的电子设备连接至第二天线，该线缆经过从建筑物200的墙壁111中穿凿的洞。为了消除建筑物的内部和外部之间的该线缆连接，优选地将第一天线107设置在室外并将第二天线109安装在室内，如同图7中所示的示例。根据本优选实施例，无线电力传输的效率取决于第一天线107与第二天线109之间的间隔(这里将其成为“天线到天线的间隔”)，并取决于形成第一天线107与第二天线 109的电路组件所导致的损耗的量值。如这里所使用，“天线到天线的间隔”实质上是指两个电感器107a和109a之间的间隔。天线到天线的间隔能够基于天线所占据的区域的特征尺寸来估计。在本发明的一个优选实施例中，第一电感器107a以及第二电感器109a都具有相同的平面图案，并且被设置为彼此平行面对。如这里所使用，天线所占据的区域的特征尺寸是指最小的天线的电感器尺寸。具体地，如果天线的电感器具有圆形平面图案，则特征尺寸被定义为该电感器的直径。另一方面，如果电感器具有正方形平面图案，则特征尺寸被定义为该电感器的每一边的长度。以及，如果电感器具有矩形平面图案，则特征尺寸被定义为其短边的长度。根据本优选实施例，即使天线到天线的间隔为天线的设置区域的特征尺寸的 1. 5倍左右，也能以90%或更大的无线传送效率来传送能量。另外，无线传输部105的输出阻抗可以是输入阻抗的7832倍或更高。在本优选实施例中，第一电感器107a以及第二电感器109a分别具有匝数为m、N2 的螺旋结构(其中m > 1且N2 > 1)。然而，第一电感器107a以及第二电感器109a也可以具有匝数为1的环状结构。这些电感器107a和109a不需要由单层导电体图案构成，也可以是层叠的多个导电体图案的串联连接。第一电感器107a和第二电感器109a优选地由铜、银或具有良好电导率的任何其他导电体形成。由于具有RF能量的RF电流主要在导电体的表面周围流动，所以为了提高发电效率，可以利用高电导率材料覆盖导电体的表面。如果电感器107a和109a被设计为在其截面的中部具有空腔，则能减小它们的重量。此外，如果采用例如具有绞合线的平行布线构造来形成电感器107a和109a，则能减少每单位长度的导体损耗，从而能够提高串联谐振电路以及并联谐振电路的Q值。因此，能够以甚至更高的效率来传输电力。为了降低制造成本，可以采用喷墨印刷技术来形成布线。如果需要，也可以在第一电感器107a和/或第二电感器109a的附近设置磁体。然而，不应当把第一电感器107a与第二电感器109a之间的耦合系数设为过高的值。为此，优选地采用具有空芯螺旋结构的电感器，其能够将第一电感器107a与第二电感器109a之间的耦合系数设定为适当的值。可以使用任何类型的电容器(例如具有片状、导线状或任何其他适合的形状)作为第一电容器107b和第二电容器109b。可选地，两层配线(之间介入有空气)之间所产生的电容也可以用作第一电容器107b和第二电容器109b。如果第一电容器107b和第二电容器109b由MIM电容器来实现，则可以通过已知的半导体器件工艺或者多层电路板工艺来形成低损耗的电容器电路。为了提高长期可靠性，优选地把形成第一天线107以及第二天线109的组件(例如电感器以及电容器)置于保护外壳117内，该保护外壳117优选地是防水的保护外壳。为了使传输损耗最小化，优选地将第一天线107以及第二天线109设置为尽可能地彼此接近。然而，为了将升压比调整为期望的值，可以改变它们在保护外壳内的位置。可选地，可以直接将保护外壳117固定在例如墙壁111或屋顶的某些外部部件上。 如果分别提供铁磁体和磁铁用于保护外壳117和外部部件使得第一天线107与第二天线 109之间的磁耦合的强度不受影响，那么通过使用铁磁体和磁铁之间产生的磁力，保护外壳 117能够容易地附接至外部部件以及从外部部件移除。备选地，通过向保护外壳117或外部部件提供吸盘，可以将保护外壳117附接至外部部件以及从外部部件移除。接下来，参照图8对本发明的发电机获得的升压效果进行描述。假定发送端处的第一天线107与接收端处的第二天线109以耦合系数k彼此耦合。通过测量两个谐振频率fL和fH，可以通过以下等式⑵来导出耦合系数，其中当以相同频率f0产生谐振的两个谐振器(即，天线107和109)被设置为彼此接近时要使两个谐振频率fL和fH分离k = (fH2-f L2) / (fH2+f L2) (2)优选地，将振荡器103的频率f0设定在谐振频率fL和fH的附近。更详细而言， 如果耦合谐振器对在谐振频率fL和fH处的Q值分别由QL和QH表示，优选地将f0设置为满足以下不等式⑶fL-fL/QL ^ f0 ^ fH+fH/QH (3)另外，具有电感Ll的第一电感器107a和具有电感L2的第二电感器109a之间产生的互感M与耦合系数k满足以下等式M = kX (L1XL2)0·5 (4)从等式(4)可以明显看出，耦合系数k等同于公知的耦合系数，其通常用作表示电感器或谐振器之间的耦合的强度的参数。耦合系数k的值满足0<k<l。在通过电磁感应的传统的能量传送中，天线的配置被设计为实现高耦合系数k(如果可能的话接近1)。相反，本发明的优选实施例中的耦合系数k可以被设置为小于0.5，如下文所述。假定在第二天线109的并联谐振电路中，流过第二电感器109a的RF电流由IL2标识，流过第二电容器109b的RF电流由IC2标识，则在图8所示的方向上流动的输出RF电流12由以下等式(5)表示12 = -IL2-IC2(式 5)另外，假定流过第一电感器107a的RF电流由ILl标识，则能够使用流过第二电感器109a的RF电流IL2、流过第二电容器109b的RF电流IC2、第二电感器109a的电感L2、 第二电感器109a的寄生电阻R2、第一电感器107a的电感Ll和第二电容器109b的电容C2 来导出以下等式(6)(R2+jcoL2) XIL2+jcoMXILl = IC2/(jcoC2) (6)由于第二天线109满足谐振条件，所以以下等式(7)成立ω12 = 1/(ω02) (7)根据上述的等式(5)-(7)，以下等式⑶成立R2XIL2+jcoMXILl = jcoL2XI2 (8)对等式(8)进行修改，可得到以下等式(9)12 = kX (Ll/L2)a5XILl_j(R2/coL2) XIL2 (9)另一方面，用于评价第一天线107的谐振器的低损耗度的指标Q值由以下等式 (10)给出Q2 = ω L2/R2 (10)在该情况下，如果谐振器的Q值非常高，则允许忽略等式(6)右侧第二项的近似。 因此，最终通过以下等式(11)导出第二天线109产生的RF电流(输出电流)12的量值12 = kX (L1/L2)°-5XIL1 (11)在该情况下，RF电流12取决于提供给发送端的谐振器(即，第一天线107)的RF 电流Il (即，流过第一电感器107a的RF电流ILl)、谐振器(天线)之间的耦合系数k以及第一电感Ll和第二电感L2。
从上述等式(11)可以看出，该优选实施例的发电机的升流比Ir由下面的等式 (12)表示Ir = 112/111 /Voc = k/Voc X (L1/L2)0 5 (12)另外，升压比Vr以及阻抗变换比^ 分别由以下等式(13)和(14)给出Vr = (Voc/k) X (L2/L1)。5 (13)Zr = (Voc/k)2X (L2/L1) (14)从等式(13)可以看出，如果满足(L2/L1) > (k/Voc)2，则升压比Vr大于1。因此可以看出，如果耦合系数k变小，则升压比Vr增大。根据电磁感应实现的常规的能量传送方法，耦合系数k的降低会导致传送效率的急剧降低。但是，根据本发明的磁谐振耦合方法， 耦合系数k的任何降低将不会导致传送效率的这种急剧降低。特别是，如果把用作第一天线107以及第二天线109的谐振器的各个Q值设定为较高的值，则能够使传送效率的降低最小化。为了避免局部遮挡(partial shading)对太阳能发电系统的影响，与串联连接多个太阳能发电部相比，优选地将多个太阳能发电部并联连接。为了使并联连接两个太阳能发电部得到与通常串联连接两个太阳能发电部的情况相同的电压特性，需要将各太阳能发电部的输出电压加倍。从等式(12)可以看出，当满足(L2/L1) = 4X (k/Voc)2时，升压比Vr等于2。根据本发明，由于关系式(L2/L1)彡4X (k/Voc)2得以满足，所以能实现2以上的升压比Vr。如果满足(L2/L1)彡IOOX (k/Voc)2，则能实现10上的升压比Vr。如果满足(L2/ Li)彡10000X (k/Voc)2，则能实现100以上的升压比Vr。对于本发明的发电部来说，很容易为了实现这样高的升压比Vr而设定k、Voc、L2、 Ll的值。以下，通过与常规的无线电力传输单元相比较，对本优选实施例的无线电力传输单元实现的效果进行描述。在专利文献2公开的无线电力传输单元中，在两个磁谐振器之间传送能量。然而， 由于该无线电力传输单元针对两个谐振器使用相同的谐振方法，所以在传送能量时电压不会增大。另一方面，本发明的无线电力传输单元所导致的输出电压的增大是这样的效果传统的电力传输单元没有产生该效果，而且该效果仅通过针对第一天线和第二天线采用两个不同的谐振结构(即，串联磁谐振结构和并联磁谐振结构)并且在这两个不同的谐振结构之间传送能量而产生。。应当注意，串联谐振电路和并联谐振电路也可以用于传统的RF电信系统中(例如 RF标签)。但是，用于测试该RF电信系统的RF块的特性的测量器的端子的终端阻抗及其 RF电缆的特性阻抗基本上被设定为50 Ω。因此，在与这种RF电信系统的天线的连接点处， 无论是在其发射机内还是在接收机内，一般都使阻抗与50Ω匹配来连接电路块。另一方面，在本发明的无线传输部中，将输入输出阻抗变换比^ 定义为高达超过 100，或根据条件超过20000，这将在下文针对本发明的特定示例进行描述。而且，无法想象这样高的输入输出阻抗变换比ττ能够由传统的RF电信系统来实现。另外，根据本发明，两个谐振器(或天线)间的距离越大且耦合系数k越小，能够实现的升压比Vr越高。这同样是无法根据已知的电信系统的无线传输部的结构和功能就能够容易想到的效果。例如，在用于电源电路中的变压器中，两个电感器被设置为彼此接近以用作一种无线电力传输单元。但是，在这些电感器之间不会产生磁谐振耦合。此外，这种变压器可通过增大第二电感器的匝数N2相对于第一电感器的匝数m的比率，从而也能实现升压效果。 但是，若要通过变压器升压电路实现例如10以上的升压比，则需要使匝数N2增加到匝数m 的10倍以上。匝数N2的这种大幅度增加会使第二电感器中的寄生电阻分量R2成比例地上升，因而毕竟会导致传送效率的降低。相反，根据本发明，即使匝数W和匝数N2相同，也能实现高的&。应当注意，根据本发明，不需要将第一电感器107a的电感Ll和第二电感器109a 的电感L2设定为相等。例如，如果将电感L2设定为大于电感Li，则能够提高升压比Vr。图9示出了优选实施例，其中，为了提高第二电感器109a的电感L2，将第二电感器 109a的匝数N2设定为大于第一电感器107a的匝数附。如果N2/m大于1，则与使用已知的变压器升压电路来进行升压的情况相比，能以更小的损耗实现高的升压比。也可以取代将N2/m的比率设定为大于1(将N2/m的比率保持为1)，通过向第二天线109提供大于第一天线107的面积，使得电感L2大于电感Li。在以下的说明中，假定第一电感器107a以及第二电感器109a的至少前表面都具有平面形状，并且假定将第一电感器107a以及第二电感器109a设置为不以直角相交。图 10(a)表示在设置有第一天线107的平面上垂直投影的第二天线109的设置区域113。如这里所使用，设置有第一天线107的“平面”被定义为包括第一电感器107a前表面的单个平面(这里将会称作“第一设置平面”)。图10(b)是表示第一电感器107a的设置平面MO 的截面图。在图10(b)所示的例子中，第一电感器107a平行于其设置平面M0。另一方面， 在这里将第二天线的设置区域定义为已被垂直投影到第一天线107的设置平面M0、并且被第二电感器109a的投影轮廓所包围的区域。图10 (a)示出了已经垂直投影到第一天线107的设置平面的第一电感器107a。在图10(a)所示的例子中，已经投影到第一天线107的设置平面上的第一电感器107a存在于配置区域113的内部，并且靠近配置区域113的边缘。通过采用这样的设置，能实现甚至更高的升压比。为了控制无线传输部105的升压比，也可以限定天线的形状和尺寸以形成非对称组合，以及第一天线可以具有比第二天线更大的尺寸。第一天线107和第二天线109不一定必须按照图10所示而设置，也可以交换彼此的位置。即，也可以将图10中所示的“第一天线107”替换为“第二天线109”，将“设置区域113”替换为“第一天线107的设置区域”。在该情况下，“第一天线107的设置区域”是指已经投影到第二天线109的设置平面上、并且由电感器107a的投影轮廓所包围的区域。 另外，“第二天线109的设置平面”被定义为包括第二电感器109a的前表面的单个平面(这里将称作“第二设置平面”)。为了实现足够高的传送效率，第一设置平面与第二设置平面优选地相互平行。但这些平面无需严格地相互平行。应当注意，第一电感器107a和第二电感器109a不一定必须具有平面形状。(实施例2)在下文中，将参考图11描述根据本发明的发电机的第二优选实施例。图11示出了该第二优选实施例的发电机的基础设置。在图11中，具有与上文描述的第一优选实施例中的对应物实质上相同功能的任何组件由该对应物的附图标记来标识，并且这里省略了对其的描述以避免冗余。在该第二优选实施例的发电机中，整流器115串联连接到第二天线109的输出部， 这是与上文描述的第一优选实施例的发电机的主要区别。该优选实施例的发电机也能够实现与第一优选实施例的对应物所实现的相同效果。另外，根据该优选实施例，能够获得DC电力作为输出。为了降低电路块之间的RF能量的多重反射并提高整体发电效率，当整流器115的输出端子连接到DC负载或DC负载系统时(均未示出)，振荡器103的输出阻抗Zoc优选地与第一天线107的输入阻抗Zin实质上匹配。同样，当振荡器103连接至第一天线107时， 整流器115的输出阻抗hut优选地与DC负载或DC负载系统(未示出)的电阻值R实质上匹配。包括全波整流器和桥式整流器的各种类型的整流器可用作整流器115。图12(a) 是示出了半波倍压整流器电路的电路图，而图12(b)是示出了全波倍压整流器电路的电路图。存在能够实现3以上的升压比的其他类型的高升压比整流器。各种这些整流器中的任意一种都可用于本发明中。对于图12中所示的倍压整流器电路，能够输出大小为提供给整流器115的RF电压2倍的DC电压。通过使用这样的整流器115，已经由无线传输部105增大的电压能够被
进一步提升。根据该优选实施例，可以利用整流器115的升压比Vrr将已经针对第一优选实施例而导出的升压比Vr和阻抗变换比^ 重写入以下等式(15)和(16)Vr = (VocXVrr/k) X (L2/L1)0·5 (15)Zr= (VocXVrrA)2X (L2/L1) (16)根据本优选实施例，从等式(15)可以看出，如果满足(L2/L1) > (k/ (Voc XVrr))2，则升压比能够大于1。为了实现2以上的升压比Vr，需要满足(L2/L1)彡4X (k/(VocX Vrr) )2。如果满足(L2/L1)彡IOOX (k/(Voc X Vrr) )2，能实现10以上的升压比Vr。本优选实施例的发电机实现了 DC电源系统。当前，正在开发具有工作电压MVdc 的DC电源系统。然而，如果满足(L2/L1)彡2304X (k/(Voc XVrr))2，则电压可以从0. 5V增大48倍至MV。为此，如果将本发明应用于DC电源系统，优选地满足(L2/L1) ^ 2304X (k/ (Voc X Vrr)) 20 此外，如果(L2/L1)彡 10000X (k/(Voc XVrr))2，则能够实现 100 以上的升压比Vr。(实施例3)接下来，参照图13说明本发明的发电系统的优选实施例。图13是示出作为本发明的第三特定优选实施例的发电系统的框图。在图13中，具有与上文描述的优选实施例中的对应物实质上相同功能的任何组件由该对应物的附图标记来标识，并且这里省略了对其的描述以避免冗余。图13中示出的发电系统包括彼此并联连接的多个发电机131a、131b···和131η。在本优选实施例中，这些发电机131a、131b···和131η中的每一个都具有与上文描述的第二优选实施例相同的设置。然而，为了实现本发明的效果，本发明的发电系统仅需要包括至少两个彼此并联连接的发电机。这些发电机131a至131η中的每一个都包括串联连接的太阳能发电部101、振荡器 103、第一天线107、第二天线109以及整流器115。通过振荡器103，以较高的效率将由太阳能发电部101产生的DC能量变换为RF能量。接下来，通过非接触方法将该RF能量从发送端处的第一天线107传送到接收端处的第二天线109，然后通过整流器115再次变换为DC能量。此后，通过并联连接将已经由各个发电机131a至131η输出的DC能量(或电力)相加，然后将和提供给负载133。根据本优选实施例，发电机131a至131η中的每一个提供的输出电压远大于其自身的太阳能发电部的输出电压。因此，即使将发电机131a至131η并联连接，也能获得与负载133所要求的值更为接近的电压值。此外，由于多个发电机131a至131η并联连接，所以即使在发电机131a至131η中的任意发电机发生劣化或太阳光对发电机131a至131η的照射条件产生一定差异的情况下，该发电系统与传统的发电系统相比性能也应当更加稳定。负载133可以是普通的电子器件或者是储能电池。为了与负载133的阻抗匹配， 在本优选实施例的发电系统中，一部分发电机可以串联连接。示例(示例 1)以下将描述本发明的第一特定示例。首先，将9个基于单晶硅的太阳能发电元件(S卩，太阳能电池)串联连接(其感光平面具有边长为12cm的正方形表面)，以获得输出电压为4. 5V、输出电流为1A、输出阻抗为 4.5Ω的太阳能发电部。输出频率为3MHz、输出阻抗Zoc为5Ω的振荡器连接到该太阳能发电部的输出端子。通过F级放大器实现的该振荡器实现了 95%的效率。在这个第一特定示例中，振荡器的升压比Vr为1.05。第一天线以及第二天线被设计成具有谐振频率3MHz，其等于振荡器的输出频率。 具体地，第一天线是通过将电感为1. 988 μ H的第一电感器和电容为830pF的第一电容器串联连接而制成的。另一方面，第二天线是通过将电感为1.988μΗ的第二电感器和电容为 830pF的第二电容器并联连接而制成的。第一电感器和第二电感器中的每一个都是绞合线， 该绞合线是通过将由每个直径为80μπι的30根铜布线形成的多组铜布线相互并联以使得这些组铜布线彼此绝缘而实现的。两个电感器均具有边长为36cm的正方形的形状，并且它们的匝数是2。每一个天线(或谐振器)的Q值为1350。第一天线与第二天线被设置为使得其前表面彼此相对且彼此平行，它们的前表面之间的间隔是g(cm)。该间隔g在5cm到75cm的范围内变化，寻找针对每一个g值使谐振器之间的无线传送效率最大化的最佳输入阻抗Zin和输出阻抗Zout。实际的测量是按照以下两个步骤来执行的首先，通过端子阻抗50 Ω的网络分析器，对两个天线(或谐振器)的输入端子和输出端子之间的RF特性进行测量，由此得到基准阻抗为50 Ω的测量数据。其次，基于所收集的测量数据，通过进行电路仿真来导出使端子处的信号反射最小化的输入端子和输出端子的阻抗条件Zin和hut。
图14是示出导出的Zin以及hut的g依赖性的曲线图。另一方面，图15是示出无线传输部的输入/输出阻抗变换比ττ以及传输效率的g依赖性的曲线图。本发明的发明人发现，Zr的值在间隔g的全部范围内超过1，而且间隔g越大，Zr 越显著地增大。更详细地，当g = 5cm时，Zr为7. 7。当g = 7. 5cm时，Zr为20. 6。而当g =75cm 时，Zr 高达 23158。另外，当g = 5cm时，谐振器之间的耦合系数k为0.376，这仅比在等式(14)中代入Voc= 1时导出的无线传输部的k值(0. 361)大4%。这些结果证明了等式(14)的有效性。图16是放大地示出图15的曲线图中的一部分(IOcm彡g彡40cm)的曲线图。普通建筑物的墙壁具有大约10至30cm的厚度。如果间隔g落入该范围，则ττ的大小是20 至 363。为了在g = 22. 5cm时通过变压器获得147这一高的rLx值，需要将次级线圈的匝数与初级线圈的匝数之比设为12. 1。在本发明的特定示例中，可以在使用匝数比为1的第一天线以及第二天线时将^ 提高到147。使输入端子阻抗和输出端子阻抗与在上述方法中导出的输入阻抗和输出阻抗 Ziruhut相匹配而获得的正向通过特性，相当于本发明的发电机内的无线传送效率。如图 16所示，即使当g = 22. 5cm时，也能实现高达98. 3%的无线传送效率。根据本发明的第一特定示例，通过将上述的振荡器与无线传输部相连，可以从输入DC电压以93. 的效率得到RF输出。相对于输入DC电压的升压比为12. 7。由于电路块之间的少许不匹配造成的损耗，输入的电力的仅仅一部分将会变为热。(比较性示例1-3)如同示例1中那样，制作两个发电机作为比较性示例1和2，这两个发电机的无线传输部也包括位于发送端和接收端的谐振频率为3MHz的谐振器。示例1与比较性示例1 和2之间的不同点仅在于比较性示例1和2中的两个天线(或谐振器)具有相同的谐振类型。更具体地，在比较性示例1中，两个天线均为LC串联谐振电路。另一方面，在比较性示例2中，两个天线均为LC并联谐振电路。这些谐振器中每一个的电路常数与示例1中的电路常数相同。同时，还制作了比较性示例3，其被设计为两个天线之间不会产生谐振。(示例 2)在示例1中，假定第一天线的第一电感器的匝数m与第二天线的第二电感器的匝数N2相等。另一方面，作为本发明的第二特定示例，制作了电感器具有相互不同的匝数的发电机。具体地，在示例2中，匝数N2从2增加到4。天线自身具有与上文描述的示例1中的对应物相同的尺寸。(示例 3)在上述示例1中，假定第一天线和第二天线具有相同的特征尺寸。而在本发明的第三特定示例的发电机中，第二天线比第一天线具有更大的特征尺寸。具体地，在示例3 中，限定了第二天线的轮廓的正方形的边长为72cm。另外，在这个示例3中，第一天线和第二天线被设置为使得连接第一天线的重心与第二天线的重心的线段与两个天线的设置平面以直角相交。(示例 4)
此外，作为本发明的第四特定示例，通过对示例3中的配置进行修改来制成发电机。具体地，如图10所示，第一天线和第二天线被设置为使得当第二天线的设置区域(图 10中的虚线所示)投影到第一天线的设置平面上时，第一天线将会实质上位于该配置区域的内部但接近该区域的边缘。以下的表1概括了示例1、比较性示例1-3、以及示例2-4中的谐振器的结构，并且还示出了当g = 22. 5cm时的无线传输特性。[表 1]
权利要求
1.一种无线电力传输单元，包括振荡器，用于将DC能量变换为具有频率 的RF能量；第一天线，用于发送所述RF能量，所述第一天线包括第一电感器和第一电容器，所述第一电感器和所述第一电容器串联连接以形成具有谐振频率fT的串联谐振电路；以及第二天线，用于通过耦合谐振磁场来接收由所述第一天线已经发送的所述RF能量的至少一部分，所述第二天线包括第二电感器以及第二电容器，所述第二电感器以及所述第二电容器并联连接以形成具有谐振频率fR的并联谐振电路；其中，所述谐振频率fT以及所述谐振频率fR被设定为实质上等于所述RF能量的所述频率f0，所述振荡器具有升压比Voc， 所述第一电感器具有电感Li， 所述第二电感器具有电感L2， 所述第一天线与所述第二天线具有耦合系数k，以及所述电力传输单元满足(L2/L1) >4(k/Voc)2。
2.一种发电机，包括发电部，用于输出DC能量；以及与所述发电部相连的无线电力传输单元，其中，所述无线电力传输单元包括振荡器，用于将所述DC能量变换为具有频率 的RF能量；第一天线，用于发送所述RF能量，所述第一天线包括第一电感器和第一电容器，所述第一电感器和所述第一电容器串联连接以形成具有谐振频率fT的串联谐振电路；以及第二天线，用于通过耦合谐振磁场来接收由所述第一天线已经发送的所述RF能量的至少一部分，所述第二天线包括第二电感器以及第二电容器，所述第二电感器以及所述第二电容器并联连接以形成具有谐振频率fR的并联谐振电路；其中，所述谐振频率fT以及所述谐振频率fR被设定为实质上等于所述RF能量的所述频率fO，所述振荡器具有升压比Voc， 所述第一电感器具有电感Li， 所述第二电感器具有电感L2， 所述第一天线与所述第二天线具有耦合系数k，以及所述发电机满足(L2/L1) >4(k/Voc)2。
3.根据权利要求2所述的发电机，其中，所述发电部是太阳能发电部。
4.根据权利要求3所述的发电机，其中，所述太阳能发电部使用晶体硅。
5.根据权利要求2至4之一所述的发电机，其中，当所述第二天线的输出端子连接到跟随所述第二天线的负载时，所述振荡器的输出阻抗he以及所述第一天线的输入阻抗Zin 实质上相等。
6.根据权利要求2至5之一所述的发电机，其中，当所述振荡器的输出端子连接到所述第一天线的输入端子时，所述第二天线的输出阻抗hut与跟随所述第二天线的负载的输入阻抗实质上相等。
7.根据权利要求2至6之一所述的发电机，其中， 满足(L2/L1)彡 100X (k/Voc)2。
8.根据权利要求2至7之一所述的发电机，其中， 满足(L2/L1)彡 10000X (k/Voc)2。
9.根据权利要求2至8之一所述的发电机，其中，所述发电部和所述第一天线被设置在建筑物的外部，以及所述第二天线被安装在所述建筑物的内部。
10.根据权利要求2至9之一所述的发电机，其中，所述第一电感器和所述第二电感器均具有空芯螺旋结构。
11.根据权利要求2至10之一所述的发电机，其中， 满足Ll < L2。
12.根据权利要求2至11之一所述的发电机，其中，所述第二电感器的匝数N2大于所述第一电感器的匝数m。
13.根据权利要求2至12之一所述的发电机，其中， 所述第二电感器的面积大于所述第一电感器的面积。
14.根据权利要求13所述的发电机，其中，当把所述第一电感器和所述第二电感器投影至所述第一天线的设置平面上时，所述第一电感器包括在由所述第二电感器的投影轮廓所限定的区域内。
15.根据权利要求13或14所述的发电机，其中，当把所述第一电感器和所述第二电感器投影至所述第一天线的设置平面上时，所述第一电感器的位置接近由所述第二电感器的投影轮廓所限定的区域的边缘。
16.一种无线电力传输单元，包括振荡器，用于将DC能量变换为具有频率 的RF能量；第一天线，用于发送所述RF能量，所述第一天线包括第一电感器和第一电容器，所述第一电感器和所述第一电容器串联连接以形成具有谐振频率fT的串联谐振电路；第二天线，用于通过耦合谐振磁场来接收由所述第一天线已经发送的所述RF能量的至少一部分，所述第二天线包括第二电感器以及第二电容器，所述第二电感器以及所述第二电容器并联连接以形成具有谐振频率fR的并联谐振电路；以及整流器，用于将所述第二天线提供的所述RF能量变换为DC能量； 其中，所述谐振频率fT以及所述谐振频率fR被设定为实质上等于所述RF能量的所述频率f0，所述振荡器具有升压比Voc，所述整流器具有升压比Vrr，所述第一电感器具有电感Li，所述第二电感器具有电感L2，所述第一天线与所述第二天线具有耦合系数k，以及所述电力传输单元满足(L2/L1)彡4(k/(VocXVrr))2。
17.一种发电机，包括发电部，用于输出DC能量；以及与所述发电部相连的无线电力传输单元，其中，所述无线电力传输单元包括振荡器，用于将所述DC能量变换为具有频率 的RF能量；第一天线，用于发送所述RF能量，所述第一天线包括第一电感器和第一电容器，所述第一电感器和所述第一电容器串联连接以形成具有谐振频率fT的串联谐振电路；第二天线，用于通过耦合谐振磁场来接收由所述第一天线已经发送的所述RF能量的至少一部分，所述第二天线包括第二电感器以及第二电容器，所述第二电感器以及所述第二电容器并联连接以形成具有谐振频率fR的并联谐振电路；以及整流器，用于将所述第二天线提供的所述RF能量变换为DC能量； 其中，所述谐振频率fT以及所述谐振频率fR被设定为实质上等于所述RF能量的所述频率f0，所述振荡器具有升压比Voc，所述整流器具有升压比Vrr，所述第一电感器具有电感Li，所述第二电感器具有电感L2，所述第一天线与所述第二天线具有耦合系数k，以及所述发电机满足(L2/L1)≥4(k/(VocXVrr))2。
18.根据权利要求17所述的发电机，其中，所述发电部是太阳能发电部。
19.根据权利要求17或18所述的发电机，其中，当所述整流器的输出端子连接到跟随所述整流器的负载时，所述振荡器的输出阻抗he以及所述第一天线的输入阻抗Zin实质上相等。
20.根据权利要求17至19之一所述的发电机，其中，当所述振荡器的输出端子连接到所述第一天线的输入端子时，所述整流器的输出阻抗^mt与跟随所述整流器的负载的输入阻抗实质上相等。
21.根据权利要求17至20之一所述的发电机，其中， 满足(L2/L1)彡 IOOX (k/ (Voc X Vrr))2ο
22.根据权利要求17至21之一所述的发电机，其中， 满足(L2/L1)彡 2304 X (k/Voc)2。
23.根据权利要求17至22之一所述的发电机，其中， 满足(L2/L1)彡 10000X (k/Voc)2。
24.根据权利要求17至23之一所述的发电机，其中，所述整流器是升压比Vrr至少为 2的倍压整流器电路。
25.一种发电系统，包括多个发电机，其中，在所述发电机中的至少两个发电机中，其输出端子彼此并联，以及所述至少两个发电机由权利要求17至M之一来限定。
全文摘要
本发明的一种无线电力传输单元，包括振荡器(103)，用于将DC能量变换为具有频率f0的RF能量；第一天线(107)，用于发送所述RF能量，以及第二天线(109)，用于通过耦合谐振磁场来接收由所述第一天线(107)已经发送的所述RF能量的至少一部分。所述第一天线(107)是串联谐振电路，其中第一电感器(107a)和第一电容器(107b)串联连接。所述第二天线(109)是并联谐振电路，其中第二电感器(109a)和第二电容器(109b)并联连接。第一天线(107)的谐振频率fT以及第二天线(109)的谐振频率fR被设定为等于所述RF能量的频率f0。如果所述振荡器(103)具有升压比Voc，所述第一电感器(107a)具有电感L1，所述第二电感器(109a)具有电感L2，以及所述第一天线(107)与所述第二天线(109)具有耦合系数k，则满足(L2/L1)≥4(k/Voc)2。
文档编号H02J17/00GK102474136SQ20108003590
公开日2012年5月23日 申请日期2010年8月10日 优先权日2009年8月13日
发明者菅野浩 申请人:松下电器产业株式会社