专利名称：基于太阳能的移动式无线充电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线供电技术领域，尤其涉及一种基于太阳能的移动式无线充电系统。
背景技术：
目前的无线能量传输技术根据传输机制、应用范围和效率可以分为几种类别。远场技术使用电磁波传播理论，即无线电波传播信号相同的方式传播能量。这种技术已成功应用于UHF RFID标签，还被研究应用于卫星太阳能电站。该技术的传输效率可以高达90%， 但是必须精确对准，只能进行点对点直线形式的传输。而RF广播方式，是一种全方向传输能量的方法，在覆盖区域的任何地方均可以无线传输能量。但是，因为功率密度按Ι/r2减少，导致接收到的能量比发射的能量小好几个数量级，传输效率低。近场电磁感应技术不依赖于电磁波传播，效率较高，但是传输距离很近，只有1厘米左右。而近场RFID技术则通过牺牲效率来提高传输距离，它的传输距离可以达到几十厘米，但是效率只有1%1%。随着泛在服务、云计算和物联网的兴起，支持了一批新兴产业的发展，诸如智能通讯、智能电网、智能交通、智能家居和智能健康监护等。这些新兴产业大多依赖于传感器网络，而这些传感器数量多，分布广，无法或不方便使用导线供电或者更换电池维护成本过高，因此需要发展非传统的供电技术。采用无线供电技术，能使人们告别纠缠不清的各种电源线和蜘蛛网式的电力走线，能节省布线所用的大量铜、塑料等材料，以及减少废弃电池的数量，降低对环境的污染，改善人们的生活环境，具有极大的应用价值。
发明内容
针对以上存在的技术问题，本发明的目的是提供一种基于太阳能的移动式无线充电系统，利用太阳能这种清洁能源，采取发射模块移动的方式，对传感器网络中数量多、分布广的传感器终端分别进行无线充电。为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案一种基于太阳能的移动式无线充电系统，包括一个供电装置和一个或者以上充电装置，各充电装置设置在传感器网络中不同的传感器终端处，供电装置包括太阳能蓄电模块、前处理模块和发射模块，每个充电装置包括接收模块和后处理模块，
太阳能蓄电模块包括有太阳能电池组件、太阳能控制器和蓄电池，在进行太阳能蓄电时，太阳能电池组件的输出端与太阳能控制器的输入端相连，太阳能控制器的输出端与蓄电池相连，前处理模块、发射模块和各充电装置不工作；在为传感器网络充电时，太阳能控制器的输出端与蓄电池断开，蓄电池与前处理模块相连，蓄电池和前处理模块、发射模块一起移动到传感器终端附近，通过所设充电装置对传感器终端进行充电；
前处理模块包括有频率发生模块和功率放大模块，蓄电池的输出接入频率发生模块的输入端和功率放大模块的输入端，频率发生模块的输出端与功率放大模块的输入端相连， 频率发生模块产生的频率为工作频率；
3发射模块包括有驱动线圈L3-1、发射线圈L3-2和调谐电容C3-l、C3-2，驱动线圈L3-1 与功率放大模块的输出端相连，驱动线圈L3-1和调谐电容C3-1并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处，驱动线圈L3-1的输出信号经自由空间传播到发射线圈L3-2 ；发射线圈L3-2 和调谐电容C3-2并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处，发射线圈L3-2的输出信号经自由空间传播到附近的充电装置；
设共有η个充电装置，其中第i个充电装置的接收模块包括有接收线圈L4-i-l、负载线圈L4-i-2和调谐电容C4-i-l、C4-i-2，i取1 η ；接收线圈L4_i_l和调谐电容C4_i_l 并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处，接收线圈L4-i-l接收发射线圈L3-2经自由空间传播的输出信号；负载线圈L4-i-2和调谐电容C4-i-2并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处，接收线圈L4-i-l的输出信号经自由空间传播到负载线圈L4-i-2;
每个充电装置的后处理模块包括有高频整流模块和稳压模块，相应接收模块中负载线圈的输出端连接到高频整流模块的输入端，高频整流模块的输出端连接到稳压模块的输入端，稳压模块的输出端连接到负载。本发明适用于传感器终端数量多、分布广的传感器网络的充电。在传感器终端无需充电时，通过太阳能对蓄电池充电。在传感器终端需要充电时，通过一个可移动的发射模块对多个传感器终端进行无线充电，而发射模块则由已经充满电的蓄电池供电。发射模块和接收模块采用磁共振方式进行无线能量传输，具有传输效率高、传输距离远、实现灵活、 成本低等优点。
图1是本发明实施例的系统框图2是本发明实施例中太阳能蓄电模块的框图； 图3是本发明实施例中前处理模块的框图； 图4是本发明实施例中发射模块和接收模块的框图； 图5是本发明实施例中后处理模块的框图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例，对本发明作进一步详细的描述。参见图1，本发明实施例包括一个供电装置100和一个或者以上充电装置，设共有 η个充电装置200-1、200-2··· 200_η。各充电装置200-1、200-2··· 200-η设置在传感器网络中不同的传感器终端处，供电装置100包括太阳能蓄电模块1、前处理模块2和发射模块3， 每个充电装置包括接收模块和后处理模块，即充电装置200-1包括接收模块4-1和后处理模块5-1，充电装置200-2包括接收模块4-2和后处理模块5-2…充电装置200_η包括接收模块4-η和后处理模块5-η。太阳能蓄电模块1包括有太阳能电池组件11、太阳能控制器12和蓄电池13，在进行太阳能蓄电时，太阳能电池组件11的输出端与太阳能控制器12的输入端相连，太阳能控制器12的输出端与蓄电池13相连，将太阳辐射的能量转换为电能储存在蓄电池13中，前处理模块2、发射模块3和各充电装置200-1、200-2··· 200-η不工作。在为传感器网络充电时，太阳能控制器12的输出端与蓄电池13断开，蓄电池13与太阳能电池组件11和太阳能控制器12分离，蓄电池13与前处理模块2相连。具体地，蓄电池13的输出端与前处理模块2的输入端相连，前处理模块2的输出端与发射模块3的输入端相连。蓄电池13和前处理模块2、发射模块3 —起移动到不同的传感器终端处进行充电。实现充电的无线能量传输基于磁共振原理，发射模块3和接收模块4-1、4-2···4-η在前处理模块2产生的工作频率处共振。参见图2，本发明实施例中的太阳能蓄电模块1包括太阳能电池组件11、太阳能控制器12、蓄电池13。进行太阳能蓄电时，太阳能电池组件11的输出端与太阳能控制器12的输入端相连，太阳能控制器12的输出端与蓄电池13的输入端相连。所述太阳能电池组件 11将太阳的辐射能量转换为电能，根据所需功率，可以采用单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池或非晶硅薄膜太阳能电池。所述太阳能控制器12可以采用MCU实现，通过MCU控制整个太阳能蓄电模块1的工作状态，并对蓄电池(组)13起到充电保护、过放电保护的作用。 具体实施时，可以采用维尔仕公司的WS-MPPT系列。所述蓄电池13将太阳能电池组件11 所提供的电能储存起来，到需要的时候再提供给后续装置，一般采用铅酸电池。具体实施时可以采用多个蓄电池构成的电池组，以便存储更多电能。参见图3，本发明实施例中的前处理模块2包括频率发生模块21和功率放大模块 22组成。在为传感器网络充电时，频率发生模块21的输入端与蓄电池13的输出端相连，功率放大模块22的输入端与频率发生模块21的输出端以及蓄电池13的输出端相连。所述频率发生模块21主要完成振荡信号的产生，为能量的传递提供一个发射频率，即本系统的工作频率。具体实施时可采用考比兹振荡电路构成，由电感、电容组成振荡回路，根据传输距离需要产生固定频率的正弦波信号。工作频率一般为IOMHz左右，也可以采用其他大小的频率。本发明实施例的工作频率采用10MHz。频率发生模块21的电源采用蓄电池13直接提供的直流电。所述的功率放大模块22可以采用两级功率放大，在提供必须的功率强度下，保证频率精度。功率放大模块22的电源也采用蓄电池13直接提供的直流电。参见图4，本发明实施例中的发射模块3包括驱动线圈L3-1、调谐电容C3_l、发射线圈L3-2和调谐电容C3-2。驱动线圈L3-1与功率放大模块22的输出端相连，驱动线圈 L3-1的输出信号经自由空间传播到发射线圈L3-2。驱动线圈L3-1和调谐电容C3-1并联组成谐振回路，谐振频率为10MHz。发射线圈L3-2和调谐电容C3-2并联组成谐振回路，谐振频率为10MHz。发射线圈L3-2的输出信号经自由空间传播到附近的充电装置。实施例中， 驱动线圈L3-1和发射线圈L3-2均为圆形线圈，直径为50cm。驱动线圈L3-1和发射线圈 L3-2的距离约为10cm。调谐电容C3_l、C3-2均为可变电容，方便将共振频率调为10MHz。本发明实施例中共有η个充电装置，其中第i个充电装置200-i的接收模块4_i 包括有接收线圈L4-i-l、负载线圈L4-i-2和调谐电容C4-i-l、C4+2，i取1 η ；接收线圈L4-i-l和调谐电容C4-i-l并联组成谐振回路，并谐振于工作频率IOMHz处，接收线圈L4-i-l接收发射线圈L3-2经自由空间传播的输出信号；负载线圈L4-i-2和调谐电容 C4-i-2并联组成谐振回路，并谐振于工作频率IOMHz处，接收线圈L4-i-l的输出信号经自由空间传播到负载线圈L4-i-2。具体参见图4，本发明实施例中的接收模块4-1包括接收线圈L4-1-1、调谐电容C4-1-1、负载线圈L4-1-2、调谐电容C4-1-2，接收模块4-2包括接收线圈L4-2-1、调谐电容C4-2-1、负载线圈L4-2-2、调谐电容C4-2-2…接收模块4-n包括接收线圈L4-n-l、调谐电容C4-n-l、负载线圈L4_n_2、调谐电容C4_n_2。以蓄电池13和前处理模块2、发射模块3 —起移动到充电装置200-1所在传感器终端处为例，接收模块4-1的工作过程为，当接收线圈L4-1-1接收到经自由空间传播来的发射线圈L3-2的输出信号， 其输出信号经自由空间传播到负载线圈L4-1-2。其他接收模块的工作原理相同。实施例中，接收线圈L4-1-1、L4-2-1…L4-n-l和负载线圈L4-1-2、L4-2-2…L4_n_2均为圆形线圈，直径约为2cm，匝数为20圈。接收线圈L4-1-1和负载线圈L4-1-2、接收线圈L4-2-1和负载线圈L4-2-2…接收线圈L4-n-l和负载线圈L4-n-2的距离分别约为10cm。调谐电容
C4-l-l、C4-2-l…C4-n-l和C4_l-2、C4-2_2、......、C4_n_2均为可变电容,方便将共振频率
调为IOMHz。参见图5，本发明实施例中的第i个充电装置200-i的后处理模块5-i，由高频整流模块5-i-l和稳压模块5-i-2组成。接收模块4-i的输出端(即负载线圈L4-i-2的输出)连接到高频整流模块5-i-l的输入端，高频整流模块5-i-l的输出端连接到稳压模块 5- -2的输入端，稳压模块5-i-2的输出端连接到作为负载的传感器终端处。高频整流模块 5-i-l对接收模块4-i的输出信号进行高频整流，输出供负载使用的直流信号，可以采用二极管整流；稳压模块5-i-2对高频整流模块5-i-l的输出信号进行稳压，输出稳定的电压供传感器终端使用，可以采用7805模块实现。本发明实施例的工作过程为太阳能蓄电模块1在传感器网络无需充电时工作， 将太阳辐射的能量转换为电能储存在蓄电池13中。在传感器网络需要充电时，蓄电池13 与太阳能电池11和太阳能控制器12分离，将蓄电池13和前处理模块2和发射模块3 —起移动到传感器终端处对其充电。每个传感器终端处均配有一套接收模块和后处理模块。蓄电池13、前处理模块2和发射模块3首先移动到接收模块4-1处对其连接的负载充电。发射模块3和接收模块4-1在频率发生模块21产生的工作频率处共振。驱动线圈L3-1、发射线圈L3-2、接收线圈L4-1-1、负载线圈L4-1-2保持轴对称，发射线圈L3-2和接收线圈 L4-1-1之间的距离根据线圈直径和工作频率不同而不同，在IOMHz下约为广2米。发射模块3和接收模块4-1基于磁共振进行无线能量传输，从而对负载进行无线充电。充满电后， 蓄电池13、前处理模块2和发射模块3移动到接收模块4-2处对其连接的负载充电。发射模块3和接收模块4-1在频率发生模块21产生的工作频率IOMHz处共振。驱动线圈L3-1、 发射线圈L3-2、接收线圈L4-2-1、负载线圈L4-2-2保持轴对称，发射线圈L3-2和接收线圈 L4-2-1之间的距离约为广2米。发射模块3和接收模块4-2基于磁共振进行无线能量传输，从而对负载进行无线充电。依此类推…蓄电池13、前处理模块2和发射模块3由人工移动到接收模块4-n处对其连接的负载充电。发射模块3和接收模块4-n在频率发生模块21 产生的工作频率IOMHz处共振。驱动线圈L3-1、发射线圈L3-2、接收线圈L4-n_l、负载线圈 L4-n-2保持轴对称，发射线圈L3-2和接收线圈L4-n_l之间的距离约为广2米。发射模块 3和接收模块4-n基于磁共振进行无线能量传输，从而对负载进行无线充电。这样，通过一个发射模块3就可以对传感器网络中数量多、分布广的所有传感器终端进行无线充电。以上内容是结合最佳实施方案对本发明说做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求书限定的情况下，可以在细节上进行各种修改，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于太阳能的移动式无线充电系统，其特征在于包括一个供电装置和一个或者以上充电装置，各充电装置设置在传感器网络中不同的传感器终端处，供电装置包括太阳能蓄电模块、前处理模块和发射模块，每个充电装置包括接收模块和后处理模块，太阳能蓄电模块包括有太阳能电池组件、太阳能控制器和蓄电池，在进行太阳能蓄电时，太阳能电池组件的输出端与太阳能控制器的输入端相连，太阳能控制器的输出端与蓄电池相连，前处理模块、发射模块和各充电装置不工作；在为传感器网络充电时，太阳能控制器的输出端与蓄电池断开，蓄电池与前处理模块相连，蓄电池和前处理模块、发射模块一起移动到传感器终端附近，通过所设充电装置对传感器终端进行充电；前处理模块包括有频率发生模块和功率放大模块，蓄电池的输出接入频率发生模块的输入端和功率放大模块的输入端，频率发生模块的输出端与功率放大模块的输入端相连， 频率发生模块产生的频率为工作频率；发射模块包括有驱动线圈L3-1、发射线圈L3-2和调谐电容C3-l、C3-2，驱动线圈L3-1 与功率放大模块的输出端相连，驱动线圈L3-1和调谐电容C3-1并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处，驱动线圈L3-1的输出信号经自由空间传播到发射线圈L3-2 ；发射线圈L3-2 和调谐电容C3-2并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处，发射线圈L3-2的输出信号经自由空间传播到附近的充电装置；设共有η个充电装置，其中第i个充电装置的接收模块包括有接收线圈L4-i-l、负载线圈L4-i-2和调谐电容C4-i-l、C4-i-2，i取1 η ；接收线圈L4_i_l和调谐电容C4_i_l 并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处，接收线圈L4-i-l接收发射线圈L3-2经自由空间传播的输出信号；负载线圈L4-i-2和调谐电容C4-i-2并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处，接收线圈L4-i-l的输出信号经自由空间传播到负载线圈L4-i-2;每个充电装置的后处理模块包括有高频整流模块和稳压模块，相应接收模块中负载线圈的输出端连接到高频整流模块的输入端，高频整流模块的输出端连接到稳压模块的输入端，稳压模块的输出端连接到负载。
2.根据权利要求1所述基于太阳能的移动式无线充电系统，其特征在于调谐电容为可变电容。
全文摘要
本发明是一种基于太阳能的移动式无线充电系统，包括太阳能蓄电模块、前处理模块、发射模块、接收模块和后处理模块组成。本发明中的太阳能蓄电模块在传感器网络无需充电时工作，将太阳辐射的能量转换为电能储存在蓄电池中。在传感器网络需要充电时，蓄电池与太阳能电池和太阳能控制器分离，将蓄电池和前处理模块和发射模块一起移动到不同的传感器终端处对其充电。发射模块和接收模块采用磁共振方式进行无线能量传输。本发明利用太阳能这种清洁能源，采取发射模块可移动的方式，对传感器网络中数量多、分布广的传感器终端分别进行无线充电，具有传输效率高、传输距离远、实现灵活、成本低等优点。
文档编号H02J17/00GK102170159SQ20111011400
公开日2011年8月31日 申请日期2011年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者王高峰, 石新智, 祁昶, 胡继承, 钱俊 申请人:武汉大学