CN103762726A - 一种家用太阳能无线供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种家用太阳能无线供电系统，系统包括太阳能发电模块、中等功率家用电器供电模块和小功率用电器无线供电模块。其中太阳能发电模块分别与中等功率家用电器供电模块和小功率用电器无线供电模块相连，为它们提供电能。太阳能发电模块中的充放电控制器与蓄电池相连，可以实现电能的双向流动；在小功率用电器无线供电模块中，高频逆变和功率放大模块与发射线圈直接相连，接收线圈与小功率用电器相连，发射线圈和接收线圈间可以进行无线输电。本发明在充分利用太阳能的同时，将多余的电能储存于蓄电池中，有利于电能最大化利用。采用谐振耦合无线电能传输方式，可以实现对小功率用电器无线供电。本发明具有操作简单可靠，环保便捷等特点。

Description

一种家用太阳能无线供电系统

技术领域

本发明涉及一种家用太阳能供电系统，尤其涉及一种无线供电系统，主要利用了谐振式无线供电技术。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对电力的需求和依赖程度也越来越高，而太阳能资源取之不尽、安全清洁，是最理想的可再生能源。

现有的有线供电技术存在引线过长，接线庞杂，人工操作复杂，接口易磨损，时有电火花、接触不良等现象，给人们的日常生活用电造成了一定的危险和很大的不便。

无线电能传输技术是一种广泛应用前景的电能传输方式，具有安全、可靠、灵活、方便等优点，已经日益受到世界各国的重视，并越来越广泛应用于各种不适合或不方便使用有导线接触传输电能的地方，如植入式医疗设备、移动电子产品、机器人、轨道电车供电等场合，并有望在不久的将来能够在小功率电子产品无线充电方面取代传统的插头充电。

目前的无线电能传输方式主要有三种：一种为近距离的感应耦合无线电能传输，效率高（90%以上），距离近（10cm以下）；一种为中距离的谐振耦合无线电能传输，效率较高，距离较远；第三种是远距离的微波/激光无线电能传输，效率较低，传输距离远，太阳能属于一种微波无线电能传输。现在已经有某些电子产品可以进行无线充电，但多为感应式无线充电，充电距离非常短。为了在较大距离内进行无线充电，因此考虑利用谐振式无线输电技术。

发明内容

本发明的目的在于克服目前有线供电的种种不足，综合利用现有的无线电能传输技术，为各种中小功率家用电器提供环保、安全、可靠、便捷的供电系统。

本发明通过如下技术方案实现：

一种家用太阳能无线供电系统，其包括太阳能发电模块，中等功率家用电器供电模块和小功率用电器无线供电模块；其中太阳能发电模块分别与中等功率家用电器供电模块和小功率用电器无线供电模块相连并提供电能；所述的太阳能发电模块包括太阳能电池板、充放电控制器和蓄电池，太阳能电池板与充放电控制器的输入端相连，充放电控制器的三个输出端分别与蓄电池、中等功率家用电器供电模块和小功率用电器无线供电模块相连，太阳能电池板将太阳能转化为电能，电能经充放电控制器后一部分直接为中等功率家用电器供电模块和小功率用电器无线供电模块供电，另一部分储存于蓄电池中。

上述的家用太阳能无线供电系统中，充放电控制器的第一输出端与蓄电池相连；中等功率家用电器供电模块包括逆变器和家用电器，其中逆变器的输入端与充放电控制器的第二输出端相连，输出端接中等功率家用电器；中等功率家用电器供电模块将来自于充放电控制器的直流电输送到逆变器中，直流电被转换为工频交流电后直接对中等功率家用电器进行有线供电。

上述的家用太阳能无线供电系统中，小功率用电器无线供电模块包括高频逆变和功率放大模块、发射线圈、接收线圈、无线充电板和小功率用电器,其中高频逆变和功率放大模块的输入端与充放电控制器的第三输出端相连，输出端接发射线圈，接收线圈与无线充电板内部的高频整流稳压电路的输入端相连，无线充电板中整流稳压电路的输出端接小功率用电器；来自充放电控制器的直流电经高频逆变和功率放大模块转换后，输入到发射线圈中，在发射线圈周围产生高频电磁波，接收线圈通过电磁场与发射线圈发生耦合谐振，吸收发射线圈传递的电能，电能通过无线充电板中的高频整流稳压电路后送至输出端口，为小功率用电器供电。

上述的家用太阳能无线供电系统中，接收线圈内嵌于无线充电板中或者小功率用电器中。

上述的家用太阳能无线供电系统中，所述充放电控制器包括稳压二极管、电感、第一二极管、第二二极管、第一开关管、第二开关管、第一采样电阻、第二采样电阻、电流互感器、单片机、PWM信号放大电路、输出保护及功率驱动电路、输入端和三个输出端；其中太阳能电池板与充放电控制器输入端一侧相连，并且正负极对应连接，稳压二极管并联在充放电控制器输入端的另一侧，电感的一端分别与稳压二极管的一端及输入端正极相连，电感的另一端分别与第一二极管及第二二极管的阳极相连，第一二极管的阴极分别与第一采样电阻的一端及控制器三个输出端的正极直接相连，第一采样电阻的另一端分别与第二采样电阻的一端及单片机电压采样输入端相连，第二采样电阻的另一端分别与第二开关管的源极和第一输出端的负极相连，第二二极管的阴极与第一开关管的漏极相连，第一开关管的源极与充放电控制器输入端的负极和第一输出端的负极直接相连，第一开关管的栅极与PWM信号放大电路的输出端相连，PWM信号放大器的输入端与单片机第一信号输出端相连，第二开关管的漏极分别与第二输出端和第三输出端的负极相连，第二开关管的栅极与输出保护及功率驱动模块的输出端相连，输出保护及功率驱动电路的输入端与单片机的第二输出端相连，电流互感器安装在开关管Q2源极与第一输出端负极的连接线上，电流互感器的输出端与单片机的电流采样输入端相连，第一输出端的正极与蓄电池的正极相连，第一输出端的负极与蓄电池的负极相连；太阳能电池板上为充放电控制器供电，稳压二极管稳定输入端的电压，电感用来储能和提升电压，第一二极管为整流二极管，第二二极管用于防止该支路电流回流，第一采样电阻和第二采样电阻对充放电控制器的输出电压进行采样，并将采样结果送至单片机电压采样输入端，与单片机内部比较器的参考电压进行比较，产生的PWM信号经单片机第一信号输出端，被送至PWM信号驱动电路的输入端；电流互感器用来采样第二开关管的电流大小，并将电流采样结果送至单片机电流采样输入端，与单片机内部比较器的参考电流进行比较，产生的PWM信号经单片机第二信号输出端，被送至输出保护及功率驱动电路的输入端；其中PWM信号放大电路把来自单片机的PWM信号进行放大，输出脉冲信号到第一开关管的栅极，控制其开通和关断，从而使输出电压维持在设定范围内；输出保护及功率驱动电路将来自单片机的PWM信号进行转换和放大，输出脉冲信号来控制第二开关管的开通和关断，从而对电路进行实时保护；充放电控制器的第一输出端与蓄电池相连，在太阳能电池板供电充足时，充放电控制器为蓄电池充电，当太阳能电池板供电不足或者用电负荷较大时，蓄电池反过来为充放电控制器供电；第二输出端与中等功率用电器模块相连，为其供电；第三输出端与小功率用电器模块相连，为其供电；充放电控制器输出电压的额定值为24V、36V和48V三种。

上述的家用太阳能无线供电系统中，所述发射线圈和接收线圈组成谐振耦合电路，该耦合电路均采用LC振荡电路，发射线圈和接收线圈的电路振荡频率相同，且与高频逆变和功率放大模块内的系统逆变频率相同，从而实现谐振耦合电能的无线传输。

上述的家用太阳能无线供电系统中，所述的发射线圈L1为Q值大于50的线圈，线圈形状为空间螺旋式或平面盘式；所述发射线圈L1固定在墙面内或天花板上或嵌在地板下；接收线圈也为Q值大于50的线圈，形状为空间螺旋式或者平面内环式，接收线圈内嵌于无线充电板中或者直接集成在小功率用电器内。

上述的家用太阳能无线供电系统中，所述的发射线圈和接收线圈都并联或者串联有可调电容。

上述的家用太阳能无线供电系统中，所述的高频逆变和功率放大模块包括高频逆变器、功率放大器和阻抗匹配电路，来自充放电控制器的直流电经此模块后转化为高频交流电，通入发射线圈中。

根据权利要求7所述的家用太阳能无线供电系统，其特征在于，接收线圈及与之相连接的高频整流稳压电路集成于无线充电板中或者小功率用电器内部。

与现在的有线供电技术相比，本发明有如下优点：利用太阳能可以实现用户用电自给自足，并且太阳能环保、清洁；通过谐振耦合无线输电方式，可以在室内大范围内为带有无线充电接收装置的用电器充电；对于不含无线充电接收装置的用电器而言，可以直接通过连接无线充电板中的充电端口D进行充电；蓄电池可以储存多余的电能，在太阳能供电不足或用电负荷较大时释放电能，提高系统的供电能力；对于位置较为固定的、中等功率的家用电器（如电冰箱、洗衣机、电视机等）可以通过有线供电。从总体上讲，该供电系统具有节能环保、安全可靠、传输距离远、方便灵活、传输效率高的特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的实际效果图。

图3是充放电控制器的内部框图。

图4是谐振耦合无线输电原理图。

图5a、图5b是无线电能传输发射线圈和接收线圈形状图（盘式和螺旋式两种）。

图6是高频逆变和功率放大模块框图

图7为无线充电板内部框图。

具体实施方式

以下结合附图对发明的具体实施作进一步描述，但本发明的实施和保护不限于此。

如图1所示，一种家用太阳能无线供电系统包括太阳能电池板S、充放电控制器K、蓄电池B、逆变器M1、高频逆变和功率放大模块M2、无线发射线圈L1、无线接收线圈L2、无线充电板P、用电器充电接口D、中小功率用电器A1和A2。其中太阳能电池板与充放电控制器的输入端相连，充放电控制器的第一输出端与蓄电池相连，第二输出端与中等功率家用电器供电模块中的逆变器相连，第三输出端与小功率用电器无线供电模块中的高频逆变和功率放大器相连。逆变器M1的输出端与家用电器A1相连，高频逆变和功率放大器M2的输出端与发射线圈L1相连，接收线圈L2内嵌于无线充电板P中，无线充电板的输出端口D与小功率用电器相连。

通过太阳能电池板将光能转化为电能，电能经充放电控制器转换后流向三个方向：一部分为中等功率（一般在100W到500W范围内）家用电器模块直接供电（如电视机、电冰箱等）；一部分给小功率用电器（100W以下）进行无线供电；还有一部分剩余的电能被储存于蓄电池中。在电能充足的时候，蓄电池吸收太阳能电池板输送过来的多余电能，在电能不足的时候，将储存的电能反馈到整个供电系统中，为相关家用电器提供电能。

中等功率家用电器供电模块II将来自于充放电控制器的直流电输送到逆变器M1中，直流电被转换为工频交流电一般为220V，50Hz后直接对中等功率家用电器A1位置相对固定进行有线供电；小功率用电器无线供电模块III包括高频逆变和功率放大模块M2、发射线圈L1、接收线圈L2、无线充电板P和小功率用电器A2,其中高频逆变和功率放大模块M2的输入端与充放电控制器K的第三输出端相连，输出端接发射线圈L1，接收线圈L2与无线充电板P内部的高频整流稳压电路C1的输入端相连，无线充电板的输出端接小功率用电器A2；来自充放电控制器的直流电经高频逆变和功率放大模块变换后，输入到发射线圈中，产生高频电磁波，接收线圈通过电磁场与发射线圈发生耦合谐振，吸收电能，接收线圈L2内嵌于无线充电板P中，电能通过无线充电板中的高频整流稳压电路C1后送至输出端口D，为小功率用电器A2供电。

图2为本发明的实际效果图，从图中可以看出，体积较大、功率中等的家用电器通常会固定在室内的某个角落，或者墙面上。为了降低能量传输功率损耗，提高系统的电能传输效率，可以通过导线直接对其供电；谐振耦合的发射线圈L1通常嵌入在地面、墙面或者天花板里；谐振耦合接收线圈通常置于无线充电板内部，与后级的整流稳压电路相连，电能最终输出到充电端口D。当然，对于带有无线电能接收装置的用电器，由于其本身带有谐振耦合接收线圈，可以直接进行无线充电。

图3是本系统中充放电控制器K的内部框图。充放电控制器K包括稳压二极管W、电感L、第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、电流互感器CT、单片机、PWM信号放大电路、输出保护及功率驱动电路、输入端和三个输出端。其中太阳能电池板与充放电控制器输入端一侧相连，稳压二极管W并联在充放电控制器输入端的另一侧，电感L的一端分别与稳压二极管W的一端及输入端正极相连，电感L的另一端分别与第一二极管D1及第二二极管D2的阳极相连，第一二极管D1的阴极分别与采样电阻R1的一端及控制器三个输出端的正极直接相连，第一采样电阻R1的另一端分别与第二采样电阻R2的一端及单片机电压采样输入端相连，第二采样电阻R2的另一端分别与第二开关管Q2的源极和第一输出端的负极相连，第二二极管D2的阴极与第一开关管Q1的漏极相连，第一开关管Q1的源极与充放电控制器输入端的负极和第一输出端的负极直接相连，第一开关管Q1的栅极与PWM信号放大电路的输出端相连，PWM信号放大器的输入端与单片机第一信号输出端相连，第二开关管Q2的漏极分别与第二输出端和第三输出端的负极相连，开关管Q2的栅极与输出保护及功率驱动电路的输出端相连，输出保护及功率驱动电路的输入端与单片机的第二输出端相连，电流互感器CT安装在第二开关管Q2源极与第一输出端负极的连接线上，电流互感器CT的输出端与单片机的电流采样输入端相连，第一输出端的正极与蓄电池的正极相连，第一输出端的负极与蓄电池的负极相连。太阳能电池板上的电能通过充放电控制器与输出端为其供电，稳压二极管W稳定输入端的电压，电感L用来储能和提升电压，第一二极管D1为整流二极管，第二二极管D2为了防止该支路电流回流，第一采样电阻R1和第二采样电阻R2对充放电控制器的输出电压进行采样，并将采样结果送至单片机电压采样输入端，与单片机内部比较器的参考电压进行比较，产生的PWM信号经单片机第一信号输出端，被送至PWM信号驱动电路的输入端；电流互感器CT用来采样第二开关管Q2的电流大小，并将电流采样结果送至单片机电流采样输入端，与单片机内部比较器的参考电流进行比较，产生的PWM信号经单片机第二信号输出端，被送至输出保护及功率驱动电路的输入端；其中PWM信号放大电路把来自单片机的PWM信号进行放大，输出脉冲信号到第一开关管Q1的栅极，控制其开通和关断，从而使输出电压维持在一定范围内；输出保护及功率驱动电路将来自单片机的控制信号进行转换和放大，也输出脉冲信号来控制第二开关管Q2的开通和关断，从而对电路进行实时保护。充放电控制器的第一输出端与蓄电池相连，在太阳能电池板供电充足时，充放电控制器为蓄电池充电，当太阳能电池板供电不足或者用电负荷较大时，蓄电池为系统供电；第二输出端与中等功率用电器模块相连，为其供电；第三输出端与小功率用电器模块相连，为其供电。充放电控制器的输出电压的额定值主要有24V、36V和48V三种。

本系统采用谐振式无线电能传输技术，其原理如图4所示。在实际应用中电感线圈（包括发射和接收）均与可调电容相并联（或串联），其中发射线圈的外径相对较大，一般在1m以上，接收线圈半径相对较小，根据实际情况而定。线圈形状有平面盘式（5a）和空间螺旋式(图5b)两种，如图5所示，本系统采用平面盘式形状，便于室内安装，节省空间。另外为了提高系统的整体电能传输性能，一般采用高Q值线圈。

小功率用电器无线供电系统的发射部分如图6所示，充放电控制器将直流电输入到高频逆变电路，电流频率被被调至MHz级，之后与功率放大器相连，将高频交流电通过阻抗匹配网络传至发射线圈L1，发射线圈一般与可变电容C串联或者并联，调节可变电容C可以使得线圈的固有频率与系统频率相同，达到谐振状态，实现谐振式无线供电。使用前调节阻抗匹配网络使系统达到最佳匹配状态。

无线充电板内部框图如图7所示，接收线圈L2与可调电容C相连，使用前调节电容是使接收端谐振频率与系统频率相同，达到谐振状态，电能可以通过谐振耦合在发射线圈和接收线圈之间进行有效传输。接收线圈的电能经过高频整流稳压电路C1输出到充电端口D，为小功率用电器充电。另外如果现有的移动用电器内部带有无线充电接受装置，那么可以直接接受发射线圈L1传递的电能，进行无线充电。

本系统利用可再生能源太阳能为家用的中小功率用电器提供电能供应，其中，中等功率用电器一般采用有线供电，小功率便携式用电器采用无线供电方式，在实际应用中可以给用户提供很大方便，而且节约能源。

Claims (10)

1.一种家用太阳能无线供电系统，其特征在于包括太阳能发电模块（I），中等功率家用电器供电模块（II）和小功率用电器无线供电模块（III）；其中太阳能发电模块(I)分别与中等功率家用电器供电模块(II)和小功率用电器无线供电模块(III)相连并提供电能；所述的太阳能发电模块(I)包括太阳能电池板（S）、充放电控制器（K）和蓄电池（B），太阳能电池板（S）与充放电控制器（K）的输入端相连，充放电控制器（K）的三个输出端分别与蓄电池（B）、中等功率家用电器供电模块(II)和小功率用电器无线供电模块(III)相连，太阳能电池板将太阳能转化为电能，电能经充放电控制器后一部分直接为中等功率家用电器供电模块和小功率用电器无线供电模块供电，另一部分储存于蓄电池中。

2.根据权利要求1所述的一种家用太阳能无线供电系统，其特征在于充放电控制器（K）的第一输出端与蓄电池（B）相连；中等功率家用电器供电模块包括逆变器（M1）和家用电器（A1），其中逆变器（M1）的输入端与充放电控制器的第二输出端相连，输出端接中等功率家用电器（A1）；中等功率家用电器供电模块（II）将来自于充放电控制器的直流电输送到逆变器(M1)中，直流电被转换为工频交流电后直接对中等功率家用电器(A1)进行有线供电。

3.根据权利要求2所述的一种家用太阳能无线供电系统，其特征在于小功率用电器无线供电模块（III）包括高频逆变和功率放大模块（M2）、发射线圈（L1）、接收线圈（L2）、无线充电板（P）和小功率用电器（A2）,其中高频逆变和功率放大模块(M2)的输入端与充放电控制器（K）的第三输出端相连，输出端接发射线圈(L1)，接收线圈(L2)与无线充电板(P)内部的高频整流稳压电路(C1)的输入端相连，无线充电板中整流稳压电路的输出端接小功率用电器（A2）；来自充放电控制器的直流电经高频逆变和功率放大模块转换后，输入到发射线圈中，在发射线圈周围产生高频电磁波，接收线圈通过电磁场与发射线圈发生耦合谐振，吸收发射线圈传递的电能，电能通过无线充电板中的高频整流稳压电路(C1)后送至输出端口(D)，为小功率用电器（A2）供电。

4.根据权利要求3所述的一种家用太阳能无线供电系统，其特征在于，接收线圈（L2）内嵌于无线充电板(P)中或者小功率用电器（A2）中。

5.根据权利要求3所述的一种家用太阳能无线供电系统，其特征在于，所述充放电控制器（K）包括稳压二极管（W）、电感（L）、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第一开关管（Q1）、第二开关管（Q2）、第一采样电阻（R1）、第二采样电阻（R2）、电流互感器（CT）、单片机、PWM信号放大电路、输出保护及功率驱动电路、输入端和三个输出端；其中太阳能电池板与充放电控制器输入端一侧相连，并且正负极对应连接，稳压二极管（W）并联在充放电控制器输入端的另一侧，电感（L）的一端分别与稳压二极管（W）的一端及输入端正极相连，电感（L）的另一端分别与第一二极管（D1）及第二二极管（D2）的阳极相连，第一二极管（D1）的阴极分别与第一采样电阻（R1）的一端及控制器三个输出端的正极直接相连，第一采样电阻（R1）的另一端分别与第二采样电阻（R2）的一端及单片机电压采样输入端相连，第二采样电阻（R2）的另一端分别与第二开关管（Q2）的源极和第一输出端的负极相连，第二二极管（D2）的阴极与第一开关管（Q1）的漏极相连，第一开关管（Q1）的源极与充放电控制器输入端的负极和第一输出端的负极直接相连，第一开关管（Q1）的栅极与PWM信号放大电路的输出端相连，PWM信号放大器的输入端与单片机第一信号输出端相连，第二开关管（Q2）的漏极分别与第二输出端和第三输出端的负极相连，第二开关管（Q2）的栅极与输出保护及功率驱动模块的输出端相连，输出保护及功率驱动电路的输入端与单片机的第二输出端相连，电流互感器（CT）安装在开关管Q2源极与第一输出端负极的连接线上，电流互感器（CT）的输出端与单片机的电流采样输入端相连，第一输出端的正极与蓄电池的正极相连，第一输出端的负极与蓄电池的负极相连；太阳能电池板上为充放电控制器供电，稳压二极管（W）稳定输入端的电压，电感（L）用来储能和提升电压，第一二极管（D1）为整流二极管，第二二极管（D2）用于防止该支路电流回流，第一采样电阻（R1）和第二采样电阻（R2）对充放电控制器的输出电压进行采样，并将采样结果送至单片机电压采样输入端，与单片机内部比较器的参考电压进行比较，产生的PWM信号经单片机第一信号输出端，被送至PWM信号驱动电路的输入端；电流互感器（CT）用来采样第二开关管（Q2）的电流大小，并将电流采样结果送至单片机电流采样输入端，与单片机内部比较器的参考电流进行比较，产生的PWM信号经单片机第二信号输出端，被送至输出保护及功率驱动电路的输入端；其中PWM信号放大电路把来自单片机的PWM信号进行放大，输出脉冲信号到第一开关管（Q1）的栅极，控制其开通和关断，从而使输出电压维持在设定范围内；输出保护及功率驱动电路将来自单片机的PWM信号进行转换和放大，输出脉冲信号来控制第二开关管（Q2）的开通和关断，从而对电路进行实时保护；充放电控制器的第一输出端与蓄电池相连，在太阳能电池板供电充足时，充放电控制器为蓄电池充电，当太阳能电池板供电不足或者用电负荷较大时，蓄电池反过来为充放电控制器供电；第二输出端与中等功率用电器模块相连，为其供电；第三输出端与小功率用电器模块相连，为其供电；充放电控制器输出电压的额定值为24V、36V和48V三种。

6.根据权利要求3所述的一种家用太阳能无线供电系统，其特征在于，所述发射线圈（L1）和接收线圈（L2）组成谐振耦合电路，该耦合电路均采用LC振荡电路，发射线圈和接收线圈的电路振荡频率相同，且与高频逆变和功率放大模块内的系统逆变频率相同，从而实现谐振耦合电能的无线传输。

7.根据权利要求3所述的太阳能家用无线供电系统，其特征在于，所述的发射线圈L1为Q值大于50的线圈，线圈形状为空间螺旋式或平面盘式；所述发射线圈L1固定在墙面内或天花板上或嵌在地板下；接收线圈（L2）也为Q值大于50的线圈，形状为空间螺旋式或者平面内环式，接收线圈（L2）内嵌于无线充电板中或者直接集成在小功率用电器内。

8.根据权利要求1所述的一种家用太阳能无线供电系统，其特征在于，所述的发射线圈和接收线圈都并联或者串联有可调电容。

9.根据权利要求1所述的一种家用太阳能无线供电系统，其特征在于，所述的高频逆变和功率放大模块（M2）包括高频逆变器、功率放大器和阻抗匹配电路，来自充放电控制器的直流电经此模块（M2）后转化为高频交流电，通入发射线圈（L1）中。

10.根据权利要求7所述的家用太阳能无线供电系统，其特征在于，接收线圈（L2）及与之相连接的高频整流稳压电路集成于无线充电板(P)中或者小功率用电器内部。

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