CN107071977A - 一种无线充电的风光互补路灯 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线充电的风光互补路灯装置，包括风光互补发电装置，变流器部分，发电控制单元，储能系统，无线功率发射与接收装置，路灯照明系统。通过在几个路灯之间建设一个双MPPT风光互补发电装置，然后通过磁场谐振耦合的方式将电能传输给各个路灯，多余的电传送给装置内部的蓄电池储存起来，当发电不足时，通过蓄电池释放电能来给路灯提供电能。这样的方式可以弥补每个路灯都安装小型风力机和太阳能电池板所带来的发电偏差和发电不足，保证有效的发光时间，也大大降低了路灯发生故障的概率，节省了维修成本。在复杂地形的山区中，可以广泛应用，可以不用考虑输电电缆的铺设，从而降低输电和维修的成本。

Description

一种无线充电的风光互补路灯
技术领域
本发明涉及定位装置领域，具体地说，特别涉及到一种无线充电的风光互补路灯。
背景技术
随着科技的发展，电子产品得到了广泛的应用，有线充电这种传统方式带来许多线路负载的问题。一直以来，电能传输都是利用有线的方法进行，该方法容易产生线路老化等难以避免的问题，这便要求用电设备有更高标准的可靠性和安全性。越来越多的电子产品为人们的工作生活带来了极大的便捷，但传统的电力传输方式大多是通过导线或插座将电力传输到终端产品。随着移动设备、无线数据传输、无线网络技术的日益普及，人们希望能摆脱传统电力传输方式的束缚，解除纷乱电源线带来的困扰。基于磁场谐振耦合的无线电力传输，实际上是将磁场作为传输的介质，通过共振建立发射与接收装置之间的传递通道，从而有效地传输能量。利用这种方式进行能量传输，不但可以提高传输的功率与效率，同时可以将传输的距离提高到几米而不会受到空间障碍物的影响。
风光互补LED路灯是根据自然光线的变化，天黑开灯，天亮关灯，每天的亮灯时间随季节变化而不同。风光互补LED路灯的工作时间与太阳能日照时间的规律正好相反，夏天日照长，路灯工作时间短；冬天日照时间短，路灯工作时间却长。风光互补路灯中所用的风力发电机不同于农村的户用小型风力机更不同于并网型风力机严格来讲，国内目前还没有一种适合于路灯系统的风力机，对风光互补路灯系统的风力机的要求，既要考虑路灯的美观又要考虑路灯的强度，因为灯杆不带拉筋因此叶轮不能太大对动静平衡的。而且目前的风光互补路灯单个个体之间发电也存在差异，发出噪声较大，并且故障率较高，如果不并网难以保证有效的发光时间，并网又需要铺设大量的电缆，投入与维护成本较高，同时也给维修造成了一定的难度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种无线充电的风光互补路灯，以解决现有技术中存在的问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种无线充电的风光互补路灯，包括为所述路灯照明单元发电的风光互补发电装置、设置在所述风光互补发电装置的输出端的变流器单元，与所述变流器单元连接的发电控制单元、设置在所述发电控制单元的控制端的无线功率发射和接收单元、以及路灯照明单元；
所述发电组件包括垂直轴风力发电机和太阳能电池组，所述变流器单元包括AC/DC转换模块和DC/DC转换模块；
在所述垂直轴风力发电机的输出端连接有AC/DC转换模块，在所述太阳能电池组的输出端连接有DC/DC转换模块，所述AC/DC转换模块和DC/DC转换模块的输出端均与所述发电控制单元连接；
所述发电控制单元的输出端分别与储能单元和无线功率发射和接收单元连接，所述无线功率发射和接收单元包括无线功率发射装置和无线功率接收装置，无线发射装置将直流电经过高频逆变电路，通电线圈来产生电磁波，并把电磁波发射给无线功率接收装置；
所述无线功率接收装置的输出端设有DC/AC模块，所述DC/AC模块的输出端与路灯照明单元连接。
进一步的，所述无线功率发射和接收单元具有高频电源，高频电源由高频振荡电路与功率放大电路组成，高频振荡电路产生与无线发射装置所需谐振电流的频率相同的正弦信号，经功率放大电路将信号功率放大；
发射天线中感应得到的交变电流，在其周围产生相同频率的交变磁场，从而在接收线圈中感应生成相同频率的电流，由于接收天线的本征频率与电流频率相同，从而发生自谐振，发射线圈和接收线圈之间通过磁场建立耦合关系，能量由无线发射装置源源不断传递到无线接收装置，为了保证磁场可以尽可能穿过接收线圈，接收线圈和发射线圈同轴。
进一步的，所述风光互补发电装置采用逐步刹车保护法，在风光互补发电装置上连接有两个或多个卸载器，在蓄电池过充时将卸载器逐步加载使风机逐渐减慢，再通过MOSFET开关管短路刹车同时控制延时打开；逐步刹车保护法的工作过程如下：
当蓄电池过充时，单片机给T1的栅极输出低电平T1，断开太阳能电池停止充电同时单片机给T2的栅极输出高电平T2闭合接通第一卸载器，风机边充电边给第一卸载器供电，由于负载加大，风机的转速有所下降；延时t1后，单片机给T3的栅极输出高电平，接通第二卸载器，风机的转速继续下降；延时t2后，单片机给T4的栅极输出高电平，T4闭合，风机被短路刹车；
风机被刹车后，经过延时t3，单片机给T1的栅极输出高电平，给T2、T3、T4的栅极输出低电平，风机和太阳能电池又开始给蓄电池充电，延时t4后，蓄电池又达到过充，又重复上述的逐步刹车保护方式；在延时时间≤t4时，蓄电池就达到过充，则必须经过时间t5，才再打开充电。
进一步的，所述发电控制单元通过对采样光伏电池电压的判断来决定程序工作状态；设Usp为光伏电池输出电压，Ud为蓄电池开启充电电压阀值Udark为天黑判断电压阀值；若Usp≥Ud，光伏电池开始对蓄电池充电，程序执行白天子程序；若Usp≤Udark，即光伏电池输出电压小于等于天黑判断电压阀值时，执行夜晚子程序；若Udark<Usp<Ud，执行Udark<Usp<Ud时子程序。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.通过在几个路灯之间建设一个双MPPT风光互补发电装置，然后通过磁场谐振耦合的方式将电能传输给各个路灯，多余的电传送给装置内部的蓄电池储存起来，当发电不足时，通过蓄电池释放电能来给路灯提供电能。因此，只需要在结构比较简单的路灯上增加无线充电的电能接收装置，这样的方式也可以弥补每个路灯都安装小型风力机和太阳能电池板所带来的发电偏差和发电不足，也大大降低了路灯发生故障的概率，节省了维修成本。在复杂地形的山区中，可以广泛应用，可以不用考虑输电电缆的铺设，从而降低输电和维修的成本。
2.路灯与发电装置之间采用电磁耦合共振电力传输，这种方式主要是利用接收天线固有频率与发射场电磁频率相一致时引起电磁共振，发生强电磁耦合的工作原理，通过非辐射磁场实现电能的高效传输。这种无线充电装置主要包括电源模块，电能发射模块，电能接收模块和充电模块。接收模块的谐振主要是从发射模块谐振产生的交变磁场中获取电能，并将该电能转变为适合路灯发光的电流。
3.为了提高发电效率，本发明采用双MPPT型(风能和太阳能最大限度的发电功率跟踪)带蓄电池活化功能风光互补发电装置：风能、太阳能最大限度的发电功率跟踪，真正实现了风能、太阳能的互补，解决亮灯时间短的现象，最多2～4天阴雨天亮灯；对蓄电池进行活化，去除硫化，激活蓄电池，增加蓄电池的存储能力，加入了充电温度补偿，使亮灯到天亮。
4.本发明所采用的风光互补发电装置中的风力发电机是垂直轴风力机，因为垂直轴风力发电机相比于水平轴风力发电机，具有噪声小、启动风速低、抗风性能较好的特点。太阳能电池板采用非晶硅/晶硅叠层结构太阳能电池。鉴于非晶硅良好的短波响应特性和微晶硅良好的长波响应特性，常用微晶硅作底电池，形成非晶硅/微晶硅叠层结构，可大幅度提高转换效率。
5.风光互补控制器采用逐步刹车保护法，在风光互补控制器上连接有两个或多个卸载器，在蓄电池过充时将卸载器逐步加载使风机逐渐减慢，再通过MOSFET开关管短路刹车同时控制延时打开。只有在一定时间后或电压降到恢复点时再重新打开MOS进行充电，这样的卸载是一个逐步的过程，在转速和电流得到控制时彻底刹住，对风机和控制器的冲击相对较小卸载器工作时间短发热少各部件不易损坏安全性高。
附图说明
图1为本发明所述的无线充电风光互补路灯系统示意图。
图2为本发明所述的无线电力传输的系统结构图。
图3为本发明所述的风光互补控制器系统原理图。
图4为本发明所述的系统工作设计流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1-图4，本发明所述的一种无线充电的风光互补路灯，包括为所述路灯照明单元发电的风光互补发电装置、设置在所述风光互补发电装置的输出端的变流器单元，与所述变流器单元连接的发电控制单元、设置在所述发电控制单元的控制端的无线功率发射和接收单元、以及路灯照明单元；
所述发电组件包括垂直轴风力发电机和太阳能电池组，所述变流器单元包括AC/DC转换模块和DC/DC转换模块；
在所述垂直轴风力发电机的输出端连接有AC/DC转换模块，在所述太阳能电池组的输出端连接有DC/DC转换模块，所述AC/DC转换模块和DC/DC转换模块的输出端均与所述发电控制单元连接；
所述发电控制单元的输出端分别与储能单元和无线功率发射和接收单元连接，所述无线功率发射和接收单元包括无线功率发射装置和无线功率接收装置，无线发射装置将直流电经过高频逆变电路，通电线圈来产生电磁波，并把电磁波发射给无线功率接收装置；
所述无线功率接收装置的输出端设有DC/AC模块，所述DC/AC模块的输出端与路灯照明单元连接。
进一步的，所述无线功率发射和接收单元具有高频电源，高频电源由高频振荡电路与功率放大电路组成，高频振荡电路产生与无线发射装置所需谐振电流的频率相同的正弦信号，经功率放大电路将信号功率放大；
发射天线中感应得到的交变电流，在其周围产生相同频率的交变磁场，从而在接收线圈中感应生成相同频率的电流，由于接收天线的本征频率与电流频率相同，从而发生自谐振，发射线圈和接收线圈之间通过磁场建立耦合关系，能量由无线发射装置源源不断传递到无线接收装置，为了保证磁场可以尽可能穿过接收线圈，接收线圈和发射线圈同轴。
进一步的，所述风光互补发电装置采用逐步刹车保护法，在风光互补发电装置上连接有两个或多个卸载器，在蓄电池过充时将卸载器逐步加载使风机逐渐减慢，再通过MOSFET开关管短路刹车同时控制延时打开；逐步刹车保护法的工作过程如下：
当蓄电池过充时，单片机给T1的栅极输出低电平T1，断开太阳能电池停止充电同时单片机给T2的栅极输出高电平T2闭合接通第一卸载器，风机边充电边给第一卸载器供电，由于负载加大，风机的转速有所下降；延时t1后，单片机给T3的栅极输出高电平，接通第二卸载器，风机的转速继续下降；延时t2后，单片机给T4的栅极输出高电平，T4闭合，风机被短路刹车；
风机被刹车后，经过延时t3，单片机给T1的栅极输出高电平，给T2、T3、T4的栅极输出低电平，风机和太阳能电池又开始给蓄电池充电，延时t4后，蓄电池又达到过充，又重复上述的逐步刹车保护方式；在延时时间≤t4时，蓄电池就达到过充，则必须经过时间t5，才再打开充电。
进一步的，所述发电控制单元通过对采样光伏电池电压的判断来决定程序工作状态；设Usp为光伏电池输出电压，Ud为蓄电池开启充电电压阀值Udark为天黑判断电压阀值；若Usp≥Ud，光伏电池开始对蓄电池充电，程序执行白天子程序；若Usp≤Udark，即光伏电池输出电压小于等于天黑判断电压阀值时，执行夜晚子程序；若Udark<Usp<Ud，执行Udark<Usp<Ud时子程序。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种无线充电的风光互补路灯，其特征在于：包括为所述路灯照明单元发电的风光互补发电装置、设置在所述风光互补发电装置的输出端的变流器单元，与所述变流器单元连接的发电控制单元、设置在所述发电控制单元的控制端的无线功率发射和接收单元、以及路灯照明单元；
所述发电组件包括垂直轴风力发电机和太阳能电池组，所述变流器单元包括AC/DC转换模块和DC/DC转换模块；
在所述垂直轴风力发电机的输出端连接有AC/DC转换模块，在所述太阳能电池组的输出端连接有DC/DC转换模块，所述AC/DC转换模块和DC/DC转换模块的输出端均与所述发电控制单元连接；
所述发电控制单元的输出端分别与储能单元和无线功率发射和接收单元连接，所述无线功率发射和接收单元包括无线功率发射装置和无线功率接收装置，无线发射装置将直流电经过高频逆变电路，通电线圈来产生电磁波，并把电磁波发射给无线功率接收装置；
所述无线功率接收装置的输出端设有DC/AC模块，所述DC/AC模块的输出端与路灯照明单元连接。
2.根据权利要求1所述的无线充电的风光互补路灯，其特征在于：所述无线功率发射和接收单元具有高频电源，高频电源由高频振荡电路与功率放大电路组成，高频振荡电路产生与无线发射装置所需谐振电流的频率相同的正弦信号，经功率放大电路将信号功率放大；
发射天线中感应得到的交变电流，在其周围产生相同频率的交变磁场，从而在接收线圈中感应生成相同频率的电流，由于接收天线的本征频率与电流频率相同，从而发生自谐振，发射线圈和接收线圈之间通过磁场建立耦合关系，能量由无线发射装置源源不断传递到无线接收装置，为了保证磁场可以尽可能穿过接收线圈，接收线圈和发射线圈同轴。
3.根据权利要求1所述的无线充电的风光互补路灯，其特征在于：所述风光互补发电装置采用逐步刹车保护法，在风光互补发电装置上连接有两个或多个卸载器，在蓄电池过充时将卸载器逐步加载使风机逐渐减慢，再通过MOSFET开关管短路刹车同时控制延时打开；逐步刹车保护法的工作过程如下：
当蓄电池过充时，单片机给T1的栅极输出低电平T1，断开太阳能电池停止充电同时单片机给T2的栅极输出高电平T2闭合接通第一卸载器，风机边充电边给第一卸载器供电，由于负载加大，风机的转速有所下降；延时t1后，单片机给T3的栅极输出高电平，接通第二卸载器，风机的转速继续下降；延时t2后，单片机给T4的栅极输出高电平，T4闭合，风机被短路刹车；
风机被刹车后，经过延时t3，单片机给T1的栅极输出高电平，给T2、T3、T4的栅极输出低电平，风机和太阳能电池又开始给蓄电池充电，延时t4后，蓄电池又达到过充，又重复上述的逐步刹车保护方式；在延时时间≤t4时，蓄电池就达到过充，则必须经过时间t5，才再打开充电。
4.根据权利要求1所述的无线充电的风光互补路灯，其特征在于：所述发电控制单元通过对采样光伏电池电压的判断来决定程序工作状态；设Usp为光伏电池输出电压，Ud为蓄电池开启充电电压阀值Udark为天黑判断电压阀值；若Usp≥Ud，光伏电池开始对蓄电池充电，程序执行白天子程序；若Usp≤Udark，即光伏电池输出电压小于等于天黑判断电压阀值时，执行夜晚子程序；若Udark<Usp<Ud，执行Udark<Usp<Ud时子程序。
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