CN107852039A - 用于向移动平台进行非接触式能量传递的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种非接触式能量传递系统，其具有第一固定平台(115、310、510、610)和第二可移动平台(100、300、500、600)。第一平台具有联接至电源(210)的至少一个光源(120、320、520、615、650)。在第二分离平台上安装有至少一个光伏模块(130、330、530)。所述至少一个光伏模块联接至安装在第二平台上的能量储存系统(140)，使得在所述至少一个光伏模块处接收的任何光被转换成存储在能量储存系统中的电能。第二平台被配置成以紧密接近第一平台的方式沿着预定路径移动。预定路径可以是线性的或旋转的。光源被定位和配置成，当第二平台紧密接近第一平台(针对线性路径)或者恒定地或按预定间隔紧密接近第一平台(针对旋转路径)时，在预定间隔期间在光伏模块处引导光。

Description

用于向移动平台进行非接触式能量传递的系统和方法

技术领域

本公开总体上涉及用于从一源向移动平台进行非接触式能量传递的系统和方法。

背景技术

许多类型的移动平台需要大量的电能。在一些情况下，该移动平台可能会沿直线方向移动，就像经由电气化第三轨道或架空悬索线供电的列车一样。在其它情况下，该移动平台可以沿旋转方向移动，如同可以用于测试经由滑环或联接至旋转台上的弹簧加载触点来供电的惯性组件或系统的速率表(即，被配置成高速旋转的表)的情况一样。在两种情况下，电力经由移动的直接接触(即，接合至移动平台的金属触点，其压靠在联接至固定源的第三轨道、悬索线或旋转滑环上)而从固定源传递至移动平台。这类能量传递系统(需要移动的直接接触)经受磨损和有限的寿命。

而且，包括移动平台的其它类型系统可能不允许在移动平台与固定电源之间进行任何接触。在一个示例中，尽管磁悬浮列车不需要外部电力来推进，但用于舱室照明等的内部电气系统可能需要电源。然而，由磁悬浮列车实现的高速度可能会妨碍使用直接接触来将电力传递至正在移动的磁悬浮列车，并且任何类型的直接接触式能量传递系统也将因磨损而经受有限的寿命。

因此，需要一种克服上述问题的能量传递系统和方法。

发明内容

在第一方面，一种非接触式能量传递系统，其具有第一平台和第二平台。所述第一平台具有联接至电源的至少一个光源。所述第二平台与所述第一平台分离，并且在所述第二平台上安装有至少一个光伏模块。所述至少一个光伏模块联接至安装在所述第二平台上的能量储存系统，使得在所述至少一个光伏模块处接收的任何光被转换成存储在所述能量储存系统中的电能。所述第二平台被配置成，沿着预定路径以紧密接近所述第一平台的方式移动达预定间隔。所述至少一个光源被定位和配置成，在所述预定间隔期间在所述至少一个光伏模块处引导光。

所有第一平台可以是固定的或可移动的。所述第二平台还可以包括用于输出启用信号的第一信号发送器，并且所述第一平台可以包括接收器，该接收器被配置成，接收所述停用信号，并且启用所述至少一个光源以输出光。所述第二平台还可以包括用于输出停用信号的第二信号发送器，并且所述第一平台上的所述接收器可以被配置成，接收所述停用信号，并且停用所述至少一个光源以停止输出光。所述第一平台上的所述接收器可以被配置成，在预定时段之后停用所述至少一个光源以停止输出光。所述第一平台可以包括传感器，该传感器被配置成，检测所述第二平台何时紧密接近所述第一平台，并且在所述第二平台保持紧密接近所述第一平台时启用所述光源以输出光。所述至少一个光源中的每个光源都可以是高强度光源。所述至少一个光伏模块中的每个光伏模块都可以包括一个或更多个激光功率转换器。

在第二方面，一种非接触式能量传递系统，其具有第一平台和第二平台。所述第一平台具有联接至电源的至少一个光源。所述第二平台与所述第一平台分离。在所述第二平台上安装有至少一个光伏模块。所述至少一个光伏模块联接至安装在所述第二平台上的能量储存系统，使得在所述至少一个光伏模块处接收的任何光被转换成存储在所述能量储存系统中的电能。所述第二平台被配置成，环绕紧密接近所述第一平台的固定轴旋转。所述至少一个光源被定位和配置成，在所述第二平台旋转期间在所述至少一个光伏模块处引导光。

所述第二平台可以是具有与所述固定轴重合的轴的圆柱体。所述至少一个光伏模块可以位于圆柱形第二平台的外周上。所述至少一个光源可以定位在所述外围的外部，使得从所述至少一个光源输出的光在所述至少一个光伏模块处被引导。所述第二平台可以可选地具有垂直于旋转轴的表面，其中所述至少一个光伏模块定位在所述圆柱形第二平台的、垂直于所述旋转轴的表面上，并且所述至少一个光源被定位成使得从所述至少一个光源输出的光在所述至少一个光伏模块处被引导。所述至少一个光源中的每个光源都可以被配置成，在所述第二平台旋转期间输出光。另选的是，所述至少一个光源中的每个光源都可以被配置成，在所述第二平台旋转期间启用以输出光仅达预定间隔。所述至少一个光源中的每个光源都可以是高强度光源。所述至少一个光伏模块中的每个光伏模块都可以包括一个或更多个激光功率转换器。

在一个进一步的实施方式中，所述第一平台还可以包括：第一通信电路；第一光检测器，其联接至所述第一通信电路并且与所述第二平台的固定轴居中对准；固定透镜，其垂直于所述第二平台的固定轴并与之居中对准，所述固定透镜处于所述光探测器与所述第二平台之间。另外，所述第二平台还可以包括第二通信电路和联接至所述第二通信电路的第二光源，所述第二光源按相对于所述第二平台的固定轴的固定距离安装，所述第二光源被定位成通过所述固定透镜引导光。而且，所述固定透镜可以被配置成，将来自所述第二光源的光引向所述第一光检测器。更进一步，所述第二通信电路可以被配置成向所述第二光源提供数据流。最后，所述第一通信电路可以被配置成从所述第一光检测器接收所述数据流。

在另一进一步的实施方式中，所述第一平台还可以包括：第一通信电路，联接至所述第一通信电路并且按相对于所述第二平台的固定轴的一固定距离安装的第一光源，垂直于所述第二平台的固定轴并与之居中对准的固定透镜，所述固定透镜处于所述第一光源与所述第二平台之间，所述第一光源被定位成通过所述固定透镜引导光。另外，所述第二平台还可以包括第二通信电路和联接至所述第二通信电路的第二光检测器，所述第二光检测器与所述第二平台的固定轴居中对准。而且，所述固定透镜可以被配置成，将来自所述第一光源的光引向所述第二光检测器。更进一步，所述第一通信电路可以被配置成向所述第一光源提供数据流。最后，所述第二通信电路可以被配置成从所述第二光检测器接收所述数据流。

在第三方面，提供了一种从固定平台向移动平台进行非接触式能量传递的方法。所述移动平台被配置成，按紧密接近所述固定平台方式在预定路径上移动。随着移动平台以紧密接近所述固定平台的方式沿着所述预定路径移动，启用安装在固定平台上的一个或更多个光源，以输出光。随着所述移动平台以紧密接近所述固定平台的方式沿着所述预定路径移动，在安装在所述移动平台上的一个或更多个光伏模块处接收从所述固定平台上的所述一个或更多个光源输出的光。随着所述移动平台以紧密接近所述固定平台的方式沿着所述预定路径移动，在安装在所述移动平台上的所述一个或更多个光伏模块处将所接收的光转换成电能。所述电能被存储在所述移动平台上的能量储存系统中。

已经讨论的特征、功能以及优点可以在不同实施方式中独立实现，或者可以在其它实施方式中组合，其进一步细节可以参照下列描述和附图而了解。

附图说明

下列详细描述通过实施例给出，并且不旨在将本公开单独限制成到下述详细描述，将结合附图最佳地理解下列详细描述，其中：

图1是本公开的、用于将能量传递至线性移动平台的非接触式能量传递系统的实施方式的第一例示图；

图2是本公开的、用于将能量传递至线性移动平台的非接触式能量传递系统的实施方式的第二例示图；

图3是本公开的、用于将能量传递至旋转移动平台的非接触式能量传递系统的实施方式的第一例示图；

图4是本公开的、用于将能量传递至旋转移动平台的非接触式能量传递系统的实施方式的第二例示图；

图5是本公开的、用于将能量传递至旋转移动平台的非接触式能量传递系统的另选实施方式的例示图；以及

图6是本公开的、用于与旋转移动平台通信的非接触式通信系统的实施方式的例示图。

具体实施方式

在本公开中，贯穿所有图，相同标号指代相同部件，其例示了本公开的多各种示例性实施方式。

本公开致力于提供一种非接触式能量传递系统和方法，即，其使用刚性安装在固定平台上的高强度光学光源将能量传递至移动平台。该光源随着移动平台越过固定平台而被启用。安装在移动平台上的光伏模块接收来自该光源的光，并将该光转换成电力。这种转换以光速完成，所以移动平台的速度对从固定平台到移动平台的功率传递没有影响。本公开的系统和方法适用于移动平台沿线性方向移动的系统，其中，一系列固定平台可以沿移动平台的线性路径以规则间隔安装。本公开的系统和方法也适用于其中移动平台环绕固定轴沿圆形方向旋转的系统，其中光源例如沿着移动平台的外周定位。

下面，参照图1，按截面图示出了位于联接至固定平台115的悬浮机构110上的、沿线性方向移动的移动平台100。移动平台100例如可以对应于与定位在地面上或与地面接触的固定平台115没有任何接触的磁悬浮列车。在图1中，示出了与没有地面接触的磁悬浮(或类似)类型列车一起使用的非接触式能量传递系统。然而，重点注意的是，本公开的非接触式能量传递系统也适用于包括与地面有一定量接触的移动平台，例如包括在固定轨道上移动的电动列车和电动车辆。在图1所示的系统中，多个光源120与用于移动平台100的路径下方的固定平台115相邻定位。光源120可以优选为高效光源，如激光、LED、闪光灯以及弧光灯。每个光源120都被定位成，将光向上引向如下地点，在该地点处，安装在移动平台100上的光伏模块130(或一系列光伏模块130)将随着移动平台100在这些光源120上移动而定位。光伏模块130优选为高效型装置，如激光功率转换器(包括来自Spectrolab Inc.的激光功率转换器产品)、多结太阳能电池以及硅基太阳能电池。每个光伏模块130电联接至移动平台100上的能量储存系统140(例如，电池或大容量电容器(以及关联电子电路))，以存储通过接收来自光源120的光而产生的能量。存储在能量储存系统140中的能量被用于经由针对图1中未示出的能量储存系统的连接部来为移动平台100内的系统供电。尽管在图1中示出了单个光伏模块130，但光伏模块130可以包括串联和/或并联连接的多个分离光伏模块，以便生成从光伏模块130输出的希望电压和电流。

下面，参照图2，示出了固定平台115和移动平台100的侧视图。示出了安装在移动平台100的路径下方的一系列光源120。该光源120经由连接部220从中央电源210接收电力。在图2中，中央电源210被示出为太阳能面板收集系统(例如，可以包括一个或更多个太阳能电池板模块以及一个或多个关联蓄电池和电子系统的系统)。然而，在其它实施方式中，中央电源210可以直接连接至电网以接收电力。移动平台100可以包括一系列一个或更多个光伏模块130，其被示出各联接至图2中的分离能量储存装置140。如本领域普通技术人员容易认识到，光伏模块130可以如本领域已知地以其它方式联接至能量储存装置140。光源120被配置成，随着移动平台100在光源120上移动而被启用并发射高强度光。在一个实施方式中，这通过在移动平台100的前端包括第一信号发射器230(其发送指令光源120启用的信号(接通以发射光))和在移动平台110的后端包括第二信号发射器240(其发送指令光源停用的信号(断开以停止发射光))来实现。一个或更多个关联接收器(图2中未示出)被集成到每个光源120中或者被联接至每个光源120。关联接收器从第一和第二信号发射器230、240接收信号并且控制光源120的启用和停用。在一个另选实施方式中，第二信号发送器240可以被省略，并且关联光接收器可以被配置成，在从信号发送器230接收到启用信号后时，启用每个光源120达预定时间间隔。在另一另选实施方式中，可以提供传感器，其联接至每个光源120，以检测移动平台100紧密接近固定平台115(例如，移动通过固定平台115)并且启用关联光源(或多个光源)120，同时移动平台100保持紧密接近移动平台100。这允许光源120仅在需要时(即，当移动平台100在光源120上方时)启用，而不需要安装在移动平台100上的信号发送器。在又一另选实施方式中，例如可以通过使用联接至每个光源120的开关，而人工启用光源120。

通过使用仅随着移动平台100移动通过固定平台115并处于这些光源120上方才被启用的光源120，可以在将电力传递至移动平台100时获得高度的能量转换效率，而在移动平台100与固定平台115处的电源之间不需要任何物理接触。每个光源120的启用持续时间可以被缩放(scaled)，以匹配移动平台100在加速、全速行驶以及减速时的速度，从而帮助提高转换效率。

参照图1和2所示的非接触式能量传递系统和方法致力于将能量传递至以大致线性方式移动的移动平台100(例如，磁悬浮列车)。适于非接触式能量传递的其它类型系统本质上是旋转式的，并且具有某类低摩擦缓冲或悬浮机构(例如，磁性的)，其不需要固定平台与旋转平台之间的物理接触，或者其可以包括有限的物理接触，诸如联接至驱动马达的旋转轴。

下面，参照图3和4，示出了应用于旋转系统的非接触能量传递系统和方法的一实施方式。图3是立体正视图，而图4是这种系统的俯视图。具体来说，旋转平台300以紧密接近固定平台310的方式环绕轴340旋转。在一些实施方式中，旋转平台300可以沿着轴340联接至固定轴，该固定轴联接至驱动马达以使旋转平台300绕转(spin)。这需要旋转平台300与固定平台310之间的某种接触，但是随着旋转平台300的旋转，这种接触处于在恒定运动中。在其它实施方式中，旋转平台300可以联接至磁悬浮系统等，其使旋转平台30绕转而在旋转平台300与固定平台310之间没有任何接触。对于图3和4所示的系统，多个光伏模块330环绕形成旋转平台300的圆柱体的外周定位，其中每个光伏模块330都联接至旋转平台300内的能量储存系统，图3中未示出。如同图1所示的实施方式，该能量储存系统例如可以是蓄电池或大容量电容器(和关联电子电路)，其被配置成存储通过在每个光伏模块330处接收光而生成的能量。根据该特定应用，可能存在联接至所有光伏模块330的单个能量储存系统，可能存在联接至一组光伏模块330的多个能量储存系统，或者可能存在用于每个光伏模块330的分离能量储存系统。另外，多个光源320在固定平台310上的固定位置中环绕旋转平台300的外围定位，每个光源320被定位成将光导向旋转平台300上的光伏模块330。在图3中仅示出了两个光源320，以帮助显示系统的其它部分，但如图4所示，光源320可以优选地环绕旋转平台300的外周按环形定位。如本领域普通技术人员容易认识到，光源320的数量和光伏模块330的数量基于希望的能量传递量来确定，对于低水平的能量传递需要更少的数量，而对于更高水平的传递需要更多的数量。本领域普通技术人员还将认识到，其它因素也影响能量传递的量，包括每个光源320的照明输出和每个光伏模块330的效率。每个光源320经由导体350联接至电源(未示出)。如同图1所示实施方式，该电源例如可能是联接至太阳能电池板模块阵列的能量储存系统或直接连接至电网。在这种情况下，光源320可以连续操作，以向旋转平台300提供恒定的功率源，或者在该另选例中和根据本申请，可以按预定间隔接通和断开，以确保在旋转平台300的能量储存系统内保持某一最小量的能量。按这种方式，可以无需任何直接接触来将电力从固定平台310传递至旋转平台300。因此，该系统不经受因现有能量传递系统中为传递能量所需的固定表面与移动表面之间的接触而造成的磨损和必然的有限寿命。

下面，参照图5，示出了应用于旋转系统的非接触能量传递系统和方法的另选实施方式。在这个实施方式中，旋转平台500以接近固定平台510的方式环绕轴540旋转。未示出用于移动旋转平台500的机构。在这个实施方式中，光伏模块530优选地放置在旋转平台500的上表面和下表面上，而不是如图3和4所示实施方式那样环绕外周放置。在其它另选实施方式中，光伏模块530可以仅放置在旋转平台500的上表面上，或者仅放置在旋转平台500的下表面上。光伏模块530按与图3和4的实施方式相同的方式联接至旋转平台500内的能量储存系统。另外，光源520可以定位在旋转平台500的上方和下方，以将光直接引向每个光伏模块530。在其它另选实施方式中，当光伏模块530仅被定位在旋转平台500的上表面上时，光源520可以仅被定位在旋转平台500上方；或者当光伏模块530仅被定位在旋转平台500的下表面上时，光源520可以仅被定位在旋转平台500下方。根据本申请，光源520可始终被启用以向联接至每个光伏模块530的能量储存系统提供恒定能量源，或者可以以预定间隔接通和断开，以确保联接至每个光伏模块530的能量储存系统在能量储存系统中保持一定量的能量。

下面，参照图6，在某些情况下，希望在旋转平台600与固定平台610之间传送数据。旋转平台600可以包括联接至旋转光源615和旋转光探测器640的第二通信电路670。光源615偏离旋转平台600的中心轴540，而光检测器640与中心轴540重合地对准。固定平台610还可以包括联接至固定光源650和固定光探测器630的第一通信电路660。光源650也偏离旋转平台600的中心轴540，而光检测器630与中心轴540重合地对准。固定透镜620位于旋转平台600与固定光源650和固定光探测器630之间。固定透镜620以固定焦距居中处于旋转平台600的旋转轴540处。固定透镜620被配置成，随着旋转平台600旋转而接收来自光源615的光并将该光引向固定光检测器630，如光束680所示。固定透镜620还被配置成，接收来自光源650的光，并将该光引向旋转光检测器640，如光束690所示。

在操作中，可以在第二通信电路670处从未示出的源接收要从旋转平台600传送至固定平台610的采用数据流形式的信息。第二通信电路670可以格式化这种数据以供发送，并接着将这种格式化信息按数据流形式转发至旋转光源615，以供从电信号转换成光信号。光检测器630接收该光信号，并将其转换成被转发至第一通信电路660的电信号，以供处理并且发送至图6中未示出的电路。类似地，可以在第一通信电路660处从未示出的源接收要从固定平台610传送至旋转平台600的采用数据流形式的信息。第一通信电路660可以格式化这种数据以供发送，并接着将这种格式化信息按数据流形式转发至光源650，以供从电信号转换成光信号。光检测器640安装在旋转平台600上并因此随着旋转平台600环绕中心轴540旋转而旋转。然而，光检测器640沿着旋转平台600的中心轴540对准，并因此随着旋转平台600的旋转而相对于光源650和固定透镜620保持固定位置。光检测器640接收来自光源650的光信号，并将其转换成被转发至第二通信电路670的电信号，以供处理并且发送至图6中未示出的电路。固定透镜620的使用允许来自移动的旋转光源(即，光源615)的光被引向固定光接收器(即，光检测器630)，以允许从旋转平台600向固定平台610发送信息，同时也允许信息从固定平台610发送至旋转平台600(经由光源650和光检测器640)。

图1和2所示实施方式具有经由光接收来接收能量的移动平台100，和采用光形式将能量输出至到移动平台100的固定平台115。在某些应用中，可能希望使提供输出光信号的固定平台是便携的(并因此也是可移动的)。在该另选实施方式中，移动平台100变成第一移动平台，而固定平台115变成第二移动平台。第二移动平台可以包括由联接至太阳能电池板的蓄电池组成的内部电源，或者可以包括可以按与电动车辆相同的方式充电的蓄电池，或者可以包括可以由气体或其它类型的燃料发电机充电的蓄电池。在这种情况下，安装在第二移动平台上的光源优选地被配置成，随着第二移动平台沿靠第一移动平台移动而被启用。

第二光检测器联接至第二通信电路，该第二光检测器与第二平台的固定轴居中对准；其中，固定透镜被配置成，将来自第一光源的光引向第二光检测器；其中，第一通信电路被配置成，向第一光源提供数据流；并且其中，第二通信电路被配置成，从第二光检测器接收该数据流。

尽管本公开已经参照其优选实施方式和各个方面进行了具体示出和描述，但本领域普通技术人员应当清楚，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改。所附权利要求书旨在被解释为包括在此描述的实施方式、上面提到的另选例、及其所有等同物。

Claims (11)

1.一种非接触式能量传递系统，该非接触式能量传递系统包括：

第一平台(115、310、510、610)，该第一平台(115、310、510、610)具有联接(220、350)至电源(210)的至少一个光源(120、320、520、615、650)；

第二平台(100、300、500、600)，该第二平台(100、300、500、600)与所述第一平台分离，在所述第二平台(100、300、500、600)上安装有至少一个光伏模块(130、330、530)，所述至少一个光伏模块联接至安装在所述第二平台上的能量储存系统(140)，使得在所述至少一个光伏模块处接收的任何光(680、690)被转换成存储在所述能量储存系统中的电能，所述第二平台被配置成，沿着预定路径以紧密接近所述第一平台的方式移动达预定间隔；并且

其中，所述至少一个光源被定位和配置成，在所述预定间隔期间在所述至少一个光伏模块处引导光。

2.根据权利要求1所述的非接触式能量传递系统，其中，所述第一平台是固定的。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的非接触式能量传递系统，其中，所述第一平台是可移动的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的非接触式能量传递系统，其中，所述第二平台还包括用于输出启用信号的第一信号发送器(230)，并且其中，所述第一平台包括接收器，该接收器被配置成接收所述启用信号，并且启用所述至少一个光源以输出光。

5.根据权利要求4所述的非接触式能量传递系统，其中，所述第二平台还包括用于输出停用信号的第二信号发送器(240)。

6.根据权利要求5所述的非接触式能量传递系统，其中，所述第一平台上的所述接收器被配置成，接收所述停用信号并停用所述至少一个光源，以停止输出光。

7.根据权利要求4至5中任一项所述的非接触式能量传递系统，其中，所述第一平台上的所述接收器被配置成，在预定时段之后停用所述至少一个光源，以停止输出光。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的非接触式能量传递系统，其中，所述第一平台包括传感器，该传感器被配置成，检测所述第二平台何时紧密接近所述第一平台，并且在所述第二平台保持紧密接近所述第一平台时启用所述光源以输出光。

9.根据权利要求1至4或8中任一项所述的非接触式能量传递系统，其中，所述至少一个光源中的每个光源都是高强度光源。

10.根据权利要求1至4或8-9中任一项所述的非接触式能量传递系统，其中，所述至少一个光伏模块中的每个光伏模块都包括一个或更多个激光功率转换器。

11.一种从固定平台(115、310、510、610)向移动平台(100、300、500、600)进行非接触式能量传递的方法，所述移动平台被配置成，以紧密接近所述固定平台的方式在预定路径上移动，所述方法包括以下步骤：

随着移动平台以紧密接近所述固定平台的方式沿着所述预定路径移动，启用安装在固定平台上的一个或更多个光源(120、320、520、615、650)，以输出光；

随着所述移动平台以紧密接近所述固定平台的方式沿着所述预定路径移动，在安装在所述移动平台上的一个或更多个光伏模块(130、330、530)处接收从所述固定平台上的所述一个或更多个光源输出的光；

随着所述移动平台以紧密接近所述固定平台的方式沿着所述预定路径移动，在安装在所述移动平台上的所述一个或更多个光伏模块处将所接收的光转换成电能；以及

将所述电能存储在所述移动平台上的能量储存系统中。