CN109450106B - 一种基于悬浮式无线充电的清洁能源平台 - Google Patents

一种基于悬浮式无线充电的清洁能源平台 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于悬浮式无线充电的清洁能源平台，将清洁能源储能供电模块、悬浮无线充电模块和无线通信模块搭载在清洁能源平台之上，从而实现模块之间的信息传递和能源供给，通过无线通信发射端和无线通信接收端完成小型无人机的飞行信息控制，从而实现对悬浮无线充电的时间和空间上的准确控制，同时在小型无人机之上放置无线电能接收装置，实现为小型无人机进行无线充电的效果。本发明实现无线通信模块、悬浮无线充电模块和清洁能源储能供电模块的互联，得到利用无线通信的反馈机制，利用清洁能源储能能源进行在清洁能源平台之上的悬浮无线充电，最终保障了无人机通信过程的高效能源供给，有效提高了清洁能源发电利用率。

Description

一种基于悬浮式无线充电的清洁能源平台
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别是一种无线充电的能源平台。
背景技术
文献“基于MSP430的无线充电系统设计，电子设计工程，2015，23(15):69-71”公开了一种基于MSP430的无线充电系统。该系统采用CN3068芯片，设计了电流充电的监控电路，使用MSP430G2553超低功耗单片机作为无线充电系统的检测控制核心，电能充满后给出充满提示且自动停止充电。
文献所述系统只具备于单一的充电模式，不能直接在不同设备以及不同环境背景下实现无线充电功能，缺少对充电应用范围的拓展功能和可移植性；该系统缺少与外部设备的互联，使无线充电发射端提供的电能仍依靠市电电力系统，缺少对新能源开发与利用的方法；此外，该系统在无线充电时需占用一定面积的电能传输平台，且缺少对垂直高度上的空间利用率的使用，从而降低了无线充电整体的空间利用率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，提高无线充电对清洁能源利用率，本发明提供一种基于悬浮式无线充电的清洁能源平台。该平台采用全球定位、远程通信、无线充电和清洁能源发电技术，设计出结合空中通信运输作业的清洁能源平台，充分利用清洁能源作为无线充电能源供应并提高清洁能源平台发电空间的利用率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于悬浮式无线充电的清洁能源平台，包括无线通信模块、悬浮无线充电模块、清洁能源储能供电模块和清洁能源平台。
所述的清洁能源平台作为清洁能源储能供电模块、悬浮无线充电模块和无线通信模块的平台载体，将清洁能源储能供电模块、悬浮无线充电模块和无线通信模块搭载在清洁能源平台之上，从而实现模块之间的信息传递和能源供给。
所述的无线通信模块包括小型无人机、无线通信发射端和无线通信接收端，无线通信发射端装载在小型无人机之上，作为源信号的采集与发送端；无线通信接收端装载在清洁能源平台之上，作为源信号的接收和处理端；通过无线通信发射端和无线通信接收端完成小型无人机的飞行信息控制，从而实现对悬浮无线充电的时间和空间上的准确控制，同时在小型无人机之上放置无线电能接收装置，实现为小型无人机进行无线充电的效果。
所述的悬浮无线充电模块包括控制面板、磁感线圈以及磁性悬浮平台，控制面板用于提供可变的电流信号，从而使磁感线圈产生可变的感应磁场，进而使得磁性悬浮平台在受到平台载重的情况下依然保持水平悬浮的状态。
所述控制面板上有霍尔传感器传递磁性悬浮平台在垂直方向上产生的距离变化，霍尔传感器依据距离变化输出变化的电压信号，所述变化的电压信号在磁感线圈中形成变化的电流信号；磁性悬浮平台上放置无线电能发送装置，用于将磁性悬浮平台提供的电能进行空间上的无线传输，从而使无线电能接收装置获取相应的电能。
所述的清洁能源储能供电模块包括风能发电装置组、太阳能发电装置组、电能储能装置和电能输出装置，风能发电装置组和太阳能发电装置组用于在海面和陆地进行清洁能源的发电作业，将产生的电能存储到电能储能装置当中，电能输出装置将电能储能装置中存储的电能传输给需要进行电能消耗的装置当中，即为无线通信模块和悬浮无线充电模块供电。
本发明的工作流程如下：
无线通信接收端对获取的无线通信发射端信号进行接收，发送控制启动信号START传递给清洁能源平台的悬浮无线充电模块。
悬浮无线充电模块中的控制面板响应启动信号START，监测霍尔传感器与磁性悬浮平台的距离参数d，将距离参数d传输到控制面板中的反馈网络，反馈网络将距离参数d转化为电流变化量ΔI，将电流变化量ΔI叠加到当前的电流信号I上，若ΔI为正，则增大电流信号I，反之则减小电流信号I，改变后的电流大小为I'，电流I'在磁感线圈中产生相应的磁场，进而使不同的磁感线圈在空间产生方向向上的合感应磁场φ。
当磁性悬浮平台稳定悬浮时，控制面板接收到的距离参数d保持不变，反馈网络输出的电流变化量ΔI为零，电流I'大小保持不变，进而使清洁能源平台上的控制面板发送电源信号Power指令，开启磁性悬浮平台上的电源开关，使电流I'通过磁性悬浮平台将电能发送到空间中，实现无线充电的功能。
当小型无人机上的无线电能接收装置监测到小型无人机的电能已满后，通过小型无人机的无线通信发射端传递信号STOP，清洁能源平台在接收到该信号后，关闭清洁能源储能供电模块的电源供应，使控制面板停止输出信号电流，进而停止磁性悬浮平台的悬浮状态和电能供应，从而完成一个周期的悬浮无线充电任务。
所述的清洁能源平台为1个正n边形的平台，在正n边形平台的上表面的每一个边放置一个太阳能发电装置，清洁能源平台中央设有一个立柱，立柱的上表面设有磁性悬浮平台，在立柱的侧面设有风能发电装置组。
本发明的有益效果是通过清洁能源平台为载体，实现无线通信模块、悬浮无线充电模块和清洁能源储能供电模块的互联，得到利用无线通信的反馈机制，利用清洁能源储能能源进行在清洁能源平台之上的悬浮无线充电，最终保障了无人机通信过程的高效能源供给，有效提高了清洁能源发电利用率。
附图说明
图1为本发明一种基于悬浮式无线充电的清洁能源平台的结构示意图。
图2为本发明无线通信模块的结构示意图。
图3为本发明悬浮无线充电模块的结构示意图。
图4为本发明磁感线圈与磁性悬浮平台的结构立体图，其中，1-是霍尔传感器，2-是磁感线圈，3-是电源口。
图5为本发明清洁能源储能供电模块的结构示意图。
图6为本发明清洁能源平台的结构立体图，其中，4-是磁性悬浮平台，5-是风能发电装置组，6-是太阳能发电装置组。
图7为本发明清洁能源平台指令流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种基于悬浮式无线充电的清洁能源平台，包括无线通信模块、悬浮无线充电模块、清洁能源储能供电模块和清洁能源平台。
所述的清洁能源平台作为清洁能源储能供电模块、悬浮无线充电模块和无线通信模块的平台载体，将清洁能源储能供电模块、悬浮无线充电模块和无线通信模块搭载在清洁能源平台之上，从而实现模块之间的信息传递和能源供给。
所述的无线通信模块包括小型无人机、无线通信发射端和无线通信接收端，无线通信发射端装载在小型无人机之上，作为源信号的采集与发送端；无线通信接收端装载在清洁能源平台之上，作为源信号的接收和处理端；通过无线通信发射端和无线通信接收端完成小型无人机的飞行信息控制，从而实现对悬浮无线充电的时间和空间上的准确控制，同时在小型无人机之上放置无线电能接收装置，实现为小型无人机进行无线充电的效果。
所述的悬浮无线充电模块包括控制面板、磁感线圈以及磁性悬浮平台，控制面板用于提供可变的电流信号，从而使磁感线圈产生可变的感应磁场，进而使得磁性悬浮平台在受到平台载重的情况下依然保持水平悬浮的状态。
所述控制面板上有霍尔传感器传递磁性悬浮平台在垂直方向上产生的距离变化，霍尔传感器依据距离变化输出变化的电压信号，所述变化的电压信号在磁感线圈中形成变化的电流信号；磁性悬浮平台上放置无线电能发送装置，用于将磁性悬浮平台提供的电能进行空间上的无线传输，从而使无线电能接收装置获取相应的电能。
所述的清洁能源储能供电模块包括风能发电装置组、太阳能发电装置组、电能储能装置和电能输出装置，风能发电装置组和太阳能发电装置组用于在海面和陆地进行清洁能源的发电作业，将产生的电能存储到电能储能装置当中，电能输出装置将电能储能装置中存储的电能传输给需要进行电能消耗的装置当中，即为无线通信模块和悬浮无线充电模块供电。
本发明的工作流程如下：
无线通信接收端对获取的无线通信发射端信号进行接收，发送控制启动信号START传递给清洁能源平台的悬浮无线充电模块。
悬浮无线充电模块中的控制面板响应启动信号START，监测霍尔传感器与磁性悬浮平台的距离参数d，将距离参数d传输到控制面板中的反馈网络，反馈网络将距离参数d转化为电流变化量ΔI，将电流变化量ΔI叠加到当前的电流信号I上，若ΔI为正，则增大电流信号I，反之则减小电流信号I，改变后的电流大小为I'，电流I'在磁感线圈中产生相应的磁场，进而使不同的磁感线圈在空间产生方向向上的合感应磁场φ。
当磁性悬浮平台稳定悬浮时，控制面板接收到的距离参数d保持不变，反馈网络输出的电流变化量ΔI为零，电流I'大小保持不变，进而使清洁能源平台上的控制面板发送电源信号Power指令，开启磁性悬浮平台上的电源开关，使电流I'通过磁性悬浮平台将电能发送到空间中，实现无线充电的功能。
当小型无人机上的无线电能接收装置监测到小型无人机的电能已满后，通过小型无人机的无线通信发射端传递信号STOP，清洁能源平台在接收到该信号后，关闭清洁能源储能供电模块的电源供应，使控制面板停止输出信号电流，进而停止磁性悬浮平台的悬浮状态和电能供应，从而完成一个周期的悬浮无线充电任务。
所述的清洁能源平台为1个正n边形的平台，在正n边形平台的上表面的每一个边放置一个太阳能发电装置，清洁能源平台中央设有一个立柱，立柱的上表面设有磁性悬浮平台，在立柱的侧面设有风能发电装置组。
参照图1所示为一种基于悬浮式无线充电的清洁能源平台的组成示意图，利用图2的无线通信模块作为无人机与海陆平台的通信机制，将无人机的飞行降落与起飞信号与图3所示的悬浮无线充电模块中的控制面板进行信号传递；利用图3的悬浮无线充电模块实现对磁性悬浮平台的悬浮操作，同时利用无线电能发送装置将悬浮平台上的电能通过无线传输的方式进行发送，将发送出的电能通过图2的无线电能接收装置进行接收，从而实现为小型无人机进行无线供电的目的；利用图4的清洁能源储能供电模块对海面和陆地的太阳能和风能进行收集，将采集到的电能存储到相应的电能储能装置当中，再将电能储能装置当中的电能二次分配给无线通信模块和悬浮无线充电模块中，利用所述模块共同完成在清洁能源平台之上的悬浮式无线充电。
参照图2，无线通信模块利用搭载在小型无人机之上的无线通信发射端进行飞行过程中的数据参数传递，其中主要参数包括小型无人机的飞行地点和飞行速率参数，通过飞行地点参数和飞行速率参数共同得到小型无人机的飞行时间节点，利用这些参数共同控制小型无人机的飞行过程；无线通信模块利用无线电能接收装置对通过空间传递的能量信号进行接收，从而实现对小型无人机充供电的效果。
参照图3与图4，控制面板是悬浮无线充电模块的核心控制器件，当悬浮无线充电模块通过电源口得到供电后，控制面板通过集成霍尔传感器对磁性悬浮平台与集成霍尔传感器之间的距离参数进行测量，将距离参数作为反馈量反馈给控制面板中的反馈网络，通过反馈网络输出调节信号控制输出的电流信号，进而利用电流信号控制磁感线圈产生相应的感应磁场。
悬浮无线充电模块中的磁感线圈放置在控制平台的四个顶角上，利用该参数可知四个磁感线圈的合感应磁场均向指向平台垂直方向，由电路的基尔霍夫定律、毕奥-萨伐尔定律和能量守恒定律可知，电磁产生的作用力
Figure BDA0001874014100000061
式中，μ0表示空气磁导率，4π×10-7H/m，A是铁芯的极面积，单位m2，N是外层线圈绕组匝数，z是悬浮平台到磁极表面的瞬时间隙，单位m，i是磁感线圈中的瞬时电流大小，单位A。
电磁力F提供可以支撑一定重量悬浮物的作用力，当磁性悬浮平台放置在合感应磁场之上，使合感应磁场方向穿过磁性悬浮平台的正中央时，磁性悬浮平台在水平面上处于受力稳定的状态
Figure BDA0001874014100000062
式中，mg是磁性悬浮平台整体所受重力，F(i0,z0)是模值大小等于mg的瞬时电磁力大小，z0是满足F(i0,z0)的某一时刻悬浮平台到磁极表面的间隙，单位m，i0是满足F(i0,z0)的某一时刻磁感线圈中的瞬时电流大小，单位A，当模块整体平衡时，实现了悬浮无线充电模块的悬浮功能。
由上述技术方案可以看出，当悬浮无线充电模块处于平衡稳定状态时，控制面板控制磁感线圈产生恒定感应磁产，恒定感应磁产的向上合感应磁场与向下磁性悬浮平台的力相等，进而使距离参数保持不变，反馈量为零，无反馈量进入到反馈网络当中，从而使整个悬浮无线充电模块保持悬浮稳定状态。
参照图5，清洁能源储能供电模块是电能收集与供应的核心结构，风能发电装置组包括有m个风能发电装置，一个风能发电装置对应一个电能储存单元，太阳能发电装置组包括有n个太阳能发电装置，一个太阳能发电装置对应一个电能储存单元，
所述电能储能装置，用于将所述所述电能储存单元中的能量进行汇总，完成能量的整体收集，利用电能输出装置对获取的电能分配到所述的无线通信模块和悬浮无线充电模块中。
如图6所示，所述的清洁能源平台为1个正六边形的平台，在正六边形平台的上表面的每一个边的边缘位置放置一个太阳能发电装置，清洁能源平台中央设有一个立柱，立柱的上表面设有磁性悬浮平台，在立柱的侧面设有风能发电装置组。清洁能源平台是将所述的无线通信模块、悬浮无线充电模块、清洁能源储能供电模块进行集成的大型平台，在该平台上，由无线通信模块作为信息源的开端，当集成在清洁能源平台之上的无线通信接收端获取到小型无人机通过无线通信发射端所传递的信息参数时，无线通信接收端将飞行参数传递给悬浮无线充电模块的控制面板中，进而使控制面板进入到工作状态当中。
此时控制面板通过不断监测霍尔传感器所产生的电信号的变化来产生相应的反馈量，将这些反馈量输入到反馈网络当中，从而在控制面板输出端得到相应的电流信号；利用变化的电流信号和反馈网络来改变磁感应线圈所产生的感应磁场，感应磁场在空间中形成向上的合感应磁场，用于支撑磁性悬浮平台；通过反馈信号的调节，使得磁性悬浮平台最终保持稳定。
稳定的磁性悬浮平台将平台上的电能通过无线电能发送装置进行空间上的传输，在小型无人机上的无线电能接收装置接收无线电能信号，进而实现悬浮无线充电的功能。
清洁能源储能供电模块利用风能发电装置组和太阳能发电装置组进行实时风能和太阳能的发电与储能作业，并利用电能输出装置为整个清洁能源平台进行供电。
通过所述模块之间以及模块内部的信息调用和能量传递，从而有效地实现一种基于在清洁能源发电平台上的悬浮无线充电。
参照图7，清洁能源平台指令流程图如下：
无线通信接收端对获取的无线通信发射端信号进行解析，发送控制启动信号START传递给清洁能源平台的悬浮无线充电模块。
悬浮无线充电模块中的控制面板响应启动信号START，开始监测霍尔传感器与磁性悬浮平台的距离参数d。将距离参数d传输到控制面板中的反馈网络，反馈网络将该参数转化为电流变化量ΔI，利用ΔI对当前的电流信号I大小进行改变，改变后的电流大小为I'，用电流I'控制磁感线圈在空间产生方向向上的合感应磁场φ。
通过逐渐稳定的距离参数d使控制面板接收到的反馈量趋于零，进而清洁能源平台上的控制面板发送电源信号Power指令，开启磁性悬浮平台上的电源开关，使电流I'通过磁性悬浮平台将电能发送到空间中，实现无线充电的功能。
当小型无人机上的无线电能接收装置监测到小型无人机的电能已满后，通过小型无人机的无线通信发射端传递信号STOP，清洁能源平台在接收到该信号后，关闭清洁能源储能供电模块的电源供应，使控制面板停止输出信号电流，进而停止磁性悬浮平台的悬浮状态和电能供应，从而完成一个周期的悬浮无线充电任务。

Claims (2)

1.一种基于悬浮式无线充电的清洁能源平台，其特征在于：
所述的一种基于悬浮式无线充电的清洁能源平台，包括无线通信模块、悬浮无线充电模块、清洁能源储能供电模块；
所述的清洁能源平台作为清洁能源储能供电模块、悬浮无线充电模块和无线通信模块的平台载体，将清洁能源储能供电模块、悬浮无线充电模块和无线通信模块搭载在清洁能源平台之上，从而实现模块之间的信息传递和能源供给；
所述的无线通信模块包括小型无人机、无线通信发射端和无线通信接收端，无线通信发射端装载在小型无人机之上，作为源信号的采集与发送端；无线通信接收端装载在清洁能源平台之上，作为源信号的接收和处理端；通过无线通信发射端和无线通信接收端完成小型无人机的飞行信息控制，从而实现对悬浮无线充电的时间和空间上的准确控制，同时在小型无人机之上放置无线电能接收装置，实现为小型无人机进行无线充电的效果；
所述的悬浮无线充电模块包括控制面板、磁感线圈以及磁性悬浮平台，控制面板用于提供可变的电流信号，从而使磁感线圈产生可变的感应磁场，进而使得磁性悬浮平台在受到平台载重的情况下依然保持水平悬浮的状态；
所述控制面板上有霍尔传感器传递磁性悬浮平台在垂直方向上产生的距离变化，霍尔传感器依据距离变化输出变化的电压信号，所述变化的电压信号在磁感线圈中形成变化的电流信号；磁性悬浮平台上放置无线电能发送装置，用于将磁性悬浮平台提供的电能进行空间上的无线传输，从而使无线电能接收装置获取相应的电能；
所述的清洁能源储能供电模块包括风能发电装置组、太阳能发电装置组、电能储能装置和电能输出装置，风能发电装置组和太阳能发电装置组用于在海面和陆地进行清洁能源的发电作业，将产生的电能存储到电能储能装置当中，电能输出装置将电能储能装置中存储的电能传输给需要进行电能消耗的装置当中，即为无线通信模块和悬浮无线充电模块供电；
所述的一种基于悬浮式无线充电的清洁能源平台的工作流程如下：
无线通信接收端对获取的无线通信发射端信号进行接收，发送控制启动信号START传递给清洁能源平台的悬浮无线充电模块；
悬浮无线充电模块中的控制面板响应启动信号START，监测霍尔传感器与磁性悬浮平台的距离参数d，将距离参数d传输到控制面板中的反馈网络，反馈网络将距离参数d转化为电流变化量ΔI，将电流变化量ΔI叠加到当前的电流信号I上，若ΔI为正，则增大电流信号I，反之则减小电流信号I，改变后的电流大小为I'，电流I'在磁感线圈中产生相应的磁场，进而使不同的磁感线圈在空间产生方向向上的合感应磁场φ；
当磁性悬浮平台稳定悬浮时，控制面板接收到的距离参数d保持不变，反馈网络输出的电流变化量ΔI为零，电流I'大小保持不变，进而使清洁能源平台上的控制面板发送电源信号Power指令，开启磁性悬浮平台上的电源开关，使电流I'通过磁性悬浮平台将电能发送到空间中，实现无线充电的功能；
当小型无人机上的无线电能接收装置监测到小型无人机的电能已满后，通过小型无人机的无线通信发射端传递信号STOP，清洁能源平台在接收到该信号STOP后，关闭清洁能源储能供电模块的电源供应，使控制面板停止输出信号电流，进而停止磁性悬浮平台的悬浮状态和电能供应，从而完成一个周期的悬浮无线充电任务。
2.根据权利要求1所述的一种基于悬浮式无线充电的清洁能源平台，其特征在于：
所述的清洁能源平台为1个正n边形的平台，在正n边形平台的上表面的每一个边放置一个太阳能发电装置，清洁能源平台中央设有一个立柱，立柱的上表面设有磁性悬浮平台，在立柱的侧面设有风能发电装置组。
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