CN109742867A - 一种基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统，利用吸收高压导线附近的高频电磁波，将其转换为电能进行存储在蓄电池内，并为输电杆塔上安装的监测装置提供稳定低压直流电能。110kV及以上电压等级输电线路正常运行时会由于电晕放电向周围空间发出MHz‑GHz级别的高频电磁波，本发明通过在杆塔导线附近安装小型化平板天线吸收上述电磁波，并通过高效整流电路将其转化为低压直流电流为DC12V蓄电池充电，该蓄电池可以为输电杆塔上安装的视频、微气象等在线监测装置提供电能供应。

Description

一种基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统

技术领域

本发明涉及无线能量传输技术领域，尤其涉及一种基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统。

背景技术

高压输电线路采用A、B、C三相导线间隔悬挂在线路杆塔上，根据线路电压等级不同分为交流110kV、220kV、330kV、500kV和1000kV，导线上运行的电流在100A-300A之间。导线在输送高压电流时，不可避免的会在各类连接点处产生电晕放电，从而向周围空间散射高频电磁波，频率在MHz-GHz之间。此类高频电磁波随着与散射点距离的的增加而快速衰减，因此在距离导线数米远的杆塔处放置一种电磁波吸收装置，可最大程度的吸收该类电磁波。

此外，为实时掌握输电线路的运行状态，电力部门在杆塔上安装有视频、微气象等在线监测装置。上述装置一般采用太阳能板电池的方式供电，严重受制于天气因素的影响，在连续阴天或雨雪冰冻条件下，无法满足装置的电能需求，而此时恰恰是最需要获取线路运行状态数据的。可以说，各类塔上监测装置电源供应不足的问题严重制约了输电线路运维的技术发展。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统，能将高压输电线输送高压电流时产生的高频电磁波吸收，并转化为电能存储，解决了传统安装在输电线路杆塔处监测设备完全依赖太阳能板供电、受气候因素影响较大的不足。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统，包括依次电性连接的天线单元(1)、整流器单元(2)、二极管负载单元(3)、中继电容器单元(4)、零偏压二极管整流器单元(5)和储能锂电池单元(6)，

天线单元(1)，吸收特定频率范围的空间电磁波；

整流器单元(2)，对天线单元(1)吸收的空间电磁波进行整流；

二极管负载单元(3)，降低电磁波的反射，增加吸收效率；

中继电容器单元(4)，对经二极管负载单元(3)输送的电流进行存储；

零偏压二极管整流器单元(5)，对低直流电压放大；

储能锂电池单元(6)，存储电压放大后的直流电。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述天线单元(1)包括若干阵列式的天线(10)，天线(10)为分形贴片天线。

进一步优选的，天线(10)采用介电常数为10.2的高介电常数材料制作，且上下表面各设置有一个覆盖层，覆盖层采用介电常数2.94的较低介电常数材料制作。

进一步优选的，所述天线单元(1)为3*3的平面天线阵列，阵列中的天线(10)的工作频率为3.7GHz，对于阵因子的目标函数为，

其中，M＝N＝3为阵元的行数和列数，j代表虚数，波数k＝2πf₀/c，f₀＝3.7GHz，c＝3*10⁸m/s，θ_i＝{1⁰,2⁰,…85⁰}，N_θ为关注θ角的个数。

更进一步优选的，9个天线(10)依次编号为1～9，其平面位置坐标如下，

进一步优选的，所述整流器单元(2)包括若干阵列式的整流器(20)，整流器(20)与天线(10)一一对应并电性连接，整流器(20)采用零偏压、单极全波整流器。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述二极管负载单元(3)负载单元电阻为10kΩ，中继电容器单元(4)采用100nF电容，储能锂电池单元(6)采用容量20AH、输出电压DC12V的磷酸铁锂电池。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述零偏压二极管整流器单元(5)将低功率信号转化为13.3-14V的输出电压。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括高压输电线路(7)、杆塔(8)和监控装置(9)，杆塔(8)固定并支撑高压输电线路(7)，天线单元(1)、整流器单元(2)、二极管负载单元(3)、中继电容器单元(4)、零偏压二极管整流器单元(5)、储能锂电池单元(6)和监控装置(9)固定在杆塔(8)上，天线单元(1)设置于高压输电线路(7)安全距离处，储能锂电池单元(6)和监控装置(9)电性连接。

本发明的基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)该系统无需依靠太阳能板进行光电转化充电，从而避免了受天气因素的影响，能够在雨雪冰冻等恶劣自然条件下持续转化电能；

(2)该系统采用的是非接触式能量吸收的方式，无需在导线上安装任何装置，无需申请线路停电或申请带电作业，其安装、维修十分方便；

(3)实际应用经验表明，塔上监测设备可用率的主要原因就是电源供应不充足，该系统的电能直接来源于导线运行时所散射的高频电磁波，能够源源不断的提供设备所需电能，从而解决数据传输、云台转动、加热除雾等高耗能功能的电能需求；

(4)高压导线所散射的高频电磁波对广播、电信通讯、人体健康均有不利影响，该系统对高频电磁波的吸收，将能降低安装点附近高频电磁波的危害程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统的结构原理框图；

图2为本发明的基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统的的3*3的平面天线阵列的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统，包括依次电性连接的天线单元1、整流器单元2、二极管负载单元3、中继电容器单元4、零偏压二极管整流器单元5和储能锂电池单元6，以及高压输电线路7、杆塔8和监控装置9。

杆塔8固定并支撑高压输电线路7，这部分属于现有技术。

天线单元1、整流器单元2、二极管负载单元3、中继电容器单元4、零偏压二极管整流器单元5、储能锂电池单元6和监控装置9固定在杆塔8上。监控装置9一般采用摄像机，对现场进行监视拍摄并传输给远程后台。储能锂电池单元6和监控装置9电性连接，对监控装置9供电。

天线单元1，吸收特定频率范围的空间电磁波。具体的，所述天线单元1包括若干阵列式的天线10，天线10为分形贴片天线。天线10采用介电常数为10.2的高介电常数材料制作，为克服该类材料性能随体积缩小而急剧降低的弊端，天线10上下表面各设置有一个覆盖层，覆盖层采用介电常数2.94的较低介电常数材料制作。

本发明采用一种改进型的算法对天线阵列的散射截面RCS进行优化，具体的，如图2所示，所述天线单元1为3*3的平面天线阵列，阵列中的天线10的工作频率为3.7GHz，对于阵因子的目标函数为，

其中，M＝N＝3为阵元的行数和列数，j代表虚数，波数k＝2πf₀/c，f₀＝3.7GHz，c＝3*10⁸m/s，θ_i＝{1⁰,2⁰,…85⁰}，N_θ为关注θ角的个数。

具体的，脉冲的响度A和发射速率均在在[0,1]内变化，脉冲控制参数α＝γ＝0.9。通过100次种群大小为20的迭代，找到最优解为：

具体的，天线单元1设置于高压输电线路7安全距离处，出于安全考量，天线单元1应该设置于高压输电线路7安全距离之外；处于对电磁波吸收效率的考量，天线单元1应该尽量靠近高压输电线路7。根据不同的高压输电线路7，安全距离不同，从而调节天线单元1的具体位置。

整流器单元2，对天线单元1吸收的空间电磁波进行整流。具体的，所述整流器单元2包括若干阵列式的整流器20，整流器20与天线10一一对应并电性连接，整流器20采用零偏压、单极全波整流器。导线散射高频电磁波的功率较低，以110kV导线为例，在距离其3m处的平均功率仅为200dBm，本发明的整流器单元2能够将低功率信号转化为更高的输出电压。

二极管负载单元3，降低电磁波的反射，增加吸收效率。具体的，所述二极管负载单元3负载单元电阻为10kΩ，其作用是使整流器具备高饱和电流特性，不需要额外的偏压，避免了几微安的偏置电流影响转换效率。

中继电容器单元4，对经二极管负载单元3输送的电流进行存储。本发明的中继电容器单元4采用100nF电容，电能存储在上述电容负载中，直到整流器20达到稳态模式。

零偏压二极管整流器单元5，对低直流电压放大，将低功率信号转化为13.3-14V的输出电压，从而能够为储能锂电池单元6充电。

储能锂电池单元6，存储电压放大后的直流电。具体的，储能锂电池单元6采用容量20AH、输出电压DC12V的磷酸铁锂电池。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统，包括依次电性连接的天线单元(1)、整流器单元(2)、二极管负载单元(3)、中继电容器单元(4)、零偏压二极管整流器单元(5)和储能锂电池单元(6)，其特征在于：

天线单元(1)，吸收特定频率范围的空间电磁波；

整流器单元(2)，对天线单元(1)吸收的空间电磁波进行整流；

二极管负载单元(3)，降低电磁波的反射，增加吸收效率；

中继电容器单元(4)，对经二极管负载单元(3)输送的电流进行存储；

零偏压二极管整流器单元(5)，对低直流电压放大；

储能锂电池单元(6)，存储电压放大后的直流电。

2.如权利要求1所述的基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统，其特征在于：所述天线单元(1)包括若干阵列式的天线(10)，天线(10)为分形贴片天线。

3.如权利要求2所述的基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统，其特征在于：天线(10)采用介电常数为10.2的高介电常数材料制作，且上下表面各设置有一个覆盖层，覆盖层采用介电常数2.94的较低介电常数材料制作。

4.如权利要求2所述的基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统，其特征在于：所述天线单元(1)为3*3的平面天线阵列，阵列中的天线(10)的工作频率为3.7GHz，对于阵因子的目标函数为，

其中，M＝N＝3为阵元的行数和列数，j代表虚数，波数k＝2πf₀/c，f₀＝3.7GHz，c＝3*10⁸m/s，θ_i＝{1°,2°,…85°}，N_θ为关注θ角的个数。

5.如权利要求4所述的基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统，其特征在于：9个天线(10)依次编号为1～9，其平面位置坐标如下，

6.如权利要求2所述的基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统，其特征在于：所述整流器单元(2)包括若干阵列式的整流器(20)，整流器(20)与天线(10)一一对应并电性连接，整流器(20)采用零偏压、单极全波整流器。

7.如权利要求1所述的基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统，其特征在于：所述二极管负载单元(3)负载单元电阻为10kΩ，中继电容器单元(4)采用100nF电容，储能锂电池单元(6)采用容量20AH、输出电压DC12V的磷酸铁锂电池。

8.如权利要求1所述的基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统，其特征在于：所述零偏压二极管整流器单元(5)将低功率信号转化为13.3-14V的输出电压。

9.如权利要求1所述的基于高频电磁波吸收转化的电源供给系统，其特征在于：还包括高压输电线路(7)、杆塔(8)和监控装置(9)，杆塔(8)固定并支撑高压输电线路(7)，天线单元(1)、整流器单元(2)、二极管负载单元(3)、中继电容器单元(4)、零偏压二极管整流器单元(5)、储能锂电池单元(6)和监控装置(9)固定在杆塔(8)上，天线单元(1)设置于高压输电线路(7)安全距离处，储能锂电池单元(6)和监控装置(9)电性连接。