[发明专利]一种基于高温超导材料的谐振式无线输电装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线输电装置，特别涉及一种利用高温超导材料实现的谐振式无线输电装置。 

背景技术

无线输电是一种不需输电线的输电方式。无线输电可以避免传统导线输电具有的电击、火花、磨损等缺陷，实现电能的安全、可靠、灵活、高效传输。早在19世纪末特斯拉就设想全球无线输电系统,并建成了特斯拉线圈进行实验，由于后期资金不足，没有继续下去。2007年，MIT提出了谐振式无线输电，在传输效率、传输距离上有了突破性进展，使得无线输电重新成为引人关注的重要方向。 

由于系统自身电阻的存在和能量的控制比较困难，目前，无线输电的传输效率普遍不高；另外，传输距离较短（谐振式约2米），供电频率高（谐振式10MHz）。这些缺陷阻碍了无线输电技术的广泛应用。 

近年来，研究人员开始在实验中尝试将超材料（如具有负折射率的超材料）应用于电能传输技术，使得传输效率与传输距离有所提高，供电频率有所下降。而将超导材料用于无线供电的研究很少，只有美国马里兰大学刚刚开展谐振式超导无线的理论研究工作。 

由于无线输电的传输效率与输电线圈的自身电阻直接相关，输电线圈的自身电阻越小，传输效率越高；若不考虑辐射损耗（低频下），如果线圈的电阻为零，则效率为100%。因此，可采用降低线圈电阻的方法来提高传输效率。由于超导体具有直流零电阻、交流低损耗的特性（即便微波频率下，其表面电阻也比常规导体低2个量级），采用超导材料制作输电线圈，则可极大提高传输效率。根据我们的前期研究，超导线圈的传输率明显高于同尺寸制作的铜线圈（3倍以上），相同效率下的输电距离提高更为显著。 

美国马里兰大学Raymond J.Sedwick开展了超导材料用于无线输电的理论研究，采用耦合理论计算超导无线输电的效率，研究其与频率、距离的关系，证明了采用超导材料可以大大提高输电距离。 

发明内容

本发明的目的是克服无线输电装置传输效率不高、传输距离短、供电频率高的缺陷，提出一种基于高温超导材料的谐振式无线输电装置。本发明可以实现远距离、高效率、大功率的无线输电。 

本发明采用的技术方案如下： 

本发明谐振式无线输电装置包括发射侧装置和接收侧装置，发射侧装置和接收侧装置分别独立放置，两者之间有一定距离，此距离可自由调节。 

发射侧装置包括发射侧振荡电路、发射侧非金属杜瓦、发射侧顶盖和电源，电源并联在发射侧振荡电路两端。接收侧装置包括接收侧振荡电路、接收侧非金属杜瓦、接收侧顶盖和的负载，负载并联在接收侧振荡电路两端。其中发射侧振荡电路和接收侧振荡电路都是由超导线圈和谐振电容构成的并联谐振电路。 

所述的并联谐振电路中，所述的超导线圈选用Bi系或Y系超导带材，绕制成饼式结构，安装在非金属杜瓦内，由液氮冷却，或由液氮加制冷机冷却或制冷机直接冷却。非金属杜瓦采用多层绝热结构。所述的超导线圈两端的引线穿过覆盖在非金属杜瓦上方的顶盖引出。 

所述的发射侧装置的超导线圈两端的引线之间并联发射侧谐振电容和电源。所述的接收侧装置的超导线圈两端的引线之间并联接收侧谐振电容和负载。发射侧装置和接收侧装置相互独立，通过电磁耦合谐振传输信号。 

本发明超导谐振式无线输电装置可以根据实际应用灵活改变：谐振电容用常规材料和高温超导材料皆可。若需要同时给多个不同地方的用电设备供电，将各个用电设备与相应的接收侧装置连接即可。本发明接收侧振荡电路可以完全采用常规材料，不需低温装置，方便且造价低廉，但相应的系统性能会有所降低。 

本发明具有以下优点： 

1.本发明的高温超导谐振式无线输电装置，由于超导体的交流损耗很小，超导输电线圈的损耗将比常规线圈低很多，可以极大提高传输效率和输电距离。 

2.本发明设计的高温超导谐振式无线输电装置，由于超导体具有比常规导体高2个量级以上的载流密度，可以实现大功率无线输电。 

3.本发明频率越低，损耗越小，直流电阻为零，所以，超导大电流无线输电所需的电压等级很低，频率也很低，辐射很低，使得输电更安全。 

附图说明

图1本发明谐振式无线输电装置的结构框图； 

图2本发明谐振式无线输电装置的原理图； 

图3本发明谐振式无线输电装置的集总电路模型； 

图4超导线圈结构及其与谐振电容连接的局部示意图； 

图5基于高温超导材料的谐振式无线输电装置的能量传输图； 

图6铜线圈与超导线圈的传输效率随距离的变化曲线；