[发明专利]一种可见光能量传输装置和使用该装置的无线传能系统

说明书

本发明公开了一种可见光能量传输装置和使用该装置的无线传能系统，该能量传输装置包括聚光镜和凸透镜，凸透镜安装在聚光镜的第二焦点F₂前方的焦线上。所述无线能量传输系统包括电源模块、光源、可见光能量传输装置、光电转换模块、电源变换模块和负载，电源模块与光源之间、电源变换模块与负载之间采用线缆连接，光源、可见光能量传输装置及光电转换模块之间均通过无线的光束传播。本发明解决了无线传能技术领域中的较大功率、高效率、中距离传输的技术难题。

技术领域

本发明属于能量无线传输技术领域，具体涉及一种能量传输装置及无线传能系统。

背景技术

无线能量传输(WPT)技术是一种无需线缆即可对目标进行能量供应的新型技术，在工业、医疗、航空航天等方面具有巨大应用潜力，成为近年来热门研究方向。无线传能的主要方式包括电磁感应式传能、磁谐振式传能、微波传能和激光传能，其中电磁感应式传能可在厘米级距离内高效率传输较大功率，但无法实现远距离能量传输。磁谐振式传能可在米级距离内进行高效率、高功率密度的能量传输，但对负载变化比较敏感、容易失谐。虽然通过多中继磁耦合方式可以增加传输距离，但传能系统变得更加复杂。微波方式可实现远距离、大功率无线传能，但存在微波辐射安全性的问题，且仪器较笨重。激光传能的特点是传输距离远、准直性好、能量密度高，但激光器和激光电池昂贵，不适宜中小功率多点应用场景，难以在工业应用中推广使用。

无线能量传输应用的领域主要有：第一、无线传感器网络是由多个传感器节点组成的实时监测网络系统，它利用低功耗、小尺寸的无线传感器实现对监测区域的信息获取，目前广泛应用于工农业、军事领域和环境监测领域。无线传感器节点的供能问题是制约无线传感器技术发展的一个关键因素，铺设传统电力线对其进行充电会大幅提高成本，且在高电压、强磁场等恶劣环境下传统电力线无法铺设、难以进行能量供给；使用电池对传感器节点进行供电也会受到许多限制，如电池需定期更换、成本较高等缺陷。

第二、随着我国航天技术的快速发展，动力系统规模的增加和电驱技术的应用，火箭的供电呈现多电化、智能化和无缆化的趋势。火箭发射前，需与地面测发系统连接，由地面系统提供电力，进行系统检测和诸元装订。目前箭地传能和通信主要采用脱插接口有线连接方式。火箭点火前脱插自动断开与地面系统的有线连接，如果脱落不正常，将导致摆杆不能摆开，电缆断裂，损坏设备，直接影响火箭正常发射。而且，有线连接增加了火箭系统的重量，减小了发射有效荷载。

中国专利申请号为202110511141.X，专利名称为基于可见光传输的无线传能装置与方法，该无线传能装置包括发送模块和接收模块，通过发送模块发出可见光光源，照射在接收模块，接收模块将其转化为电能给链式武器供电。然而，该发明使用LED阵列作为光源，其光源功率和输出电功率低，由于功率太小，远不能满足较大功率的无线供电需要，且其mW级小功率无线传能从光源、光路与接收等多个环节中，对于增大功率传能还存在较大技术障碍，不能达到高功率无线传能的要求。

中国专利申请号202110989313.4，专利名称为一种基于可见光的能量与数据同传无线装置，它包括发射端和接收端，发射端包括控制电路板﹑光源电路板和聚光组件，光源电路板包括混合可见光源和红外光源，接收端包括接收电路板和转存电路板。该发明可以同时实现传能和通信，但是使分开传能通道和通信通道不互相影响，所以传能通道的光波长局限于452nm～465nm、波长800nm～830nm和波长1005nm～1035nm三种波段，采用成本低廉的光伏电池时，不能匹配光伏电池的连续宽光谱吸收特性，使得传能的效率降低。而且，该系统包含较多的800nm以上红外光谱成分，提升传输功率后在实际应用中对人眼极易造成不可恢复的伤害。

针对上述中距离、强电磁干扰等恶劣环境下的无线传感器和火箭点火等小功率电能供应问题，现有技术中还没有公开一种传输距离达到数米、供电功率数瓦以上且成本低的无线传能系统。可见光具有生物安全的波段，且发射、接收端组件市场普遍应用，实现成本低。因此，本发明正是利用可见光实现数米至数十米距离的无线能量供给，以解决无线传能技术领域中存在较大功率、高效率、中距离传输的技术难题。

发明内容