太陽能無線輸電演示儀的研制

張 旭，史湘?zhèn)?，周曠宇，劉雪林，袁順東，陳文娟

(中國石油大學(華東)，山東 青島 266580)

無線輸電技術是近年來備受國際學術界關注的一項新的能量傳輸技術。基于該技術的無線輸電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電能傳輸系統(tǒng)相比，克服了設備移動靈活性差及環(huán)境不美觀等缺點，還解決了大氣高頻電磁污染、接觸火花、機構磨損和大電流載體不安全裸露等影響環(huán)境清潔的問題［1-3］。目前，無線輸電技術的應用領域較少，尚沒有形成規(guī)模。文章中率先提出了采用太陽能供電的無線輸電演示儀，應用電磁耦合共振技術進行電能的無線傳輸，并且采用數碼管電壓與電流顯示電路，定量顯示無線輸電的效率，從而達到了良好的演示效果。

1 電磁耦合共振技術的原理

如圖1所示為無線電能傳輸的主要技術即電磁耦合共振技術:將傳統(tǒng)變壓器原副線圈分離成疏松磁耦合，以空氣為磁介質傳輸電能。當發(fā)射端接通電源后，經初級變換器轉換為高頻交變電流，由發(fā)射線圈將其以電磁波的形式輻射到周圍空間［4］。根據電磁感應原理，變化的電場產生變化的磁場，變化的磁場產生變化的電場，接收線圈因感應耦合產生感應電動勢從而獲取電能經次級變換器為負載供電。通過上述幾部分的發(fā)展完善和優(yōu)化設計組合，可大幅提高互感耦合，從而提高電能傳輸效率及電能傳輸容量，實現真正的無線電能傳輸。___________

圖1 電磁耦合結構示意圖

2 實驗原理與裝置

2.1 實驗原理框圖

無線輸電演示儀的電路組成系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 演示儀原理圖

2.2 實驗裝置

無線輸電演示儀結構見圖3，圖中，1-太陽能電池板，2-無線發(fā)射模塊，3-無線接收模塊，4-LED燈，5-電壓顯示器，6-電流顯示器。使用時，左右兩部分隔有一段距離，約7～10 cm，且中間無任何連接。將1太陽能電池板正對陽光，2中蓄電池將進行充電;打開右邊電流表、電壓表的開關，電流，電壓均顯示0，4LED燈不亮;經過一段時間，打開2無線發(fā)射模塊的開關，可以觀察到電壓表5、電流表6均有示數，LED燈變亮。LED燈變亮說明電能被無線傳輸了，而電流表與電壓表則可定量顯示功率，從而形象地展示了該演示儀無線輸電的效率。圖4為該演示儀實物圖。

圖3 演示儀主體部分結構圖

圖4 演示儀實物圖

3 電路組成

3.1 太陽能供電系統(tǒng)

太陽能供電系統(tǒng)電路由太陽能電池方陣、太陽能控制器、直流蓄電池、穩(wěn)壓輸出電路組成。太陽能控制器以LM7815集成穩(wěn)壓器為核心組成穩(wěn)壓電路，控制蓄電池對電能的采集，肖恩特二極管防止電壓反沖，對蓄電池起到保護作用［5-6］。

3.2 無線發(fā)射電路

圖5 無線發(fā)射模塊電路圖

無線發(fā)射模塊搭建的電路見圖5。由于CD4000系列的CMOS電路的極限電壓是18 V，不穩(wěn)的交流12V電壓整流濾波后的空載電壓可能會超過18 V，所以，CD4069的電源電壓另用穩(wěn)壓二極管提供［7］。CMOS電路所有不用的輸入端應接上適當的邏輯電平(Vdd或Vss)，不得懸空，否則電路的工作狀態(tài)將不確定，并且會增加電路的功耗。因此，CD4069的不用的輸入端通過R5接到電源端［8-9］。

3.3 無線接收電路

接收線圈位于發(fā)射線圈產生的電磁場中，發(fā)射線圈磁通量的高頻變化在接收線圈中產生一定幅值的高頻感應電動勢。當接收線圈與發(fā)射線圈靠近時，在接收線圈中產生感應電壓，當接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時產生諧振，電壓達到最大值［10-11］。接收電路見圖6。

圖6 無線接收模塊電路圖

3.4 數字顯示電路

該無線輸電演示儀的特色功能之一就是增加了電壓、電流顯示電路，它主要用以測量并顯示接收模塊負載兩端的電壓和電流。由于在調整兩線圈之間距離的過程中，電壓電流不斷發(fā)生變化，因此可以更直觀地表現功率的變化，進而展示出其傳輸效率［12］。由于該裝置增加了較精確的數字電壓電流顯示電路，因此既可以直觀顯示調整過程中的瞬態(tài)電壓電流，又提供了可定量分析的多重實驗數據，從而能更精確地解釋演示實驗的原理特征。

4 實驗數據處理與分析

4.1 電壓電流與兩線圈的距離的關系

通過理論分析可以知道，隨著初級線圈和次級線圈間距的增大，該系統(tǒng)的漏磁增大，互感減少，自感基本不變［13-15］。通過實驗測量接收端負載的電壓和電流，見表1。發(fā)現其功率逐漸減小。因此在實際應用過程中應根據實際需要來調節(jié)其之間的距離。關系曲線見圖7。

表1 接收端電壓電流與距離的關系數據表

圖7 關系曲線圖

4.2 發(fā)射模塊振蕩頻率與傳輸效率的關系

研究了頻率的變化對該系統(tǒng)傳輸效率的影響。當掃頻范圍為1-30 MHz時，感應參數的變化見表2，從表2中可以得出結論:無芯PCB變壓器線圈的感應參數隨頻率的變化不大。

表2 自感、互感和漏磁隨頻率的變化

5 結 論

文章中介紹了基于電磁耦合共振技術的太陽能無線輸電演示儀，獨創(chuàng)性地將太陽能引入到了無線輸電演示實驗裝置的研制中，對于綠色環(huán)保新技術的認識和推廣有著積極意義;并有電流電壓顯示器定量顯示，演示效果明顯。采用新穎的有機玻璃結構造型，所有功能部件均為通體透明一目了然，增強了物理演示實驗的精確度和可信度，在物理演示實驗教學中能讓學生學會如何運用知識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

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