基于水動力渦輪的無線充電系統(tǒng)設計

徐嘉琳，張美燕，鄭潔銘，林 凱，陳依杭，仲政韜

(浙江水利水電學院 電氣工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

水力發(fā)電是清潔能源和可再生能源的一個重要組成部分[1].對水利工程的開發(fā)具有多層次的能源建設功能，是對水利資源的綜合利用，同時能夠較好地促進河流的綜合治理，有利于進一步發(fā)展清潔和可再生能源[2].進入21世紀信息化時代以后，隨著電子設備功能越來越強，其耗電量也隨之增長[3].但是電池技術的發(fā)展卻沒有跟上電子設備發(fā)展的腳步[4]，手機等一些隨身設備沒電可能是最大的煩惱之一.因此，不管是戶外騎行、遠足還是露營，移動電源成了標配的設備，可是如果移動電源也沒電了呢？于是人們開始考慮如何充分利用野外環(huán)境資源實時發(fā)電，從而便捷式發(fā)電裝置應運而生.目前在野外，比較常見的便攜式發(fā)電裝置大多利用太陽能發(fā)電[5-7]，但這種發(fā)電裝置往往受天氣影響較大.考慮到水是自然界中最環(huán)保和可靠的發(fā)電媒介之一，便捷式水力發(fā)電裝置將是戶外運動愛好者不錯的選擇.

本文設計的基于水渦輪動力的無線充電裝置考慮利用自然界潺潺流動的無盡水源作為動力源.利用水渦輪發(fā)電機捕獲江河流水動能，實現(xiàn)水動能到電能的轉換，同時通過設計微能量收集模塊、Qi無線充電系統(tǒng)，實現(xiàn)對手機等小型用電設備無線充電，實現(xiàn)簡單，成本低，可以有效滿足特定場合的應用需求.

1 國內(nèi)外相關研究

針對小型水動力發(fā)電的消費級市場應用，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了一些小型便捷式發(fā)電裝置的研究.

韓國新創(chuàng)公司研發(fā)的Enomad沿著清溪川建造3臺小型水力發(fā)電機，在距其20 m外的人行道上安裝了5個帶有戶外充電端口的充電臺.每臺水力發(fā)電機可以產(chǎn)生15～20 W的電力，手機和平板可以在2～4 h內(nèi)完成充電.Enomad使用了簡單的水渦輪機發(fā)電，對周圍環(huán)境的影響可以降到最小化，并且便于拆裝[8].

美國研發(fā)的Hydrobee提供一種給電池充電的離網(wǎng)型選擇：先給自身渦輪蓄電池蓄電，然后再用電池給手機充電.Hydrobee的充電過程完全圍繞水展開，它可以放在河流中或者是拖在小船后面，前提是水流速度超過1.8 m/s.2～4 h以后，電池就能充滿.Hydrobee原型由一個小型水力發(fā)電渦輪機、充電電池、防水電子裝置和USB 2.0接口組成，可以給自己的手機或其他支持USB接口的設備充電.Hydrobee內(nèi)置了6節(jié)1.2 V的5號NiMH充電電池，容量為2 500 mAh，能產(chǎn)生總計15 000 mAh的電量.[9]

美國研發(fā)的Estream便攜式水力發(fā)電機(見圖1).Estream主要材質(zhì)為ABS塑料和聚碳酸酯，規(guī)格為24.5 cm×6.5 cm，便于隨身攜帶，將其渦輪葉片展開后，渦輪機直徑為21 cm，重量為800 g，輸出功率為2.5～5 W，電流被儲存于6 400 mAh容量的鋰電池.在一些水流較緩的小溪里也可以使用，還可以將它綁在小船后面，利用小船行進過程中的水流阻力來轉化成電能.鋰電池儲滿電量需要4～5 h，還可以通過一個功率為5 W的Micro-USB接口給電池蓄電.[10]

圖1 Estream便捷式水力發(fā)電機

我國在該領域的研究相對來說更偏向于較大功率發(fā)電設備.浙江大學于2006年首先研制出5 kW級的水平軸式海流能發(fā)電裝置，其流體傳動國家重點實驗室隨后制造出了一部試驗樣機，在浙江省的附近海域進行了發(fā)電試驗，并取得了成功[11]；哈爾濱工程大學研制出了垂直軸H型潮汐發(fā)電機，該潮汐發(fā)電裝置采用沉底式安裝方法，要求洋流流速在2 m/s以上，葉輪半徑為一米的“水下風車”就能開始發(fā)電，而樣機的設計額定功率為5 kW.[12]這些較大功率的發(fā)電設備不適合隨身攜帶，而小功率的發(fā)電機組通常以汽油發(fā)電機組或柴油發(fā)電機組比較多，沒有充分考慮利用清潔能源和可再生能源.

綜上所述，國外對于便捷式發(fā)電裝置的研究已有一些，但基本上都是帶USB接口的有線方式充電，使用上有不便之處.國內(nèi)更偏向于較大功率發(fā)電設備的研制，而小功率的發(fā)電機組通常以汽油發(fā)電機組為主，對于用于手機等小功率電子設備充電的便捷式發(fā)電裝置的研究不多.因此，本項目擬研制的基于水動力渦輪發(fā)電的無線充電系統(tǒng)，主要對水動力渦輪發(fā)電系統(tǒng)和Qi無線充電技術進行了應用研究，可以有效解決野外小型電子設備電能耗盡的問題.

2 基于水渦輪動力的無線充電系統(tǒng)設計方案

基于水渦輪動力的無線充電裝置主要由水動力渦輪發(fā)電系統(tǒng)、微能量收集電路、無線充電系統(tǒng)等部分組成.其中水動力渦輪發(fā)電系統(tǒng)主要包括渦輪槳葉、變速箱和發(fā)電機；無線充電系統(tǒng)包括電源轉換電路、電壓電流檢測電路、A/D轉換電路、處理器、指示電路和開關電路、逆變電路、發(fā)射線圈和接收線圈.系統(tǒng)整體硬件框架(見圖2).

圖2 基于水渦輪動力的無線充電系統(tǒng)框圖

2.1 水動力渦輪發(fā)電系統(tǒng)設計

水動力渦輪發(fā)電系統(tǒng)框架結構(見圖3).基于發(fā)電的可行性和可靠性考慮，本文采用槳葉式微型水流能發(fā)電裝置作為江河湖泊流水的動能轉電能的設備，主要針對在水流速度較小的情況(<2 m/s)，通過槳葉式水流能發(fā)電裝置獲取水的動能，并經(jīng)過聯(lián)軸器、齒輪增速箱將捕獲的水流能量和葉輪轉矩傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機輸出電能通過電纜傳輸給無線充電系統(tǒng)，輸出功率指標設定為1～5 W.

圖3 水動力渦輪發(fā)電機系統(tǒng)框圖

2.2 微能量收集電路設計

由于微型水渦流發(fā)電機在一定水流流速下才有輸出電壓，輸出電壓具有不連續(xù)性、不穩(wěn)定性，本文在發(fā)電機的輸出端設計了一種針對該間歇式能量收集的電路.微能量收集電路主要負責收集微型水力發(fā)電機輸出的不穩(wěn)定非連續(xù)電壓，轉換為穩(wěn)定的電壓輸出.本文采用了德州儀器(TI)公司研發(fā)的BQ2510芯片實現(xiàn)能量收集電路設計.BQ2510芯片是一款高集成、低功耗和高效升壓的能量采集芯片，也是一款面向毫微級功率、集能量收集與管理于一體的芯片，適用于從微小能量中高效獲取能源并對其管理的場合.本設計中，基于BQ2510的微能量收集電路設計(見圖4).

圖4 基于BQ2510的微能量收集電路

2.3 無線充電系統(tǒng)設計

電能無線傳輸采用了無線充電聯(lián)盟(wireless power consortium，WPC)提出的Qi無線標準.Qi無線標準具有便攜性和通用性兩大特征，采用了較小的感應線圈，能夠很容易地實現(xiàn)在較高頻率下傳輸能量.發(fā)射器線圈攜帶交流電生成的磁場，通過感應使接收器線圈產(chǎn)生電壓，完成能量的無線傳輸.線圈是電力傳輸?shù)闹匾诵钠骷?，在選型之前要先了解手機接收端的線圈參數(shù)(直徑、電感值、耦合系數(shù)等)，以此作為參考選擇發(fā)射線圈的系列參數(shù)，使充電效率能達到最高.

本文所提出的無線充電系統(tǒng)框架(見圖5).無線充電系統(tǒng)主要完成對終端電子設備的無線充電，主要包含電源轉換電路，存儲器部分，控制電路部分，溫度傳感器，電流和電壓檢測電路等.電源轉換電路將微能量收集模塊輸出的穩(wěn)定的電壓信號轉換成充電裝置各個模塊所需的電壓和電流.圖5中存儲器主要負責存儲充電裝置狀態(tài)參數(shù)、控制參數(shù)等.控制電路部分主要包含溫度控制單元、功率控制單元、A/D轉換電路等，主要負責控制開關信號、輸出功率的大小、檢測電壓與電流等參數(shù)指標[13-14]，同時也通過溫度傳感器對充電器的溫度進行實時監(jiān)測，防止充電溫度過高燒壞電路.

圖5 無線充電系統(tǒng)結構圖

3 基于水動力渦輪的無線充電系統(tǒng)測試結果

通過電機編碼器驅(qū)動不同轉速的電動機，帶動葉片旋轉，不同負載情況下水動力渦輪發(fā)電機的輸出電壓波形(見圖6)，發(fā)電機的功率曲線(見圖7).從結果可以發(fā)現(xiàn)，本文研制的基于水動力渦流的無線充電系統(tǒng)工作狀況良好，滿足設計指標.

圖6 不同轉速下的輸出電壓測試結果

圖7 發(fā)電機輸出功率

4 結 語

本文采用水動力渦輪捕獲江河小溪中流水的動能，實現(xiàn)水動能到電能的轉換，并利用此電能實現(xiàn)了對手機等小型用電設備的無線充電.本文研究了水動力渦輪發(fā)電系統(tǒng)、微能量收集電路、無線充電系統(tǒng)等關鍵部分，最終成功設計了一套基于水動力渦輪的無線充電裝置與系統(tǒng)，為戶外運動者提出一種新型的能量保障，有效滿足特定野外場合的能源需求.后續(xù)將在功能樣機小型化和電能轉換效率提升方面進一步研究，根據(jù)不同的水動力環(huán)境設計幾款不同規(guī)格的小型化產(chǎn)品樣機，提高水流發(fā)電機的能量轉換效率，使得在低動力環(huán)境下也能滿足工作需求.