太阳能无线输电演示仪的研制

2014-09-19史湘伟周旷宇刘雪林袁顺东陈文娟

大学物理实验 2014年4期

张旭，史湘伟，周旷宇，刘雪林，袁顺东，陈文娟

(中国石油大学(华东)，山东青岛 266580)

无线输电技术是近年来备受国际学术界关注的一项新的能量传输技术。基于该技术的无线输电系统与传统的电能传输系统相比，克服了设备移动灵活性差及环境不美观等缺点，还解决了大气高频电磁污染、接触火花、机构磨损和大电流载体不安全裸露等影响环境清洁的问题［1-3］。目前，无线输电技术的应用领域较少，尚没有形成规模。文章中率先提出了采用太阳能供电的无线输电演示仪，应用电磁耦合共振技术进行电能的无线传输，并且采用数码管电压与电流显示电路，定量显示无线输电的效率，从而达到了良好的演示效果。

1 电磁耦合共振技术的原理

如图1所示为无线电能传输的主要技术即电磁耦合共振技术:将传统变压器原副线圈分离成疏松磁耦合，以空气为磁介质传输电能。当发射端接通电源后，经初级变换器转换为高频交变电流，由发射线圈将其以电磁波的形式辐射到周围空间［4］。根据电磁感应原理，变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，接收线圈因感应耦合产生感应电动势从而获取电能经次级变换器为负载供电。通过上述几部分的发展完善和优化设计组合，可大幅提高互感耦合，从而提高电能传输效率及电能传输容量，实现真正的无线电能传输。___________

图1 电磁耦合结构示意图

2 实验原理与装置

2.1 实验原理框图

无线输电演示仪的电路组成系统图如图2所示。

图2 演示仪原理图

2.2 实验装置

无线输电演示仪结构见图3，图中，1-太阳能电池板，2-无线发射模块，3-无线接收模块，4-LED灯，5-电压显示器，6-电流显示器。使用时，左右两部分隔有一段距离，约7～10 cm，且中间无任何连接。将1太阳能电池板正对阳光，2中蓄电池将进行充电;打开右边电流表、电压表的开关，电流，电压均显示0，4LED灯不亮;经过一段时间，打开2无线发射模块的开关，可以观察到电压表5、电流表6均有示数，LED灯变亮。LED灯变亮说明电能被无线传输了，而电流表与电压表则可定量显示功率，从而形象地展示了该演示仪无线输电的效率。图4为该演示仪实物图。

图3 演示仪主体部分结构图

图4 演示仪实物图

3 电路组成

3.1 太阳能供电系统

太阳能供电系统电路由太阳能电池方阵、太阳能控制器、直流蓄电池、稳压输出电路组成。太阳能控制器以LM7815集成稳压器为核心组成稳压电路，控制蓄电池对电能的采集，肖恩特二极管防止电压反冲，对蓄电池起到保护作用［5-6］。

3.2 无线发射电路

图5 无线发射模块电路图

无线发射模块搭建的电路见图5。由于CD4000系列的CMOS电路的极限电压是18 V，不稳的交流12V电压整流滤波后的空载电压可能会超过18 V，所以，CD4069的电源电压另用稳压二极管提供［7］。CMOS电路所有不用的输入端应接上适当的逻辑电平(Vdd或Vss)，不得悬空，否则电路的工作状态将不确定，并且会增加电路的功耗。因此，CD4069的不用的输入端通过R5接到电源端［8-9］。

3.3 无线接收电路

接收线圈位于发射线圈产生的电磁场中，发射线圈磁通量的高频变化在接收线圈中产生一定幅值的高频感应电动势。当接收线圈与发射线圈靠近时，在接收线圈中产生感应电压，当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时产生谐振，电压达到最大值［10-11］。接收电路见图6。

图6 无线接收模块电路图

3.4 数字显示电路

该无线输电演示仪的特色功能之一就是增加了电压、电流显示电路，它主要用以测量并显示接收模块负载两端的电压和电流。由于在调整两线圈之间距离的过程中，电压电流不断发生变化，因此可以更直观地表现功率的变化，进而展示出其传输效率［12］。由于该装置增加了较精确的数字电压电流显示电路，因此既可以直观显示调整过程中的瞬态电压电流，又提供了可定量分析的多重实验数据，从而能更精确地解释演示实验的原理特征。

4 实验数据处理与分析

4.1 电压电流与两线圈的距离的关系

通过理论分析可以知道，随着初级线圈和次级线圈间距的增大，该系统的漏磁增大，互感减少，自感基本不变［13-15］。通过实验测量接收端负载的电压和电流，见表1。发现其功率逐渐减小。因此在实际应用过程中应根据实际需要来调节其之间的距离。关系曲线见图7。

表1 接收端电压电流与距离的关系数据表

图7 关系曲线图

4.2 发射模块振荡频率与传输效率的关系

研究了频率的变化对该系统传输效率的影响。当扫频范围为1-30 MHz时，感应参数的变化见表2，从表2中可以得出结论:无芯PCB变压器线圈的感应参数随频率的变化不大。

表2 自感、互感和漏磁随频率的变化

5 结论

文章中介绍了基于电磁耦合共振技术的太阳能无线输电演示仪，独创性地将太阳能引入到了无线输电演示实验装置的研制中，对于绿色环保新技术的认识和推广有着积极意义;并有电流电压显示器定量显示，演示效果明显。采用新颖的有机玻璃结构造型，所有功能部件均为通体透明一目了然，增强了物理演示实验的精确度和可信度，在物理演示实验教学中能让学生学会如何运用知识，培养学生的创新思维。

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