太阳能无线充电器设计者：程鲁，崔佳林，曹灿，王旸指导教师：施悦（哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨，150001）作品内容简介进入21世纪以来，节能、环保成为了全世界各国对于可持续发展战略把握的重点，近年来我国也在大力倡导低碳节能的生活方式。

随着现代电力革命的不断深入，关于新的电能利用方式的发展方向已成为各国关注的焦点。

传统电能传输和使用方式限制了电能技术的发展，繁杂的电线不仅占据大量空间，也为人们的生活带来了很大的烦扰与不便，同时还存在一定安全隐患。

据统计，我国每年因电线老化、电线杂乱引发的事故所造成的经济损失高达20亿元，人员伤亡及潜在威胁更是无法预计。

为了解决以上问题，我们设计了一种基于电磁谐振的太阳能无线充电器。

装置基本思路：太阳能电池板蓄电池振荡信号发生模块宽频带高频功率放大模块谐振的发射线圈谐振接受线圈高频整流滤波电路负载。

太阳能电池板将太阳能转化为电能，并储存在蓄电池中，蓄电池再将电能供给振荡信号发生模块，振荡信号发生模块发出3.1MH左右高频频率信号，经过功放模块后输出10W功率给发射线圈，发射线圈和接收线圈具有相同的固有频率，当发射线圈所发射的频率达到固有频率时，即皆为3.1MHz左右的频率时，接、发射线圈间实现电磁谐振，能量就从发射极线圈以隧道方式传输至接受级线圈，从而实现了电能的无线传输，然后经过高频整流滤波电路将高频交流变成直流，供给手机等小功率电子设备。

创新点：(1)采用太阳能作为装置的能量来源，环保节能；(2)采用谐磁共振的方式实现无线电能传输，比一般的电磁感应式无线电能传输方式效率更高，传输距离更远；实验显示，在发射接收线圈匹配的情况下，晴天情况下，将太阳能电池板正对南方，与地面成30-40度夹角，BSM100-36型平板多晶硅太阳能电池板额定输出电压18V、功率5W，可在14h左右将12V-4AH松下免维护蓄电池电量充满。

在5-24V范围内调节第二路DC直流转换器输出电压，发现三星I9300手机可以在30mm-40mm距离内，与线圈轴线成300度范围内正常充电。

当手机充电基座距离发射基座近时，输出电压大；距离远时输出电压小，多余能量以驻波形式通过谐振电路返回功放，自动调节输出电流大小。

与手机连接的线圈具有稳压电路，可稳定输出4.2V-5V电压。

保证手机充电过程的稳定性。

装置不受非铁磁类介质影响，且对人体无伤害。

基于谐振耦合的无线供电装置，能解除电线对人类生活的约束，减少因电线老化引起的事故的发生，提高用电的安全性；在提倡环保的今天，本项目的研究成果积极的响应了保护环境和节能降耗号召，具有很强的推广性。

目录1.研究背景 (3)2.方案设计 (4)2.1设计方案的确定 (4)2.2 太阳电池板和蓄电池的选择 (8)2.3振荡信号发生模块的设计制作 (9)2.3.1 MAX038芯片介绍 (9)2.3.2 MAX038做成的正弦波信号输出电路图 (10)2.3.3 MAX038的波形输出控制 (11)2.4 功率放大模块的设计制作[11] (11)2.5 谐振匹配的初、次级线圈的设计制作 (12)2.6高频整流滤波电路........................................................................................................... .133.实验部分 (15)3.1调谐 (15)3.2实验结果及其分析 (17)3.2.1 传输效率 (17)3.2.2 线圈的品质因数 (22)4.经济分析 (23)4.1经济效益分析 (23)4.2 环保效益分析 (24)4.3实验运行成本分析 (25)5.创新点及优点 (25)5.1创新点 (25)5.2优点 (26)5.3应用前景 (26)参考文献 (27)1 研制背景及意义无线电技术用于通信, 已经在全世界流行了近一百年。

从当初的无线电广播和无线电报, 发展到现在的卫星和微波通信,以及普及到全球几乎每一个人的移动通信、无线网络、GPS等。

无线通信极大地改变了人们的生产和生活方式,没有无线通信, 信息化社会的目标是不可议的。

然而,无线通信传送的都是微弱的信息而不是功率较大的能量。

因此许多使用极为方便的便携式的移动产品, 都要不定期地连接电网进行充电,也因此不得不留下各种插口和连接电缆。

传统的电气设备都是通过插头或插座等电连接器的接触进行供电，这就很难实现具有防水性能的密封工艺,并且存在较大安全隐患，而且这种个性化的线缆使得不同产品的充电器很难通用。

如果彻底去掉这些尾巴,移动终端设备就可以获得真正的自由。

也易于实现密封和防水。

这个目标必须要求能量也像信息一样实现无线传输。

国际无线充电联盟（Wireless Power Consortium，WPC ）Qi无线充电国际标准规定：Qi无线充电系统需由基站和移动设备组成。

基站包含一个或多个发射器，发射器将提供用以接收的能量。

移动设备包含一个接收器用来提供电能给负载(如手机)，接收器还将为发射器提供信息。

发射器内有能量转换单元，将电能转换为无线能源信号，接收器内的能量收集单元则将无线能源信号转换为电能。

接收器将根据需要将电能输送至负载，发射器根据接收器的需要适配能量传递。

诺基亚、飞利浦、LG、三星、索尼爱立信以及RIM等众多国际知名手机厂商都很支持这一技术，按照Qi标准要求，相继推出支持Qi标准的无线充电器产品，并首先为苹果iPhone3GS和黑莓Blackberry Curve 8900用户带来无线充电的全新体验。

同时市场调研数据显示，无线充电设备市场在2013年将达到140亿美元的规模。

飞利浦已经开始生产含有无线充电设置新型手机了，该机将标配无线充电器Xenium Q1（Qi无线充电联盟标准）。

Qi基于电磁感应原理进行输电。

感应耦合电能传输系统的由发射器线圈和接收器线圈组成，两个线圈共同构成一个电磁耦合感应器。

发射器线圈所携带的交流电生成磁场，并通过感应使接收器线圈产生电压。

现有的无线充电器局限：一，利用电磁感应技术，有较大的漏磁，耦合系数较小，会增大输入电流与电压之间的相位差，限制了能量传输的效率，不适合大功率，远距离传输，只能在3—30mm之间进行小功率充电。

同时，线圈相互耦合干扰会带来能量损耗；二，充电基座带有电源线，这就要求充电基座附近有电源插座，限制了充电器范围。

从某种意义上将，现有无线充电器，只是没有将USB接口直接接在手机上，但手机需要紧贴基座放置，而基座带有电源线，也就是说将手机的电源线转移给了充电基座，这给无线充电技术带来极大的不便和限制。

基于以上背景条件考虑，我们研发了本套无线充电装置,该装置是基于电磁谐振的太阳能无线充电器。

该无线充电器可以为手机等小功率电子设备实现中远距离无线充电。

其由发射模块和接收模块组成，手机等小功率电子设备接在接收模块上，接收来自发射模块传输过来的能量。

本项目的研究内容：发挥太阳电池板优势，利用太阳能电池板将太阳能转化为发电能储存在蓄电池内，然后由蓄电池供给给高频功放和信号发生器，传输给发射极线圈，通过谐磁共振将能量传输给中远距离的接收线圈，经整流滤波电路，将交流转成直流，供给手机充电。

本研究主要内容包括：(1）对设计方案和设备的选择做出了一个整体性的概括和研究，其中包括：无线供电方式的的选择，太阳能电池板选择、信号震荡发生器、宽频带高频功放、接发射线圈、高频整流滤波电路、高频分离式变压器的制作。

(2）探究频率对线圈的影响，考虑高频情况下导线的集肤效应。

(3）线圈线径、直径、材料、外物对无线供电装置效率的影响。

(4）研究Q值对整个系统的影响。

(5）进行工式化推理；进行经济性分析。

验证该项目可行性、科学性。

该充电器是针对目前国内外无线充电设备的要求，并参考了目前国内外许多无线充电技术，其避免了现有感应式无线充电器的局限，提高了无线充电器的范围，并利用太阳能发电技术，既实现了装置的便携又充分体现节能环保的理念。

在提倡环保的今天，本项目的研究成果积极的响应了保护环境和节能降耗号召，具有很强的推广性。

2.方案设计2.1设计方案的确定无线能量传输通常是指电能的无导线传输，即不借助实物连接线，实现电能的无线传输。

传统电能的传输主要是利用金属导线直接接触来进行的，这给我们带来了许多的不便。

而无线电能传输就不同了，电能从发射端待接收端无接触，提高了用电设备获得电能的灵活性。

无接触电能传输技术对移动电气设备、工作于水下及易燃易爆等特殊环境下的电气设备提供可靠的电能供应。

目前常用的无线供电方法有三种，即电磁感应式、电磁谐振式和电磁辐射式[1-7]：1.电磁感应式一般的电磁感应可分为两类: 静电感应和动电感应，目前后者使用较多静电感应方案利用容性耦合传输能量系统通过高频高压的交变电流产生的电场，在两个或多个相互隔离的端点之间传递能量电机工程领域的先驱，尼古拉.特斯拉曾对静电感应方式做过实验，成功利用无线方式让灯泡发光但要实现高频高压的交变电流存在有一定难度，因此，一般民用场合很难使用动电感应方案利用感性耦合传输能量，在一次侧线圈中通上交流电，产生交变的电场，利用近场范围内线圈之间的互感实现能量的传输，这与变压器内部的原理非常相似该方案应用比较广泛，如变压器内部的原理电动牙刷的充电电磁炉加热等，主要缺点是传输效率会随着传输的距离增加而迅速衰减2.电磁辐射式电磁波辐射方案，即在供电端将电能转化为电磁波的形式并向空间发射，在接收端收集并恢复成直流或交流电的形式该。

方案在空间发电领域有一定的应用，太阳能卫星将能量收集后转化为微波形式，通过天线向地球发射; 在地面端，通过微波整流天线将能量接收并转化当电磁波的波段为可见光时，该方案又会衍生出另外一种形式，即电能的激光传输这样，虽然提高了方向性和传输效率，但由于可见光的特性，传输中需要保持光路畅通，无遮挡电磁辐射方案的原理较为成熟，但在大功率的情况下对天线的设计要求较高。

如果是可见光，还会存在遮挡问题另外，由于存在电磁辐射，故在民用领域的应用场合传输的功率会受到限制，还可能与通信系统频率互相干扰电磁辐射传输方式，容易对通信造成干扰、能量散射损耗大，定向性差，传输效率低。

3.电磁谐振式电磁谐振型电能传输技术主要是利用接收天线固有频率与发射场电磁频率相一致时引起电磁共振，发生强电磁耦合的工作原理来实现电能的高效传输。

2007年，麻省理工学院Soljacic助理教授带领的研究小组成功地将一盏距离发射器2.13m外的60W灯泡点亮。

实验表明：当收发双方相隔2m时，传输60W功率的辐射损失仅为5W。

因此，在几米内的中程距离传输电能是可行的。

采用ERPT技术，电能传输距离可以达3-4m，传输功率可高达几kW。