[發明專利]一種基于高溫超導材料的諧振式無線輸電裝置

無效

• 申請號: 201210262359.7
• 申請日: 2012-07-26
• 公開（公告）號: CN102856989A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發明（設計）人: 張國民;余卉;靖立偉;李金成
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H02J17/00
• 分類號: H02J17/00;H01F6/06
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種無線輸電裝置，特別涉及一種利用高溫超導材料實現的諧振式無線輸電裝置。?

背景技術

無線輸電是一種不需輸電線的輸電方式。無線輸電可以避免傳統導線輸電具有的電擊、火花、磨損等缺陷，實現電能的安全、可靠、靈活、高效傳輸。早在19世紀末特斯拉就設想全球無線輸電系統,并建成了特斯拉線圈進行實驗，由于后期資金不足，沒有繼續下去。2007年，MIT提出了諧振式無線輸電，在傳輸效率、傳輸距離上有了突破性進展，使得無線輸電重新成為引人關注的重要方向。?

由于系統自身電阻的存在和能量的控制比較困難，目前，無線輸電的傳輸效率普遍不高；另外，傳輸距離較短（諧振式約2米），供電頻率高（諧振式10MHz）。這些缺陷阻礙了無線輸電技術的廣泛應用。?

近年來，研究人員開始在實驗中嘗試將超材料（如具有負折射率的超材料）應用于電能傳輸技術，使得傳輸效率與傳輸距離有所提高，供電頻率有所下降。而將超導材料用于無線供電的研究很少，只有美國馬里蘭大學剛剛開展諧振式超導無線的理論研究工作。?

由于無線輸電的傳輸效率與輸電線圈的自身電阻直接相關，輸電線圈的自身電阻越小，傳輸效率越高；若不考慮輻射損耗（低頻下），如果線圈的電阻為零，則效率為100%。因此，可采用降低線圈電阻的方法來提高傳輸效率。由于超導體具有直流零電阻、交流低損耗的特性（即便微波頻率下，其表面電阻也比常規導體低2個量級），采用超導材料制作輸電線圈，則可極大提高傳輸效率。根據我們的前期研究，超導線圈的傳輸率明顯高于同尺寸制作的銅線圈（3倍以上），相同效率下的輸電距離提高更為顯著。?

美國馬里蘭大學Raymond?J.Sedwick開展了超導材料用于無線輸電的理論研究，采用耦合理論計算超導無線輸電的效率，研究其與頻率、距離的關系，證明了采用超導材料可以大大提高輸電距離。?

發明內容

本發明的目的是克服無線輸電裝置傳輸效率不高、傳輸距離短、供電頻率高的缺陷，提出一種基于高溫超導材料的諧振式無線輸電裝置。本發明可以實現遠距離、高效率、大功率的無線輸電。?

本發明采用的技術方案如下：?

本發明諧振式無線輸電裝置包括發射側裝置和接收側裝置，發射側裝置和接收側裝置分別獨立放置，兩者之間有一定距離，此距離可自由調節。?

發射側裝置包括發射側振蕩電路、發射側非金屬杜瓦、發射側頂蓋和電源，電源并聯在發射側振蕩電路兩端。接收側裝置包括接收側振蕩電路、接收側非金屬杜瓦、接收側頂蓋和的負載，負載并聯在接收側振蕩電路兩端。其中發射側振蕩電路和接收側振蕩電路都是由超導線圈和諧振電容構成的并聯諧振電路。?

所述的并聯諧振電路中，所述的超導線圈選用Bi系或Y系超導帶材，繞制成餅式結構，安裝在非金屬杜瓦內，由液氮冷卻，或由液氮加制冷機冷卻或制冷機直接冷卻。非金屬杜瓦采用多層絕熱結構。所述的超導線圈兩端的引線穿過覆蓋在非金屬杜瓦上方的頂蓋引出。?

所述的發射側裝置的超導線圈兩端的引線之間并聯發射側諧振電容和電源。所述的接收側裝置的超導線圈兩端的引線之間并聯接收側諧振電容和負載。發射側裝置和接收側裝置相互獨立，通過電磁耦合諧振傳輸信號。?

本發明超導諧振式無線輸電裝置可以根據實際應用靈活改變：諧振電容用常規材料和高溫超導材料皆可。若需要同時給多個不同地方的用電設備供電，將各個用電設備與相應的接收側裝置連接即可。本發明接收側振蕩電路可以完全采用常規材料，不需低溫裝置，方便且造價低廉，但相應的系統性能會有所降低。?

本發明具有以下優點：?

1.本發明的高溫超導諧振式無線輸電裝置，由于超導體的交流損耗很小，超導輸電線圈的損耗將比常規線圈低很多，可以極大提高傳輸效率和輸電距離。?

2.本發明設計的高溫超導諧振式無線輸電裝置，由于超導體具有比常規導體高2個量級以上的載流密度，可以實現大功率無線輸電。?

3.本發明頻率越低，損耗越小，直流電阻為零，所以，超導大電流無線輸電所需的電壓等級很低，頻率也很低，輻射很低，使得輸電更安全。?

附圖說明

圖1本發明諧振式無線輸電裝置的結構框圖；?

圖2本發明諧振式無線輸電裝置的原理圖；?

圖3本發明諧振式無線輸電裝置的集總電路模型；?

圖4超導線圈結構及其與諧振電容連接的局部示意圖；?

圖5基于高溫超導材料的諧振式無線輸電裝置的能量傳輸圖；?

圖6銅線圈與超導線圈的傳輸效率隨距離的變化曲線；?