CN102856989A

CN102856989A - 一种基于高温超导材料的谐振式无线输电装置

Info

Publication number: CN102856989A
Application number: CN2012102623597A
Authority: CN
Inventors: 张国民; 余卉; 靖立伟; 李金成
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2013-01-02

Abstract

一种基于高温超导材料的谐振式无线输电装置，包括发射侧装置和接收侧装置两部分，所述的发射侧装置包括发射侧振荡电路、发射侧非金属杜瓦（3’）、发射侧顶盖（2’）和电源（1），电源（1）并联在发射侧振荡电路的两端；所述的接收侧装置包括接收侧振荡电路、接收侧非金属杜瓦（3）、接收侧顶盖（2）和负载（6），负载（6）并联在接收侧振荡电路的两端；所述的发射侧振荡电路和接收侧振荡电路具有相同的拓扑结构，均由超导线圈和谐振电容并联而成；所述的超导线圈安装在所述的非金属杜瓦中冷却。顶盖置于非金属杜瓦的上方；非金属杜瓦采用多层绝热结构；接收侧装置与发射侧装置在电磁上相互耦合，相互独立放置。

Description

一种基于高温超导材料的谐振式无线输电装置

技术领域

本发明涉及一种无线输电装置，特别涉及一种利用高温超导材料实现的谐振式无线输电装置。

背景技术

无线输电是一种不需输电线的输电方式。无线输电可以避免传统导线输电具有的电击、火花、磨损等缺陷，实现电能的安全、可靠、灵活、高效传输。早在19世纪末特斯拉就设想全球无线输电***,并建成了特斯拉线圈进行实验，由于后期资金不足，没有继续下去。2007年，MIT提出了谐振式无线输电，在传输效率、传输距离上有了突破性进展，使得无线输电重新成为引人关注的重要方向。

由于***自身电阻的存在和能量的控制比较困难，目前，无线输电的传输效率普遍不高；另外，传输距离较短（谐振式约2米），供电频率高（谐振式10MHz）。这些缺陷阻碍了无线输电技术的广泛应用。

近年来，研究人员开始在实验中尝试将超材料（如具有负折射率的超材料）应用于电能传输技术，使得传输效率与传输距离有所提高，供电频率有所下降。而将超导材料用于无线供电的研究很少，只有美国马里兰大学刚刚开展谐振式超导无线的理论研究工作。

由于无线输电的传输效率与输电线圈的自身电阻直接相关，输电线圈的自身电阻越小，传输效率越高；若不考虑辐射损耗（低频下），如果线圈的电阻为零，则效率为100%。因此，可采用降低线圈电阻的方法来提高传输效率。由于超导体具有直流零电阻、交流低损耗的特性（即便微波频率下，其表面电阻也比常规导体低2个量级），采用超导材料制作输电线圈，则可极大提高传输效率。根据我们的前期研究，超导线圈的传输率明显高于同尺寸制作的铜线圈（3倍以上），相同效率下的输电距离提高更为显著。

美国马里兰大学Raymond J.Sedwick开展了超导材料用于无线输电的理论研究，采用耦合理论计算超导无线输电的效率，研究其与频率、距离的关系，证明了采用超导材料可以大大提高输电距离。

发明内容

本发明的目的是克服无线输电装置传输效率不高、传输距离短、供电频率高的缺陷，提出一种基于高温超导材料的谐振式无线输电装置。本发明可以实现远距离、高效率、大功率的无线输电。

本发明采用的技术方案如下：

本发明谐振式无线输电装置包括发射侧装置和接收侧装置，发射侧装置和接收侧装置分别独立放置，两者之间有一定距离，此距离可自由调节。

发射侧装置包括发射侧振荡电路、发射侧非金属杜瓦、发射侧顶盖和电源，电源并联在发射侧振荡电路两端。接收侧装置包括接收侧振荡电路、接收侧非金属杜瓦、接收侧顶盖和的负载，负载并联在接收侧振荡电路两端。其中发射侧振荡电路和接收侧振荡电路都是由超导线圈和谐振电容构成的并联谐振电路。

所述的并联谐振电路中，所述的超导线圈选用Bi系或Y系超导带材，绕制成饼式结构，安装在非金属杜瓦内，由液氮冷却，或由液氮加制冷机冷却或制冷机直接冷却。非金属杜瓦采用多层绝热结构。所述的超导线圈两端的引线穿过覆盖在非金属杜瓦上方的顶盖引出。

所述的发射侧装置的超导线圈两端的引线之间并联发射侧谐振电容和电源。所述的接收侧装置的超导线圈两端的引线之间并联接收侧谐振电容和负载。发射侧装置和接收侧装置相互独立，通过电磁耦合谐振传输信号。

本发明超导谐振式无线输电装置可以根据实际应用灵活改变：谐振电容用常规材料和高温超导材料皆可。若需要同时给多个不同地方的用电设备供电，将各个用电设备与相应的接收侧装置连接即可。本发明接收侧振荡电路可以完全采用常规材料，不需低温装置，方便且造价低廉，但相应的***性能会有所降低。

本发明具有以下优点：

1.本发明的高温超导谐振式无线输电装置，由于超导体的交流损耗很小，超导输电线圈的损耗将比常规线圈低很多，可以极大提高传输效率和输电距离。

2.本发明设计的高温超导谐振式无线输电装置，由于超导体具有比常规导体高2个量级以上的载流密度，可以实现大功率无线输电。

3.本发明频率越低，损耗越小，直流电阻为零，所以，超导大电流无线输电所需的电压等级很低，频率也很低，辐射很低，使得输电更安全。

附图说明

图1本发明谐振式无线输电装置的结构框图；

图2本发明谐振式无线输电装置的原理图；

图3本发明谐振式无线输电装置的集总电路模型；

图4超导线圈结构及其与谐振电容连接的局部示意图；

图5基于高温超导材料的谐振式无线输电装置的能量传输图；

图6铜线圈与超导线圈的传输效率随距离的变化曲线；

图中：1电源、2接收侧顶盖、2’发射侧顶盖、3接收侧非金属杜瓦、3’发射侧非金属杜瓦、4接收侧超导线圈、4’发射侧超导线圈、5’发射侧谐振电容、5接收侧谐振电容、6负载。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1为本发明的结构框图。图2本发明谐振式无线输电装置的原理图。如图1、图2所示，本发明谐振式无线输电装置包括发射侧装置和接收侧装置两部分，发射侧装置包括发射侧振荡电路、发射侧非金属杜瓦3’、发射侧顶盖2’和电源1，电源1并联在发射侧振荡电路的两端。接收侧装置包括接收侧振荡电路、接收侧非金属杜瓦3、接收侧顶盖2和负载6，负载6并联在接收侧振荡电路的两端。所述的发射侧振荡电路和接收侧振荡电路具有相同的拓扑结构，均由超导线圈和谐振电容并联组成：其中所述的发射侧振荡电路由发射侧超导线圈4’和发射侧谐振电容5’并联组成，接收侧振荡电路由接收侧超导线圈4和接收侧谐振电容5并联组成。

两个超导线圈4、4’分别安装在两个非金属杜瓦3、3’中，由液氮冷却或液氮加制冷机冷却或制冷机直接冷却。置于两个非金属杜瓦3、3’上方的顶盖2、2’一方面可以减少液氮挥发，另一方面可减小低温对谐振电容5、5’的影响。非金属杜瓦3、3’采用多层绝热结构。接收侧装置与发射侧装置在电磁上相互耦合，相互独立放置，接收侧装置与发射侧装置之间的距离为D，不同的距离D的传输效率不同，根据Raymond J.Sedwick的计算，传输距离D为100米时能达到40%的效率。

所述的发射侧超导线圈4’安装在所述的发射侧非金属杜瓦3’内，接收侧超导线圈4置于接收侧非金属杜瓦3内。发射侧超导线圈4’两端的引线穿过覆盖在发射侧非金属杜瓦3’上方的发射侧顶盖2’，接收侧超导线圈4两端的引线穿过覆盖在接收侧非金属杜瓦3上方的接收侧顶盖2。发射侧超导线圈4’两端的引线之间并联发射侧谐振电容5’和电源1，接收侧超导线圈4两端的引线之间并联接收侧谐振电容5和负载6。在低频下采用集总参数等效的理想电路结构如图3所示，M为发射侧超导线圈与接收侧超导线圈之间的互感，表征两个线圈的磁耦合程度，根据最基本的电路理论可以计算出理想传输效率为100%。

如图4所示，所述的接收侧超导线圈4和发射侧超导线圈4’由多匝Bi系或Y系超导带材绕制成饼式结构。发射侧侧超导线圈4’两端的引线之间并联发射侧谐振电容5’和电源1，接收侧超导线圈4两端的引线之间并联接收侧谐振电容5和负载6，如图1所示。在某一频率下，发射侧振荡电路与接收侧振荡电路发生谐振，实现高效电能传输。谐振电容5、5’既可以用常规电容也可以采用超导带材制作的超导电容，采用超导电容可以获得更高的效率。若采用超导电容，超导电容需要安装于非金属杜瓦3、3’中冷却。

图5为本发明的能量传输图。如图5所示，能量由电源1提供给发射侧振荡电路，在发射侧振荡电路中以交变电磁场的形式存在，然后一部分能量通过谐振式电能传输方式传递给接收侧振荡电路，另一部分损耗。接收侧振荡电路中的能量也以交变电磁场的形式存在，同样除了传递给负载6的电能外，也存在损耗。

铜线圈与超导线圈***的输电效率随距离变化的测量结果如图6所示。其中铜线圈谐振频率为7KHz，超导线圈为7.8KHz，此差异是由于超导材料与铜磁导率不同，同尺寸制作的超导线圈电感小于铜线圈。由图6可知，使用超导线圈时的传输效率明显高于铜线圈，为3倍以上。

Claims

1.一种基于高温超导材料的谐振式无线输电装置，其特征在于：所述的无线输电装置包括发射侧装置和接收侧装置；所述的发射侧装置包括发射侧振荡电路、发射侧非金属杜瓦（3’）、发射侧顶盖（2’）和电源（1），电源（1）并联在发射侧振荡电路的两端；所述的接收侧装置包括接收侧振荡电路、接收侧非金属杜瓦（3）、接收侧顶盖（2）和负载（6），负载（6）并联在接收侧振荡电路的两端；所述的发射侧振荡电路由发射侧超导线圈（4’）和发射侧谐振电容（5’）并联组成，接收侧振荡电路由接收侧超导线圈（4）和接收侧谐振电容（5）并联组成；所述的发射侧超导线圈（4’）安装在所述的发射侧非金属杜瓦（3’）中冷却，所述的接收侧超导线圈（4）安装在所述的接收侧非金属杜瓦（3）中冷却；发射侧顶盖（2’）置于发射侧非金属杜瓦（3’）的上方，接收侧顶盖（2）置于接收侧非金属杜瓦（3）的上方；两个非金属杜瓦（3、3’）采用多层绝热结构；接收侧装置与发射侧装置在电磁上相互耦合，相互独立放置。

2.如权利要求1所述的基于高温超导材料的谐振式无线输电装置，其特征在于：所述的超导线圈（4、4’）由多匝Bi系或Y系超导带材绕制，采用饼式结构。

3.如权利要求1所述的基于高温超导材料的谐振式无线输电装置，其特征在于：所述的谐振电容（5、5’）采用超导电容，所述的超导电容置于非金属杜瓦（3、3’）中冷却。