基于水动力涡轮的无线充电系统设计

徐嘉琳，张美燕，郑洁铭，林 凯，陈依杭，仲政韬

(浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

水力发电是清洁能源和可再生能源的一个重要组成部分[1].对水利工程的开发具有多层次的能源建设功能，是对水利资源的综合利用，同时能够较好地促进河流的综合治理，有利于进一步发展清洁和可再生能源[2].进入21世纪信息化时代以后，随着电子设备功能越来越强，其耗电量也随之增长[3].但是电池技术的发展却没有跟上电子设备发展的脚步[4]，手机等一些随身设备没电可能是最大的烦恼之一.因此，不管是户外骑行、远足还是露营，移动电源成了标配的设备，可是如果移动电源也没电了呢？于是人们开始考虑如何充分利用野外环境资源实时发电，从而便捷式发电装置应运而生.目前在野外，比较常见的便携式发电装置大多利用太阳能发电[5-7]，但这种发电装置往往受天气影响较大.考虑到水是自然界中最环保和可靠的发电媒介之一，便捷式水力发电装置将是户外运动爱好者不错的选择.

本文设计的基于水涡轮动力的无线充电装置考虑利用自然界潺潺流动的无尽水源作为动力源.利用水涡轮发电机捕获江河流水动能，实现水动能到电能的转换，同时通过设计微能量收集模块、Qi无线充电系统，实现对手机等小型用电设备无线充电，实现简单，成本低，可以有效满足特定场合的应用需求.

1 国内外相关研究

针对小型水动力发电的消费级市场应用，国内外已经出现了一些小型便捷式发电装置的研究.

韩国新创公司研发的Enomad沿着清溪川建造3台小型水力发电机，在距其20 m外的人行道上安装了5个带有户外充电端口的充电台.每台水力发电机可以产生15～20 W的电力，手机和平板可以在2～4 h内完成充电.Enomad使用了简单的水涡轮机发电，对周围环境的影响可以降到最小化，并且便于拆装[8].

美国研发的Hydrobee提供一种给电池充电的离网型选择：先给自身涡轮蓄电池蓄电，然后再用电池给手机充电.Hydrobee的充电过程完全围绕水展开，它可以放在河流中或者是拖在小船后面，前提是水流速度超过1.8 m/s.2～4 h以后，电池就能充满.Hydrobee原型由一个小型水力发电涡轮机、充电电池、防水电子装置和USB 2.0接口组成，可以给自己的手机或其他支持USB接口的设备充电.Hydrobee内置了6节1.2 V的5号NiMH充电电池，容量为2 500 mAh，能产生总计15 000 mAh的电量.[9]

美国研发的Estream便携式水力发电机(见图1).Estream主要材质为ABS塑料和聚碳酸酯，规格为24.5 cm×6.5 cm，便于随身携带，将其涡轮叶片展开后，涡轮机直径为21 cm，重量为800 g，输出功率为2.5～5 W，电流被储存于6 400 mAh容量的锂电池.在一些水流较缓的小溪里也可以使用，还可以将它绑在小船后面，利用小船行进过程中的水流阻力来转化成电能.锂电池储满电量需要4～5 h，还可以通过一个功率为5 W的Micro-USB接口给电池蓄电.[10]

图1 Estream便捷式水力发电机

我国在该领域的研究相对来说更偏向于较大功率发电设备.浙江大学于2006年首先研制出5 kW级的水平轴式海流能发电装置，其流体传动国家重点实验室随后制造出了一部试验样机，在浙江省的附近海域进行了发电试验，并取得了成功[11]；哈尔滨工程大学研制出了垂直轴H型潮汐发电机，该潮汐发电装置采用沉底式安装方法，要求洋流流速在2 m/s以上，叶轮半径为一米的“水下风车”就能开始发电，而样机的设计额定功率为5 kW.[12]这些较大功率的发电设备不适合随身携带，而小功率的发电机组通常以汽油发电机组或柴油发电机组比较多，没有充分考虑利用清洁能源和可再生能源.

综上所述，国外对于便捷式发电装置的研究已有一些，但基本上都是带USB接口的有线方式充电，使用上有不便之处.国内更偏向于较大功率发电设备的研制，而小功率的发电机组通常以汽油发电机组为主，对于用于手机等小功率电子设备充电的便捷式发电装置的研究不多.因此，本项目拟研制的基于水动力涡轮发电的无线充电系统，主要对水动力涡轮发电系统和Qi无线充电技术进行了应用研究，可以有效解决野外小型电子设备电能耗尽的问题.

2 基于水涡轮动力的无线充电系统设计方案

基于水涡轮动力的无线充电装置主要由水动力涡轮发电系统、微能量收集电路、无线充电系统等部分组成.其中水动力涡轮发电系统主要包括涡轮桨叶、变速箱和发电机；无线充电系统包括电源转换电路、电压电流检测电路、A/D转换电路、处理器、指示电路和开关电路、逆变电路、发射线圈和接收线圈.系统整体硬件框架(见图2).

图2 基于水涡轮动力的无线充电系统框图

2.1 水动力涡轮发电系统设计

水动力涡轮发电系统框架结构(见图3).基于发电的可行性和可靠性考虑，本文采用桨叶式微型水流能发电装置作为江河湖泊流水的动能转电能的设备，主要针对在水流速度较小的情况(<2 m/s)，通过桨叶式水流能发电装置获取水的动能，并经过联轴器、齿轮增速箱将捕获的水流能量和叶轮转矩传递给发电机，发电机输出电能通过电缆传输给无线充电系统，输出功率指标设定为1～5 W.

图3 水动力涡轮发电机系统框图

2.2 微能量收集电路设计

由于微型水涡流发电机在一定水流流速下才有输出电压，输出电压具有不连续性、不稳定性，本文在发电机的输出端设计了一种针对该间歇式能量收集的电路.微能量收集电路主要负责收集微型水力发电机输出的不稳定非连续电压，转换为稳定的电压输出.本文采用了德州仪器(TI)公司研发的BQ2510芯片实现能量收集电路设计.BQ2510芯片是一款高集成、低功耗和高效升压的能量采集芯片，也是一款面向毫微级功率、集能量收集与管理于一体的芯片，适用于从微小能量中高效获取能源并对其管理的场合.本设计中，基于BQ2510的微能量收集电路设计(见图4).

图4 基于BQ2510的微能量收集电路

2.3 无线充电系统设计

电能无线传输采用了无线充电联盟(wireless power consortium，WPC)提出的Qi无线标准.Qi无线标准具有便携性和通用性两大特征，采用了较小的感应线圈，能够很容易地实现在较高频率下传输能量.发射器线圈携带交流电生成的磁场，通过感应使接收器线圈产生电压，完成能量的无线传输.线圈是电力传输的重要核心器件，在选型之前要先了解手机接收端的线圈参数(直径、电感值、耦合系数等)，以此作为参考选择发射线圈的系列参数，使充电效率能达到最高.

本文所提出的无线充电系统框架(见图5).无线充电系统主要完成对终端电子设备的无线充电，主要包含电源转换电路，存储器部分，控制电路部分，温度传感器，电流和电压检测电路等.电源转换电路将微能量收集模块输出的稳定的电压信号转换成充电装置各个模块所需的电压和电流.图5中存储器主要负责存储充电装置状态参数、控制参数等.控制电路部分主要包含温度控制单元、功率控制单元、A/D转换电路等，主要负责控制开关信号、输出功率的大小、检测电压与电流等参数指标[13-14]，同时也通过温度传感器对充电器的温度进行实时监测，防止充电温度过高烧坏电路.

图5 无线充电系统结构图

3 基于水动力涡轮的无线充电系统测试结果

通过电机编码器驱动不同转速的电动机，带动叶片旋转，不同负载情况下水动力涡轮发电机的输出电压波形(见图6)，发电机的功率曲线(见图7).从结果可以发现，本文研制的基于水动力涡流的无线充电系统工作状况良好，满足设计指标.

图6 不同转速下的输出电压测试结果

图7 发电机输出功率

4 结 语

本文采用水动力涡轮捕获江河小溪中流水的动能，实现水动能到电能的转换，并利用此电能实现了对手机等小型用电设备的无线充电.本文研究了水动力涡轮发电系统、微能量收集电路、无线充电系统等关键部分，最终成功设计了一套基于水动力涡轮的无线充电装置与系统，为户外运动者提出一种新型的能量保障，有效满足特定野外场合的能源需求.后续将在功能样机小型化和电能转换效率提升方面进一步研究，根据不同的水动力环境设计几款不同规格的小型化产品样机，提高水流发电机的能量转换效率，使得在低动力环境下也能满足工作需求.