张日飞
广西润宏水利水电勘测设计有限公司 广西 530000
摘要:本文论述了水动力涡轮的无线充电系统，利用自然界的流水作为动力源，充分发挥出江河流水的功能，高效转换水能为电能，设计微型能量收集电路和无线充电电路，实现无线充电的功能。利用水动力涡轮的无线充电系统可以满足功能要求，充电工作非常简单，可以降低整体工作成本，满足特定场合的工作需求。
关键词：水动力涡轮；无线充电系统；设计方式；微能量
在水利发电过程中，充分利用了清洁能源和可再生能源，开发水利工程的过程中，建设多层次能源，综合利用水力资源，同时可以综合治理合理，促进我国可再生能源的开发利用。在信息时代，我国不断丰富电子设备的功能，也逐渐增加了耗电量，但是电池技术发展速度却不协调电子设备发展，手机等随身设备没电影响到人们的日常生活。因此需要利用野外华景资源实现充电，快速发展了便捷式发电装置。在野外广泛利用太阳能发电，优化便携式发电装置，但是天气因素却直接影响到这种发电装置，自然界中比较环保的的发电媒介是水资源，因此户外运动者注重利用便携式水力发电装置。
本文论述了水动力涡轮的无线充电系统，系统电力源是自然界中的水源，利用水动力涡轮发电机发挥流水的功能，高效转换水动能为电能，通过优化设计微能量收集模块和无线充电系统，可以无线充电收集设备，检查充电工作，降低了充电成本，人们在特定场合都可以实现充电工作。
一、概述我国相关研究
（一）国外研究
根据小型水动力发电的市场情况，国内外不断研究小型轻便式发电装置。例如韩国沿着清溪川设置小型水利发电机，在20m外的人行道安装充电台，树立发电机的电力达到15W以上，在3小时左右手机和平板即可完成充电工作。该设计利用水涡轮机发电方式，不会较大的影响周围环境，拆装工作也非常方便。【1】
美国研发的离网型电池充电系统，利用涡轮蓄电池发挥蓄电功能，再利用电池完成手机充电。在充电过程中主要是围绕水，可以在水流中和在小船后面。但是要保障水流速的在1.8m/s以上。在3h左右的时间，可以充满电池。该设计主要包括小型水力发电涡轮机和防水电子装置以及USB接口等部，可以支持手机等设备充电。在系统内部设置了6节充电电池，电池容量达到2500mAh以上。
美国研发了便捷式发电机，主要利用ABS塑料和聚碳酸酯等材料，方便热门随身携带，展开涡轮叶片值，涡轮机直径可以达到21cm，控制输出功率在2.5~5W范围内，利用锂电池储存6000mAh容量。在小溪中可以使用水力发电机，也可以将发电机绑在小船后面，利用小船行驶过程中的水流阻力，因此转化为电能，经过4~5h可以储满锂电池的电量，主要是利用USB接口实现蓄电。
（二）国内研究
我国有关水动力涡轮的无线充电系统的研究注重发展大功率发电设备，浙江大学首先研究了水平轴式海流能发电装置，国家实验室逐后来制造了试验样机，并实施发电试验，获得成功。哈尔滨工程大学研制了垂直轴潮汐发电机，利用沉底式安装方法，海流流速达到2m/s以上，利用水下风车实施发电，样机额定功率达到5KW以上，但是这种大功率发电设备无法实现随身携带，而小功率发电机主要是利用柴油、汽油发电机，没有发挥清洁能源和可再生能源的作用。【2】
外国致力于研究便捷式发电装置，装置中利用USB接口有线方式实现充电功能，使用过程不够便捷，国内注重研制大功率发电设备，很少研究小功率电子设备发电装置，因此本文研究了水动力涡轮的无线充电系统，主要是研究水动力涡轮发电系统和Qi无线充电技术，可以解决小型电子设备电能耗问题。
二、水动力涡轮的无线充电系统设计方案
在信息时代，智能手机实现实现了大众化，智能收集屏幕较大，并且具有多样化功能，赐你当前人们更加关注手机电池电量，在手机充电过程中会利用各种数据线，此外手机接口存在进水和进灰尘等风险，需要研究更加方便和可靠的充电方法。此外很多户外运动者在户外运动之后，手机等运动装置没电之后，充电工作非常困难，因此急需要利用野外资源实时发电。
水动力涡轮的无线充电装置结构并不是十分复杂，主要包括水动力涡轮发电系统和微能量收集电路和无线充电系统等。水动力涡轮发电系统包括发呆年级和变速箱以及涡轮电路等装置。无线充电系统包括电源转换器和A/D转换电路以及处理器等装置。
（一）设计水动力涡轮发电系统
为了保障发电工作的稳定性，利用桨叶式微型水流能发电装置，有效转化流水动能为电能，如果水流速度比较小，可以利用桨叶式水流能发电装置增强水动能，再利用联轴器和齿轮增速箱向发电机传递水流能量和叶轮转矩，发电机主要是利用电缆向无线充电系统传输电能，设置输出功率在1~5W范围内。【3】
（二）设计微能量收集电路
在水流流速的影响下，微型水涡流发电机可以发出电压，这种电压缺乏连续性和稳定性，因此在发电机输出端设置间歇式能量收集电路，利用该电路收集不稳定性的电压，保障电压输出的稳定性。在系统中可以利用BQ2510芯片设计能量收集电路，该芯片具有高集成和低功耗的优势，可以达到毫微级功率，同时可以全面收集能量，发挥着管理功能，可以高效的获取微小能量，可以进一步优化设计微能量收集电路。
（三）设计无线充电系统
电能无线传输中利用Qi无线标准，可以提升系统的便捷性和通用性，在系统设置感应线圈，可以高频率的传输能量。利用发射器线圈的交流电形成特定磁场，接收器线圈因此形成电压，可以无线传输能量。电力传输的重要设备的线圈，在线圈选型之前，设计人员需要了解手机线圈直径和电感值以及耦合系数等参数，在发射线圈选择过程中参考这些参数，可以显著提高充电效率。【4】
利用无线充电系统可以无线充电终端电子设备，其中利用电流转换电路可以转化微能量收集模块的电压信号，进而为充电装置的不同模块提供针对性的电压和电流。存储器可以存储充电装置的各类参数。控制电路主要包括温度控制单元和功率控制单元等，可以合理控制开关的信号，把握输出功率，准确的检测电压和电流等，利用温度传感器可以实时监测充电器温度，避免温度过高烧坏了电路。
三、测试水动力涡轮的无线充电系统
在测试工作中，利用电机编码器驱动各类电动机，叶片因此被带动旋转，在各类负载背景中，水动力涡轮发电机可以输出波形电压，下图是发电机的功率曲线。因此可以确定水动力涡轮的无线充电系统可以保障良好的工作状况，同时可以满足各类设计指标。【5】
发电机输出功率
结束语：
本文分析轮述了水动力涡轮的无线充电系统，利用水动力涡轮获取流水动能，有效转换水动能为电能，在小型用电设备无线充电过程中利用该电能，为户外工作者提供能量保障，满足野外场合能源需求。在今后发展过程中，我国需要研究功能样机小型化，提升电能转换效率。根据水动力环境优化设计小型化产品样机，利用水流发电机高效转换能量，在低动力环境中可以全面满足工作要求。
参考文献：
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[2]甄琦,谷智渊,闫丽萍,赵翔.磁超材料提升无线充电系统效率机理分析[J].无线电工程,2020,50(09):786-791.
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[4]徐栋,王冬青.磁共振无线充电技术功率传输效率提高方法综述[J].制造业自动化,2020,42(08):97-99+121.
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