本發(fā)明涉及一種通過(guò)利用聚焦的紅外線光束進(jìn)行無(wú)線輸電的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

幾十年來(lái)電池技術(shù)進(jìn)步緩慢，導(dǎo)致電池性能已經(jīng)成為智能移動(dòng)設(shè)備和小型iot(即物聯(lián)網(wǎng))設(shè)備最主要的性能瓶頸。容易理解，智能移動(dòng)設(shè)備和iot設(shè)備的計(jì)算能力，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換能力，無(wú)外部供電下的續(xù)航能力，傳感器精度及分辨率和多傳感器支持能力等一系列性能都會(huì)受到功耗和電池性能的影響。基于iot的智能家居系統(tǒng)，若想要實(shí)現(xiàn)iot智能控制系統(tǒng)自動(dòng)控制調(diào)整各設(shè)備的工作狀態(tài)，首先需要通過(guò)大量布置在各個(gè)房間或分布于每個(gè)房間內(nèi)各個(gè)角落的傳感器陣列獲得各種環(huán)境參數(shù)和用戶(語(yǔ)音或行為)指令，此時(shí)廣泛鋪設(shè)有線供電網(wǎng)絡(luò)則會(huì)顯著降低智能移動(dòng)設(shè)備和iot設(shè)備的用戶體驗(yàn)，并提高此類設(shè)備安裝的難度和獲得體驗(yàn)的門(mén)檻(因強(qiáng)電一般需要裝修領(lǐng)域的專業(yè)人士安裝接線，還有嚴(yán)重破壞裝修效果的問(wèn)題)。

因此，多年來(lái)，大量廠家和科研單位一直在研究多種不同的無(wú)線充電技術(shù)。當(dāng)前，最主要的無(wú)線充電技術(shù)還是基于源于上百年前尼古拉·特斯拉發(fā)明的無(wú)線輸電技術(shù)，主要包括電磁感應(yīng)技術(shù)(icpt)和電磁諧振技術(shù)(erpt)。另一種無(wú)線充電技術(shù)——電波輻射技術(shù)(mpt)因效率低(一般低于38％)，成本高和使用不便(遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，發(fā)射天線直徑可高達(dá)1km，接收整流天線直徑可高達(dá)10km)和很可能對(duì)健康產(chǎn)生危害(常用微波輸送能量)而少有應(yīng)用。當(dāng)前消費(fèi)電子產(chǎn)品主流無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)分別為qi標(biāo)準(zhǔn)、a4wo標(biāo)準(zhǔn)和pma標(biāo)準(zhǔn)。其中，a4wp采用效率較低但傳輸距離稍遠(yuǎn)的電磁諧振原理，qi采用效率較高但傳輸距離較近的電磁感應(yīng)原理。一個(gè)典型的qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電系統(tǒng)，傳輸10w功率時(shí)的轉(zhuǎn)換效率約為70％(更詳細(xì)地說(shuō)，當(dāng)前技術(shù)下，輸電和充電設(shè)備接觸，只有在充電和放電線圈距離在10mm及以下時(shí)，充電效率才能達(dá)到65％～75％)。而電磁諧振效率一般為50％～60％(因多用于數(shù)厘米到數(shù)十厘米的相對(duì)較遠(yuǎn)距離輸電)，現(xiàn)有技術(shù)下最高可支持?jǐn)?shù)十厘米的輸電距離。

上述兩種主要技術(shù)中，電磁感應(yīng)技術(shù)效率較高且電磁污染較少，但具有幾個(gè)局限性：1.充電線圈和接收線圈彼此位置需要吻合，兩者稍有偏差就可能引起充電效率的大幅度降低、2.線圈間的可用距離太短，一般僅有數(shù)毫米、3.一個(gè)充電線圈無(wú)法實(shí)現(xiàn)多設(shè)備同時(shí)充電。

相對(duì)而言，電磁諧振技術(shù)則沒(méi)有設(shè)備(線圈)間嚴(yán)格的位置要求，可實(shí)現(xiàn)數(shù)十厘米(放棄效率時(shí)可達(dá)數(shù)米)的充電距離，可輸出高達(dá)幾千瓦的大功率，而且支持一個(gè)充電線圈同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行充電。然而，電磁諧振需要直徑較大的充電線圈，會(huì)在充電線圈周?chē)贾镁哂邢喈?dāng)強(qiáng)度的電磁場(chǎng)(尤其是磁場(chǎng))，可能造成大范圍內(nèi)電子設(shè)備的電磁干擾，并會(huì)讓部分用戶(尤其是具備電磁波恐慌的周邊鄰居或者孕婦和老人)產(chǎn)生健康方面的心理焦慮。最后，開(kāi)放的磁場(chǎng)無(wú)法杜絕周?chē)渌脩簟敖桦姟钡目赡苄?。此外，根?jù)國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(icnirp)發(fā)布的對(duì)于電磁輻射的安全規(guī)范，對(duì)無(wú)線充電常用的3～150khz頻段的電磁波， 一般暴露的平均輻射場(chǎng)強(qiáng)不應(yīng)超過(guò)6.25ut，職業(yè)暴露不超過(guò)2.0/fut(其中f是工作頻率，單位為mhz)。計(jì)算可知，家庭室內(nèi)使用，電磁諧振技術(shù)如果用于對(duì)大范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行大功率充電，確實(shí)有超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。有研究顯示，對(duì)于3kw輸送功率為電動(dòng)充電汽車(chē)的無(wú)線充電系統(tǒng)，周邊最大場(chǎng)強(qiáng)可遠(yuǎn)超100ut，因此需在車(chē)身現(xiàn)有鋼板外再加額外的磁場(chǎng)屏蔽層，并在距離線圈中心870mm外的區(qū)域才能達(dá)到icnirp的安全標(biāo)準(zhǔn)。

由于上述問(wèn)題短期內(nèi)難以通過(guò)常規(guī)技術(shù)方法予以解決，受其限制，既便不考慮較長(zhǎng)距離上的轉(zhuǎn)化率限制，無(wú)線充電技術(shù)用于支持家庭內(nèi)的分布式智能無(wú)線設(shè)備和無(wú)線傳感器的充電應(yīng)用仍然具有很大的局限性。因此，在基于線圈間電磁感應(yīng)的常規(guī)無(wú)線充電技術(shù)外，許多廠家開(kāi)發(fā)了非常規(guī)的無(wú)線充電技術(shù)。如申請(qǐng)?zhí)枮?01520616783.6專利《免維護(hù)紅外探測(cè)器》，采用了在儀器內(nèi)部安裝wifi能量收集模塊的方案，作為太陽(yáng)能光伏板的補(bǔ)充。然而wifi信號(hào)所攜帶的能量極其微弱——典型無(wú)線路由器的天線發(fā)射功率只有幾十毫瓦，信號(hào)功率還要彌散在周?chē)臻g中，使得具體位置上能接收到的信號(hào)功率數(shù)值，與接收設(shè)備與天線距離呈平方的反比——，而受手持儀器的表面積限制，能獲得的太陽(yáng)能總量和穩(wěn)定性也存在問(wèn)題。此外，利用紅外線對(duì)移動(dòng)智能設(shè)備充電已經(jīng)是公知技術(shù)，如新聞報(bào)道，國(guó)外wi-charge公司已經(jīng)研究出利用安裝于室內(nèi)天花板上紅外線發(fā)射器向多個(gè)設(shè)備充電的紅外線無(wú)線充電原型機(jī)。然而新聞中，wi-charge公司也承認(rèn)全向輻射的紅外線充電技術(shù)，受到信號(hào)發(fā)射器所能傳輸?shù)哪芰可舷尴拗?，僅能用于低功耗設(shè)備的無(wú)線充電。限制wi-charge無(wú)線充電系統(tǒng)的主要問(wèn)題在于，假如將光源投射系統(tǒng)簡(jiǎn)化為點(diǎn)光源來(lái)計(jì)算，最后在接收紅外線的設(shè)備的具體位置上的紅外線光功率，和設(shè)備離發(fā)射紅外線的點(diǎn)光源的距離呈反比。這是利用紅外線和光進(jìn)行全向無(wú)線輸電帶來(lái)的必然問(wèn)題。理論上我們可以用提高紅外線輸出功率的方法增加設(shè)備的實(shí)際能量接收量，然而足以使小受光面積的移動(dòng)智能設(shè)備獲得足夠能量的大功率的紅外線會(huì)產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)，從而嚴(yán)重影響室內(nèi)人或動(dòng)物的舒適度，并且非常不利于空調(diào)和新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能。申請(qǐng)?zhí)枮?01510605142.5的專利《紅外充電器、紅外充電外接裝置和紅外充電方法》和申請(qǐng)?zhí)枮?01510604125.x的專利《一種紅外充電系統(tǒng)和紅外充電方法》，其具體情況和所存在的問(wèn)題與wi-charge無(wú)線充電系統(tǒng)類似。

需補(bǔ)充的是，太陽(yáng)能光伏板對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率較低，是因?yàn)榻孛娴奶?yáng)能包含了從遠(yuǎn)紅外線到近紅外線到可見(jiàn)光再到紫外線的一系列連續(xù)光譜，所以太陽(yáng)光中的能量分布在一個(gè)十分寬廣的連續(xù)光譜中。而單一材料的光伏板因?yàn)榱孔永碚撝械膸断拗频葐?wèn)題幾乎不可能吸收整個(gè)太陽(yáng)能光譜中的全部能量。以至于當(dāng)前的太陽(yáng)能光伏電池需要依賴極高成本的層疊式多節(jié)電池模式來(lái)提高轉(zhuǎn)換效率。所以在2014年，實(shí)驗(yàn)室中的光伏技術(shù)對(duì)含有紫外線(完全無(wú)法利用)、可見(jiàn)光、近紅外線和遠(yuǎn)紅外線的全光譜太陽(yáng)光僅實(shí)現(xiàn)了最高45.7％的轉(zhuǎn)換率。然而對(duì)于單一波長(zhǎng)的光線，光伏板容易通過(guò)各種優(yōu)化技術(shù)獲得較高的能量轉(zhuǎn)換率。如2013年，美國(guó)斯坦福大學(xué)等研究人員發(fā)現(xiàn)，用太陽(yáng)光加熱涂覆二氧化鉿陶瓷的鎢質(zhì)吸收器，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為紅外線熱輻射，可將太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換率提高到80％的水平(此成果發(fā)表在2013年10月16日出版的《自然·通訊》上)。制約該技術(shù)推廣的瓶頸不是如何讓光伏板對(duì)紅外線 的轉(zhuǎn)化率達(dá)到80％，而在于鎢質(zhì)吸收器在高溫下的壽命只有1至12個(gè)小時(shí)。需指出，此時(shí)吸收器發(fā)出的紅外線仍是連續(xù)光譜。易于理解，當(dāng)輻射中紅外線波長(zhǎng)分布更窄時(shí)，對(duì)應(yīng)優(yōu)化定制的紅外線光伏板成本可更低，而轉(zhuǎn)換效率可更高。

基于類似的思路，專利cn201110268224.7，《無(wú)線充電系統(tǒng)、光源提供裝置以及充電裝置》也提供了一種類似的，利用沿平板布置的單一波長(zhǎng)光源，向緊貼在該平板式光源上的被充電設(shè)備進(jìn)行以單色光譜的光為能量傳輸介質(zhì)的無(wú)線充電系統(tǒng)。然而專利cn201110268224.7也有其較大的局限性?？稍斠?jiàn)該專利說(shuō)明書(shū)第七頁(yè)，[0044]“光源提供裝置的面積可以做得很大，因此可以同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備充電”，以及[0048]“6.光源提供裝置采用平板結(jié)構(gòu)光泄露小，對(duì)環(huán)境或人體影響非常小”，再加上專利附圖中圖3，和權(quán)利要求書(shū)中，權(quán)利要求7“所述控制模塊根據(jù)電子設(shè)備的面積或位置選擇性地開(kāi)啟led陣列中的一部分或全部”。上述權(quán)利要求、說(shuō)明書(shū)和專利附圖中的說(shuō)明和圖示，指出了專利cn201110268224.7實(shí)際上采用了發(fā)光led陣列與光線接受設(shè)備緊貼的方案，輸電和充電設(shè)備的實(shí)際使用方法類似于采用qi標(biāo)準(zhǔn)的近距離無(wú)線輸電方案。該專利不得不采用輸電和充電設(shè)備緊貼方式輸電的原因，正是因?yàn)樯厦嫣岬降?，散射光線投射在某點(diǎn)上的能量與點(diǎn)光源與該點(diǎn)的距離的平方呈反比(在較大相對(duì)距離上，面光源的情況類似)的限制。這就顯著縮小了該專利的使用范圍和適用性。

為解決在較遠(yuǎn)距離下，以光為載體傳遞能量時(shí)，未指向需要充電的設(shè)備的無(wú)用能量損耗過(guò)大的問(wèn)題，申請(qǐng)?zhí)枮閏n201510421496.4《一種小功率無(wú)線充電裝置》的專利提供了一種能通過(guò)“尋向機(jī)”自動(dòng)旋轉(zhuǎn)“電光轉(zhuǎn)換器”，從而實(shí)現(xiàn)讓“電光轉(zhuǎn)換器”通過(guò)兩軸圓周掃描的方法找到和對(duì)準(zhǔn)需要充電設(shè)備的“光電轉(zhuǎn)換器受光面”，并發(fā)出能照射到“光電轉(zhuǎn)換器受光面”的“光柱”實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。相對(duì)于上面提到的其他利用全向輻射的光能實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電的專利，專利cn201510421496.4采用了定向的光路，這就減少了無(wú)用的紅外線損耗。然而該方案也存在不足之處，首先是對(duì)于大部分應(yīng)用下，“尋向機(jī)”及其控制機(jī)構(gòu)的成本過(guò)高的問(wèn)題：對(duì)于大部分智能移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，為滿足移動(dòng)便利性要求，設(shè)備的表面積是較小的。而且如手機(jī)和平板電腦等正在使用中的智能移動(dòng)設(shè)備很難保持其位置固定不變。所以，如果需要充電的設(shè)備離該專利中所述的“電光轉(zhuǎn)換器”較遠(yuǎn)(如數(shù)米或數(shù)十米)，易于從平面幾何原理推知(相似三角形某條邊的邊長(zhǎng)(即尋向機(jī)與用電設(shè)備的距離)放大十倍，其他邊的邊長(zhǎng)也要放大十倍，此時(shí)為在某條邊上獲得相同數(shù)值的直線距離(如某個(gè)移動(dòng)設(shè)備上光伏板短邊邊長(zhǎng)的一半)定位精度，角度定位分辨率也需要放大十倍)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)自尋的功能的“尋向機(jī)”，其角度定位精度必須很高才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的指向，這就大幅度提高了機(jī)械系統(tǒng)的成本并增加了掃描時(shí)間?；蛘咝枰ㄟ^(guò)增加光柱的直徑來(lái)增加光柱的覆蓋面積，以大幅度犧牲總體轉(zhuǎn)換率的代價(jià)降低“尋向機(jī)”的空間角度定位精度要求。其次，與基于電磁諧振的無(wú)線充電技術(shù)不同，即使該專利的無(wú)線充電裝置確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)足夠高的尋的定位精度，光伏板與光柱之間的夾角也會(huì)顯著影響光電轉(zhuǎn)換率。大量對(duì)太陽(yáng)能和光伏板的研究顯示，光路與光伏板之間的夾角在80～90度間才能獲得最高的轉(zhuǎn)換率，而當(dāng)夾角逐漸變小時(shí)，轉(zhuǎn)換率會(huì)大幅度下降，相比最優(yōu)角度，大夾角時(shí)轉(zhuǎn)換效率下降幅度甚至可達(dá)85％以上。這就是為何太陽(yáng)能光伏發(fā)電站必須配 備太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，時(shí)刻調(diào)整光伏板對(duì)太陽(yáng)的指向的原因。所以專利cn201510421496.4的技術(shù)方案只解決了紅外線充電系統(tǒng)中關(guān)于尋向的一部分問(wèn)題，難以兼顧轉(zhuǎn)換效率，從而只能被限制于小功率無(wú)線充電用途。再加上在無(wú)線充電系統(tǒng)中增加“尋向機(jī)”和在需充電設(shè)備中增設(shè)“導(dǎo)向探頭”導(dǎo)致整個(gè)尋向系統(tǒng)需要高昂的系統(tǒng)成本，和精確掃描和定位需供電設(shè)備的空間位置所需要花費(fèi)的大量時(shí)間，并需要對(duì)需供電設(shè)備進(jìn)行額外改造——增設(shè)導(dǎo)向探頭(105)。所以該方案用于小功率設(shè)備的無(wú)線充電的經(jīng)濟(jì)性和適用性不佳。再次，該方案無(wú)法解決led發(fā)光元件和光伏板在傳遞功率光束時(shí)必然產(chǎn)生的發(fā)熱導(dǎo)致兩者轉(zhuǎn)換效率和壽命降低的問(wèn)題。最后，對(duì)于專利cn201510421496.4的附圖18中所示的，被輸電設(shè)備在光電轉(zhuǎn)換器(101)上只設(shè)一個(gè)導(dǎo)向探頭(105)的情況，其自動(dòng)定位方案實(shí)際上只能定位產(chǎn)生“十”字掃描光帶的橫向掃描槍或者縱向掃描槍中的一個(gè)(因?yàn)橐栽搶＠f(shuō)明書(shū)所述的掃描方式，當(dāng)其縱向“1”字形光帶掃描至導(dǎo)向探頭(105)后，探頭(105)的傳感器上一直存在光電信號(hào)，此時(shí)橫向“一”字光帶是否掃描到探頭(105)是難以判斷的。原因是因?yàn)闊o(wú)線充電距離的多變性(對(duì)于點(diǎn)光源，空間上某點(diǎn)上光信號(hào)的強(qiáng)度與距離的平方呈現(xiàn)反比)和定位轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械不可避免的振動(dòng)會(huì)造成狹縫光帶照射下光電信號(hào)強(qiáng)度總在實(shí)時(shí)變化的問(wèn)題，想要依靠光電信號(hào)強(qiáng)度變化確定導(dǎo)向探頭(105)是否處于“十”字掃描信號(hào)的中心點(diǎn)是很困難的)——易于理解，要同時(shí)不受干擾地定位橫向掃描槍和縱向掃描槍的“一”形和“1”形定位光帶的位置，實(shí)際上需要在光電轉(zhuǎn)換器(101)上布置兩個(gè)不重合的導(dǎo)向探頭(105)來(lái)各自確認(rèn)“一”形和“1”形定位光帶已經(jīng)分別定位。換言之，專利cn201510421496.4的方案具還存在技術(shù)問(wèn)題。

此外，當(dāng)前光學(xué)技術(shù)已經(jīng)比較完善，如激光筆因?yàn)榧す忸l率的一致性導(dǎo)致光路在透鏡中的折射率不變，易于定制聚焦鏡片的曲率等參數(shù)，從而將激光聚焦成平行光束。有國(guó)外報(bào)道顯示，市售的激光筆配合定制的驅(qū)動(dòng)電路(信號(hào)調(diào)制電路)，可以將數(shù)字信息調(diào)制到激光的閃爍頻率中去，并傳遞到172公里遠(yuǎn)外的接收器進(jìn)行解調(diào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息(實(shí)驗(yàn)中是音樂(lè)信號(hào))的超遠(yuǎn)程傳輸。而現(xiàn)有的騎行等用途的led強(qiáng)光電筒，在低成本下，雖然其白光led發(fā)出的是非單一頻率的連續(xù)光譜，導(dǎo)致不同頻率的光在透鏡中的折射率不同，然而通過(guò)合理的光路設(shè)計(jì)，還能做到將led發(fā)出的光聚焦到幾十米(一般為40至90米)外的，直徑約為幾厘米到幾十厘米(具體直徑一般通過(guò)鏡片間的距離進(jìn)行調(diào)整)的圓形光斑上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于可在中長(zhǎng)距離上對(duì)固定位置的移動(dòng)智能設(shè)備、智能傳感器或其他無(wú)線設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電的裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種無(wú)線輸電系統(tǒng)，包含底座、轉(zhuǎn)向定位機(jī)構(gòu)、發(fā)射端、紅外發(fā)射器、透鏡安裝座、聚焦系統(tǒng)。底座用于固定設(shè)備位置，并含有供電電路、控制系統(tǒng)、紅外線led驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；所述轉(zhuǎn)向定位機(jī)構(gòu)一端固定在底座上，另一端固定于發(fā)射端，為具備一定剛度的可彎曲的空心管、關(guān)節(jié)軸承或桿端關(guān)節(jié)軸承，內(nèi)含可供光纖或?qū)Ь€通行的通道；所述發(fā)射端用于固定和安裝透鏡安裝座的空間位置和具體空間指向，并可通過(guò)對(duì)紅外線光路側(cè)邊的大深度遮蔽阻圈來(lái)?yè)跷⒘康纳⑸浼t外光，以防止干擾室內(nèi)攝像頭等傳感器 的拍攝和感光效果；所述透鏡安裝座為圓桶形結(jié)構(gòu)，其底部安裝有紅外發(fā)射器，沿其長(zhǎng)度方向布置若干透鏡形成聚焦系統(tǒng)。所述聚焦系統(tǒng)，其各構(gòu)成鏡片可以是若干凹透鏡與凸透鏡組成的鏡片組，也可以是若干成本較低的菲涅爾鏡片組成的鏡片組，這些鏡片組通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，可將紅外發(fā)射器發(fā)出的散射的紅外線聚焦為近似平行的光束，并從發(fā)射端開(kāi)口處射向預(yù)定的位置；當(dāng)本裝置的底座位置固定，需要接受無(wú)線輸電的用電設(shè)備位置也固定時(shí)，通過(guò)手動(dòng)或者附加的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)發(fā)射端指向用電設(shè)備的紅外線接收器，就可以實(shí)現(xiàn)采用聚焦的紅外線光束定向傳遞能量。用電設(shè)備則通過(guò)接收器中對(duì)應(yīng)的光伏板將紅外線轉(zhuǎn)化為所需的電能。

本發(fā)明的有益效果：本無(wú)線輸電系統(tǒng)可將電能轉(zhuǎn)換為聚焦后的，接近于平行的紅外線光束，定向傳遞給較遠(yuǎn)距離外需要無(wú)線供電的設(shè)備，并由該設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能以實(shí)現(xiàn)無(wú)線輸電，且成本很低；同時(shí)因?yàn)榧t外光束能夠?qū)崿F(xiàn)定向收斂而非全方位發(fā)散的無(wú)線傳輸，不會(huì)影響周?chē)h(huán)境舒適度、不會(huì)造成電磁污染和干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明專利主體結(jié)構(gòu)的示意簡(jiǎn)圖。圖中，1底座，2轉(zhuǎn)向定位機(jī)構(gòu)，3發(fā)射端，4透鏡安裝底座。

圖2是本發(fā)明發(fā)射端內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。圖中，2轉(zhuǎn)向定位機(jī)構(gòu)，4透鏡安裝底座，5聚焦系統(tǒng)，6紅外線發(fā)射器。

圖3是一種用電設(shè)備上可行的紅外線收集機(jī)構(gòu)原理示意簡(jiǎn)圖。圖中，7光伏板，8聚光管。

具體實(shí)施方式

在圖1中，底座1通過(guò)配重或吸盤(pán)等機(jī)構(gòu)可穩(wěn)固拜訪和固定在所需位置，內(nèi)部含有供電電路、控制系統(tǒng)、紅外線led驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并通過(guò)電源線從外部獲得電源供應(yīng)，所述紅外線led驅(qū)動(dòng)系為紅外led驅(qū)動(dòng)電源模塊，或包含驅(qū)動(dòng)電源的紅外led模組。轉(zhuǎn)向定位機(jī)構(gòu)2一端連接在底座1上，另一端連接安裝在發(fā)射端3內(nèi)的透鏡安裝底座4，轉(zhuǎn)向定位機(jī)構(gòu)2的結(jié)構(gòu)為具有一定剛度且可彎曲的彈性管道(如不銹鋼波紋管等)、或關(guān)節(jié)軸承、或桿端關(guān)節(jié)軸承，且彈性管道、關(guān)節(jié)軸承或桿端關(guān)節(jié)軸承內(nèi)有安裝導(dǎo)線或光纖的通道。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，只要通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就能確保轉(zhuǎn)向定位機(jī)構(gòu)2因?yàn)椴y管的內(nèi)應(yīng)力平衡，或關(guān)節(jié)軸承和桿端關(guān)節(jié)軸承的附加摩擦力(可通過(guò)改變公差數(shù)值，或在軸承內(nèi)添加附加阻尼墊片等附件實(shí)現(xiàn))，在轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射端3的指向后，轉(zhuǎn)向定位機(jī)構(gòu)2能夠長(zhǎng)期保持發(fā)射端3當(dāng)前相對(duì)于底座1的空間位置和具體指向。因?yàn)橥哥R安裝底座4安裝在發(fā)射端3，并受到發(fā)射端3的牢固固定，所以如果底座1位置固定，則當(dāng)發(fā)射端3的位置和指向通過(guò)手工或自動(dòng)定位系統(tǒng)扳動(dòng)而確定后，透鏡安裝底座4的空間位置和指向也同時(shí)獲得確定。

在圖2中，所述紅外線發(fā)射器6為能夠發(fā)射紅外線的部件，即紅外led芯片，或者紅外線光纖端頭。需補(bǔ)充，當(dāng)紅外線發(fā)射器6為紅外線led芯片時(shí)，轉(zhuǎn)向定位機(jī)構(gòu)2內(nèi)部管道中安裝有紅外led芯片供電的導(dǎo)線，透鏡安裝底座4為金屬，尤其是鋁制部件，同時(shí)作為led芯片的散熱器；當(dāng)紅外線發(fā)射器6為紅外線光纖端頭時(shí)，轉(zhuǎn)向定位機(jī)構(gòu)2內(nèi)部管道中安裝有 紅外線光纖，而紅外led芯片則安裝在圖1中的底座1內(nèi)，即可通過(guò)適當(dāng)?shù)耐哥R組和光路將底座1內(nèi)的若干紅外led芯片陣列發(fā)出的紅外光聚焦后通過(guò)轉(zhuǎn)向定位機(jī)構(gòu)2內(nèi)的光纖輸送到聚焦系統(tǒng)5之前。將紅外led芯片放置于體積較大并可用采用大面積散熱片和散熱風(fēng)扇等輔助散熱手段的底座1內(nèi)，可以放寬布置led陣列時(shí)受到的體積和散熱限制，使發(fā)射端3相對(duì)于前一種方案，可以輸出更高功率的紅外光束。

易理解，無(wú)論紅外線發(fā)射器6為紅外led芯片，還是紅外線光纖端頭，其都能釋放具有一定功率的紅外線。并因可定制紅外led芯片使得光譜中能量分布具備集中性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量分布比例最高的光段譜，通過(guò)由若干對(duì)應(yīng)該光譜段頻率折射率已定的透鏡組成的聚焦系統(tǒng)5，聚焦為高度近似平行光的狹窄光束。而且因?yàn)檩d能光譜頻率段較窄的原因，透鏡的加工要求和成本可大大降低，并可采用若干加工成本最低(因?yàn)樾纬伤枨什恍枰苎心スに?的菲涅爾透鏡組成聚焦系統(tǒng)5。只要確保從聚焦系統(tǒng)5射出的紅外線光束中，載能比例最高的主要光譜頻段的光線在實(shí)用距離上(對(duì)于一般的室內(nèi)無(wú)線輸電應(yīng)用，保持紅外光束在幾十米內(nèi)不明顯發(fā)散即可)能夠形成近似平行的狹窄光束，則遠(yuǎn)距離能量傳輸?shù)膿p耗僅有少量塵埃造成的散射，實(shí)際傳輸損耗可忽略不計(jì)。而不會(huì)產(chǎn)生全向散射的紅外線輸電技術(shù)共有的，空間位置上某點(diǎn)或某截面上獲得的紅外線輻射能量與該點(diǎn)和點(diǎn)光源的距離呈反比的問(wèn)題。

為進(jìn)一步降低組成聚焦系統(tǒng)5的鏡片組，和透鏡安裝底座4的加工精度要求，以及聚焦系統(tǒng)5在透鏡安裝底座4上安裝的距離和同軸度要求，即進(jìn)一步降低發(fā)射端3輸出的紅外線光束的平行度要求，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，可對(duì)需要無(wú)線供電的用電設(shè)備的紅外線接收部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖3是一個(gè)可行的用電設(shè)備的紅外線接收部件的接收率增強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。

在圖3中，安裝在用電設(shè)備上的光伏板7固定于聚光管8的底部。所述光伏板7應(yīng)由相對(duì)傳統(tǒng)硅基光伏板而言，對(duì)紅外線轉(zhuǎn)換效率較高的材料制成，此類材料如砷化鎵、鈣基(如鈣鈦晶體)、納米銀、金屬-半導(dǎo)體復(fù)合物、量子點(diǎn)或鐵電光伏板，均為公知技術(shù)。所述聚光管8為金屬質(zhì)地的錐形管和對(duì)直徑較小端進(jìn)行封閉的金屬圓板構(gòu)成(也可一體沖壓制造)，材質(zhì)宣為鋁。聚光管8內(nèi)壁應(yīng)通過(guò)精磨、電解磨削或電鍍等方法加工為光滑鏡面，使未能正對(duì)光伏板7射入聚光管8的紅外線光束進(jìn)行鏡面反射，以提高光伏板7上紅外線的獲得率。此外，當(dāng)光伏板7上獲得一定功率的聚焦的紅外線光束照射后，光伏板7容易發(fā)生較高的溫升而降低光電轉(zhuǎn)換效率，此時(shí)具有遠(yuǎn)大于光伏板7表面積和總熱容量的聚光管8可以成為光伏板7的被動(dòng)散熱器，從而使光伏板7的溫升大幅度降低以保障轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)也可以通過(guò)聚光原理使光伏板7的面積減小數(shù)倍，從而大幅度降低光伏板7的使用成本，或者在可接受的成本下采用具備更高轉(zhuǎn)換率材料的光伏板7。為盡可能提高光伏板7的轉(zhuǎn)換效率，安裝光伏板7的聚光管8在用電設(shè)備上宣設(shè)計(jì)為角度可調(diào)機(jī)構(gòu)，以便于用戶手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整聚光管8針對(duì)于發(fā)射端3的夾角，以保證光伏板7的光照夾角處于較小值。

實(shí)際使用中，假設(shè)某個(gè)發(fā)射端3內(nèi)通過(guò)聚焦系統(tǒng)5聚焦后發(fā)射發(fā)出的紅外光功率約為6瓦左右(如使用3顆標(biāo)稱功率為3瓦的紅外led燈珠作為紅外光源，為簡(jiǎn)化計(jì)算取實(shí)際輸出 值為6瓦)，以室內(nèi)或車(chē)內(nèi)空氣潔凈度估算，在25米外經(jīng)過(guò)塵埃散射后用電設(shè)備的光伏板7能獲得5.7瓦以上的紅外線光束能量。出于經(jīng)濟(jì)性考慮，假設(shè)對(duì)給定頻率的紅外線定制優(yōu)化的光伏板7，在對(duì)紅外線實(shí)際使用夾角下的平均光電轉(zhuǎn)換率為45％，則當(dāng)單個(gè)發(fā)射端3對(duì)準(zhǔn)用電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線輸電時(shí)，用電系統(tǒng)可獲得穩(wěn)定的2.57瓦供電(已大于usb1.0規(guī)范的最大供電功率為5伏500毫安所提供的2.5瓦供電，更常見(jiàn)的是350毫安)。使用兩個(gè)發(fā)射端3對(duì)同一用電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線輸電時(shí)，功率已經(jīng)可以驅(qū)動(dòng)常用的，不帶紅外補(bǔ)光功能的室內(nèi)監(jiān)控用攝像頭。對(duì)于常規(guī)的室內(nèi)溫濕度和光照亮度等無(wú)線傳感器來(lái)說(shuō)，2.57瓦供電功率已經(jīng)有足夠的功率裕量。而對(duì)于功耗更高的無(wú)線用電設(shè)備，可通過(guò)提高為發(fā)射端3提供紅外線的光源功率強(qiáng)度(如使用更多的大功率紅外線燈珠)，或采用更多數(shù)量的發(fā)射端3對(duì)其進(jìn)行供電，也可通過(guò)采用對(duì)于給定頻率的紅外線轉(zhuǎn)換效率更好的光伏板7提高實(shí)際電能獲取量，甚至可以用轉(zhuǎn)換率更低的光伏板配合更多的led紅外芯片以降低轉(zhuǎn)換效率的方法節(jié)約用電設(shè)備成本。需指出，對(duì)于光伏板7和聚光管8，增設(shè)少量升壓和穩(wěn)壓電路后，則該紅外線接收部件可作為獨(dú)立組件(等同于充電寶和移動(dòng)電源)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)usb輸出口等等通用供電接口，也可對(duì)前市場(chǎng)上已有的不同型號(hào)的直流供電設(shè)備進(jìn)行供電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有智能設(shè)備由有線供電升級(jí)為無(wú)線供電設(shè)備。這對(duì)于降低此類設(shè)備的安裝和使用門(mén)檻，防止破壞裝修效果等方面有很大助益。該紅外線接收部件也可用于對(duì)傳統(tǒng)低功耗設(shè)備增設(shè)高功耗應(yīng)用時(shí)進(jìn)行輔助供電，如可在行車(chē)記錄儀上添加自動(dòng)導(dǎo)航模塊、通訊模塊和跑偏報(bào)警模塊，并增加平行顯示(又叫抬頭顯示，英文縮寫(xiě)為hud，即headupdisplay，通過(guò)微型投影儀將圖像投影在汽車(chē)等交通工具的擋風(fēng)玻璃上，以便于駕駛員在不低頭查看儀表盤(pán)等實(shí)時(shí)了解各種數(shù)據(jù)信息)輸出功能。

作為優(yōu)選，為進(jìn)一步提高本專利的無(wú)線輸電系統(tǒng)的適用性，宜在底座1內(nèi)增設(shè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以便于與需要無(wú)線供電的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以確定當(dāng)前用電設(shè)備的電池電壓是否過(guò)低，是否需要開(kāi)啟或者關(guān)閉對(duì)應(yīng)于該設(shè)備的發(fā)射端3的紅外線傳輸。與此同時(shí)，底座1內(nèi)宣增設(shè)智能控制系統(tǒng)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲得及存儲(chǔ)各無(wú)線用電設(shè)備的工作參數(shù)和工作時(shí)間等代碼和數(shù)據(jù)，成為控制這些用電設(shè)備開(kāi)啟或關(guān)閉(對(duì)于無(wú)線傳感器等不需要設(shè)置充電電池的設(shè)備，可直接通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)閉無(wú)線輸電來(lái)控制此類設(shè)備的開(kāi)關(guān))的iot控制中心。此時(shí)，對(duì)于室內(nèi)監(jiān)控?cái)z像頭之類可變功耗(如在室內(nèi)無(wú)人時(shí)，通過(guò)降低傳感器和視頻處理電路的采樣頻率，或在室內(nèi)有光照時(shí)關(guān)閉紅外線補(bǔ)光燈等方法降低功耗)的無(wú)線用電設(shè)備，本專利的無(wú)線輸電系統(tǒng)可控制和識(shí)別該設(shè)備當(dāng)前處于何種功耗的工作狀態(tài)下，以實(shí)時(shí)改變供電功率(如關(guān)閉多個(gè)發(fā)射端3中的一個(gè)或數(shù)個(gè)，或者降低或提高led供電電路的電流數(shù)值)。

作為優(yōu)選，如為控制本專利的無(wú)線輸電系統(tǒng)的成本，可不采用自動(dòng)定位系統(tǒng)對(duì)發(fā)射端3進(jìn)行用電設(shè)備指向定位。此時(shí)為了便于觀察手動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射端3時(shí)是否已經(jīng)指向聚光管8內(nèi)的光伏板7，可在底座1(當(dāng)紅外led設(shè)在底座1內(nèi)時(shí))添加一個(gè)發(fā)射可見(jiàn)光的led，在或發(fā)射端3上添加一個(gè)光路平行于紅外光束的定向可見(jiàn)光發(fā)射器。以便于用戶在手動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射端3時(shí)，通過(guò)與紅外光束重合或平行緊貼的可見(jiàn)光點(diǎn)位置，來(lái)判斷不可視的紅外線光束對(duì)準(zhǔn)的位置是否符合預(yù)期。