基于使用无线充电系统和传统有线电源适配器的节电比较

Ron Hui教授，IEEE院士
电力电子研究中心主任
香港城市大学
2009年8月21日

1. 引言

把无线充电系统应用于一系列便携式消费电子产品，可实现以下突破：

1. 形成服务于广泛电子消费产品的通用充电平台；
2. 减少传统充电器（即多余的充电装置）的数量；
3. 减少制造和包装这些传统充电器所需的电耗和自然资源；
4. 减少运输这些传统充电器的运输能耗；
5. 减少因缺乏通用充电平台而泛滥的大量传统充电器所产生的有毒及不可进行生物降解的电子废物的数量；
6. 减少处理和清理传统充电器产生的大量电子废物所需的人力、资源、设施和能源（电耗）。

本文主要比较传统有线电源适配器与无线充电器在电耗方面的优劣势。本文对以下两个系统作出比较：

1. 外部交流-直流电源（通常称为电源适配器）。
2. 无线电源包括：
   • 交流-直流适配器
   • 发射电子设备
   • 发射器线圈
   • 接收器线圈
   • 接收器中的整流电路。

2. 案例研究一——单负载与多负载的充电及待机功率

本案例旨在研究有线电源适配器和无线充电器的能耗，包括(i)充电功率和(ii)待机功率。由于降低待机功率的技术已经面世且有关技术均可应用于有线和无线充电器，本研究将使用能从公开信息来源中获取的有关待机功率损耗和效率的技术数据。

本研究的考虑因素和所用假设如下：

• 使用能源之星网站(energy star website)中交流-直流外部电源适配器的“空载或待机功率消耗”数据[1]。
• 根据[1]的结果，可发现5瓦有线充电器空载时一般消耗0.14瓦特的功率（即待机功率为0.14瓦特）。考虑到在初始充电阶段才需要达到峰值功率，加上在电池充满时充电功率必须降低，因此我们假设平均充电功率为2瓦。
• 假设外部电源适配器每天通电24小时且每天使用1小时。
• 假设无线充电器取代1、2、3…6个有线电源适配器。
• 假设无线充电器消耗0.14瓦特的待机功率。
• 假设无线充电器每天通电24小时且每天使用X小时（由于设备可并联充电，因此X取值为1至n之间，n指无线充电器所取代的有线电源适配器的数量）。
• 假设有线电源适配器负载时的效率为72%。
• 由于无线系统中附加了电路和元件，因此我们假设无线充电器负载时的效率为有线充电器的70%（即约为50%）。

根据上述考虑因素和假设，比较结果如表1所示。

表1：无线与有线充电器在充电及待机模式下的能耗对比

3. 案例研究二——单次充电的总能耗及其他能耗

有关IT产品的消费者行为调查显示，消费者往往经常购买新产品。手机等便携式电子产品的平均使用周期为12-18个月。以下分析以有线电源适配器及无线充电系统的能耗为基础。我们将研究以下因素：

1. 5年间单次充电的总能耗。
2. 生产两种系统的塑料外壳的能耗。

分析中假设：

1. 手机的使用周期为1.5- 2年（由消费者行为造成）。 
2. 若不使用无线充电器，每次销售新产品均需生产一款手机和一款有线电源适配器。 
3. 5年内，由于更换手机需生产3款传统有线电源适配器，而同一款无线充电系统可持续使用。 
4. 不考虑生产电子元件的能耗。 
5. 不考虑为生产产品而开采自然资源所需的能耗。 
6. 不考虑运输产品所需的能耗。 
7. 不考虑运输及清理有毒及不可降解电子废料的能耗和其他资源。 
8. 不考虑塑料铸模工艺所需的能耗。

3.1 能量传输效率对比

本节中，我们将比较5年间的总能耗。
案例研究：
有线电源适配器平均系统效率Nsys-wireless= 0.50 (50%)
有线电源适配器平均系统效率Nsys-wired= 0.72 (72%)
假设平均充电功率为2瓦。

根据案例研究1的结果，

5年间无线充电器总能耗（Pused-wireless)
= 2.62 x 5 = 13.10 千瓦时

5年间有线电源适配器总能耗（Pused-wired)
= 2.19 x 5 = 10.95千瓦时


3.2 生产充电系统塑料外壳的耗能比较（不考虑其他电子元件）

可再生能源研究小组(2)的研究发现，每生产一公斤聚碳酸酯塑料（生产充电器所用的常见塑料），就需要消耗107兆焦耳的能源（或29.72千瓦时）。

根据我们的实践经验：
一个无线充电器(Wwireless) 所用的塑料材料重量约为80克
一个有线电源适配器(Wwired)所用的塑料材料重量约为50克

因此，
生产一个无线充电器所用的能源为107兆焦耳 x 0.08 = 8.56兆焦耳 = 2.37千瓦时
生产一个有线电源适配器所用的能源为107兆焦耳 x 0.05 = 5.35兆焦耳 = 1.49千瓦时

假设消费者每5年更换3次手机，那么生产相应产品的总耗能为：

无线充电器(Mused-wireless) 为2.37千瓦时

有线电源适配器(Mused-wired) 为3 x 1.49千瓦时 = 4.47千瓦时

3.3 5年间一负荷充电总耗能的整体比较

一个无线充电器在5年间的总耗能为(Eused-wireless) + (Mused-wireless) = 13.10 千瓦时 + 2.37千瓦时 = 15.47千瓦时

三个有线电源适配器在5年间的总耗能为(Eused-wired) + 3(Mused-wired) = 10.95千瓦时 + 3 x 1.49千瓦时 = 15.42千瓦时 

表格二 5年间一负荷充电比较
附注：

1. 不包括生产电子元件、电缆和电源插座的耗能。
2. 不包括产品材料损耗。
3. X指处理及清洁有毒及不可降解电子垃圾的耗能。 
4. Y指将产品从工厂运输到分销网络的耗能。

结束语：
从表格二可见：

1. 尽管案例研究二只集中分析一负荷充电的耗能，表格二的结果显示，无线系统可减少有线电源适配器的使用，从而减少消耗能源及材料资源。 
2. 只要(X+Y) > 1.54千瓦时 (即15.47千瓦时 – 13.93千瓦时)，用一个无线充电器替代两个或以上的有线电源适配器可节省能源。 
3. 用无线充电器替代越多有线电源适配器，可节省的能源越多。 
4. 使用基于无线充电系统的公共充电协议，有利于减少使用充电器的个数。表格二显示，如果一个通用的多负荷无线充电板可以容纳3个负荷，就可减少使用3个外部电源适配器。这样，即可同时达到节省能源和消除电子垃圾的环保目标。

4. 结论

本研究旨在比较无线充电系统和传统电源适配器的能源消耗。从两个案例研究的两组结果可以明白看到，与使用单个一对一的有线电源适配器相比，使用一个具备多负荷充电功能的无线充电系统有着显著的优势。当无线充电器可替代两个或以上的有线电源适配器时，这个优势尤为明显和重要。

节能的优势来自于(i)减少待机功率及(ii)减少生产和运输多余有线电源适配器的耗能。除了节能方面，由于减少了传统电源适配器的生产，电子垃圾有望大幅下降，长远来说也会对环保作出巨大贡献。本文并未分析这些好处。


参考资料：

1. http://www.energystar.gov/index.cfm?c=ext_power_supplies.power_supplies_consumers
2. Bruno GERVET, “The use of crude oil in plastic making, contributes to global warming”, May 2007, Renewable Energy Research Group, Département de Génie Energétique et Environnement INSA Lyon, France, http://www.ltu.se/polopoly_fs/1.5035!plastics%20-%20final.pdf

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