一种面向架空线路的风驱式高效复合型自驱动系统技术方案

本发明专利技术涉及一种面向架空线路的风驱式高效复合型自驱动系统，属于能源技术领域。该系统包括依次连接的：摩擦

【技术实现步骤摘要】
一种面向架空线路的风驱式高效复合型自驱动系统


[0001]本专利技术属于能源
，涉及一种面向架空线路的风驱式高效复合型自驱动系统。

技术介绍

[0002]电力物联网是物联网在智能电网中的应用，通过将能源与信息有效整合以提高系统信息化水平，改善资源利用效率。架空线路作为电力网络中的重要基础设施，对其运行环境和安全情况拥有重要的监测需求。由于架空线路主要于田野、山峦等野外环境，与自然风力资源的分布十分契合，因此有望通过采集环境风能实现自驱动的信号感知与应用。由于风的能量与风速密切相关，因此可将环境风能大致分为微风与强风两种。微风泛指风力等级3级及以下的环境风能。虽然微风的瞬时功率密度低，但其能量分布广泛且持续时间长，在野外环境中可被长期观测。相对的，强风的风速更快，其瞬时功率密度也更大，但出现频率较低，供能存在不稳定性。目前，风能的收集与转换主要采用电磁式发电机组，这种技术能集中式地高效率转换强劲的风能，却难以有效采集微风能量，使电磁式发电机难以满足自供电系统长期供能的用电需求。近年来，摩擦纳米发电机的迅速发展提供了一种高效率俘获微风能量的有效方式，其优秀的低频响应能很好的与电磁式发电机形成互补，因此有望通过两者的复合实现宽风速区间的高效率风能收集与转换，进而达到长时间高效且持续的风能采集与应用的目的。
[0003]基于此，本专利技术结合了摩擦纳米发电机与电磁式发电机在启动风速和高效俘能区间上的互补性，研制了用于多源能量输入的高效能量管理电路，以此提出一种面向架空线路的风驱式高效复合型自驱动系统，用于持续、高效率地收集环境风能并转化为电能，驱动微功耗传感器工作。由于摩擦纳米发电机与电磁式发电机在工作区间、输出特性上的差别，两部分电能无法直接通过串联或并联输出。因此，本专利技术所述的自驱动系统还包含一种双源能量管理电路，该电路能对两路频率、幅值均不同的交流电能进行调理并共同储存于储能元件中，再通过降压电路输出四种典型直流电压以驱动传感器工作。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种面向架空线路的风驱式高效复合型自驱动系统，以实现两档式的高效风能采集，并提供了一种基于LTC3588
‑
1芯片的双源能量管理电路，将收集与转化的电能整流、储存，再降压为传感器能直接使用的直流电能，实现分布式传感器的自供能应用。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种面向架空线路的风驱式高效复合型自驱动系统，该系统包括依次连接的：
[0007]摩擦
‑
电磁复合型风能采集器，用于自切换的两档式高效环境风能收集并转换成电能；
[0008]双源能量管理电路，用于对摩擦
‑
电磁复合型风能采集器的两路交流输出进行整
流、滤波、降压、储能等管理；
[0009]环境信号传感器，作为自供能系统的负载用于采集所需的环境信号。
[0010]可选的，所述摩擦
‑
电磁复合型风能采集器包含个双档位风力驱动模块和复合式发电模块；
[0011]所述双档位风力驱动模块由两个不同转动半径的风杯组成，两个风杯之间垂直叠放并保持一定距离，使结构紧凑的同时确保风杯在旋转中不发生摩擦与碰撞；
[0012]所述两个风杯的杯体直径均为6cm，旋转半径分别为6cm和9cm；其中，旋转半径9cm的风杯固定于一根细长实心轴的顶端，而旋转半径6cm的风杯则固定在一根空心轴的顶部；所述空心轴的内径应不小于实心轴外径，使实心轴能穿透空心轴内部空腔并通过绝缘轴承进行支撑和固定，以此形成两个能各自独立转动的旋转体；
[0013]所述实心轴和空心轴的底部向下延伸并与复合式发电模块的两个发电部分相连接，驱动复合发电模块运转并将机械能转化为电能。
[0014]可选的，所述复合式发电模块包括：摩擦纳米发电机部分和电磁式发电机部分；
[0015]所述摩擦纳米发电机部分为转盘型摩擦纳米发电机，采用软摩擦模式；
[0016]所述软摩擦模式是指在传统转盘式摩擦纳米发电机的结构上进行改进，将摩擦部分由传统的硬材料更换为柔性介质为基础的软性接触材料，从而减少摩擦损耗并降低转矩，以提高转子的动力性能，降低启动风速并提升材料耐久性；
[0017]所述摩擦纳米发电机部分为双层圆盘形结构，包含转子、定子两个部分，其中，转子由圆形转盘与柔性聚合物薄膜组成，定子由定子基板和两个图形互补的扇形电极阵列组成；
[0018]所述圆形转盘由12个圆心角15
°
、半径6cm的扇形单元按15
°
等圆心角间隔呈披萨状排列组成，所有扇形单元的顶角通过一个法兰盘固定在实心轴底部；
[0019]所述柔性聚合物薄膜为圆心角25
°
、半径6cm的扇形，扇形薄膜的两侧被分别固定于扇形单元的两端；由于薄膜面积比扇形单元大，因此薄膜在张力和重力的共同作用下自然向下拱起并与定子接触；
[0020]所述图形互补的扇形电极阵列由24个圆心角15
°
、半径6cm的扇形电极组成，相邻扇形电极彼此绝缘，而相间的扇形电极并联，以此形成两个彼此嵌合、图形互补且极性相反的扇形电极阵列，每个阵列对外等效为摩擦纳米发电机的一个电极；
[0021]所述摩擦纳米发电机部分在安装中应调整转子与定子间的高度，使柔性聚合物薄膜拱起的部分能刚好彻底覆盖其中一个扇形电极阵列而不与另一个阵列接触。
[0022]可选的，所述电磁式发电机部分为双层圆环形结构，同样由转子和定子两个部分组成，其中，转子由圆环形转盘与矩形磁铁块组成，定子由定子基板和多个矩形线圈组成；
[0023]所述圆环形转盘通过三根辐条与空心轴底部连接，其内直径为12cm、外直径为16cm；圆环一周以45
°
等圆心角间隔对称分布着8个长
×
宽20mm
×
10mm的矩形孔槽，每个孔槽内镶嵌着一枚长
×
宽
×
高20mm
×
10mm
×
3mm的矩形磁铁块，磁铁块的底部与圆环形转盘的底部齐平；
[0024]所述矩形线圈与矩形磁铁块数量相等、大小相当，所有线圈以45
°
等圆心角均匀对称镶嵌于定子基板一周，使矩形磁铁块的垂直投影刚好覆盖在矩形线圈的内部；
[0025]所述电磁式发电机部分在安装中应使圆环形转盘与定子之间应保持约1mm的间
隙，以避免转子在转动过程中与定子发生碰撞；
[0026]所述摩擦纳米发电机部分与电磁式发电机部分共用一块定子基板，其中，摩擦纳米发电机的扇形电极阵列固定于定子基板12cm直径的圆周内部，而电磁式发电机的矩形线圈固定于外侧的圆环形区域。
[0027]可选的，所述风杯为铝合金、钛合金、镁合金、锌合金或塑料；
[0028]所述转盘和定子基板为有机玻璃或橡胶；
[0029]所述柔性聚合物薄膜为聚四氟本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向架空线路的风驱式高效复合型自驱动系统，其特征在于：该系统包括依次连接的：摩擦
‑
电磁复合型风能采集器，用于自切换的两档式高效环境风能收集并转换成电能；双源能量管理电路，用于对摩擦
‑
电磁复合型风能采集器的两路交流输出进行整流、滤波、降压、储能的管理；环境信号传感器，作为自供能系统的负载用于采集所需的环境信号。2.根据权利要求1所述的一种面向架空线路的风驱式高效复合型自驱动系统，其特征在于：所述摩擦
‑
电磁复合型风能采集器包含个双档位风力驱动模块和复合式发电模块；所述双档位风力驱动模块由两个不同转动半径的风杯组成，两个风杯之间垂直叠放并保持一定距离，使结构紧凑的同时确保风杯在旋转中不发生摩擦与碰撞；所述两个风杯的杯体直径均为6cm，旋转半径分别为6cm和9cm；其中，旋转半径9cm的风杯固定于一根细长实心轴的顶端，而旋转半径6cm的风杯则固定在一根空心轴的顶部；所述空心轴的内径应不小于实心轴外径，使实心轴能穿透空心轴内部空腔并通过绝缘轴承进行支撑和固定，形成两个能各自独立转动的旋转体；所述实心轴和空心轴的底部向下延伸并与复合式发电模块的两个发电部分相连接，驱动复合发电模块运转并将机械能转化为电能。3.根据权利要求2所述的一种面向架空线路的风驱式高效复合型自驱动系统，其特征在于：所述复合式发电模块包括：摩擦纳米发电机部分和电磁式发电机部分；所述摩擦纳米发电机部分为转盘型摩擦纳米发电机，采用软摩擦模式；所述软摩擦模式是指在传统转盘式摩擦纳米发电机的结构上进行改进，将摩擦部分由传统的硬材料更换为柔性介质为基础的软性接触材料，减少摩擦损耗并降低转矩，以提高转子的动力性能，降低启动风速并提升材料耐久性；所述摩擦纳米发电机部分为双层圆盘形结构，包含转子、定子两个部分，其中，转子由圆形转盘与柔性聚合物薄膜组成，定子由定子基板和两个图形互补的扇形电极阵列组成；所述圆形转盘由12个圆心角15
°
、半径6cm的扇形单元按15
°
等圆心角间隔呈披萨状排列组成，所有扇形单元的顶角通过一个法兰盘固定在实心轴底部；所述柔性聚合物薄膜为圆心角25
°
、半径6cm的扇形，扇形薄膜的两侧被分别固定于扇形单元的两端；薄膜面积比扇形单元大，薄膜在张力和重力的共同作用下自然向下拱起并与定子接触；所述图形互补的扇形电极阵列由24个圆心角15
°
、半径6cm的扇形电极组成，相邻扇形电极彼此绝缘，而相间的扇形电极并联，形成两个彼此嵌合、图形互补且极性相反的扇形电极阵列，每个阵列对外等效为摩擦纳米发电机的一个电极；所述摩擦纳米发电机部分在安装中应调整转子与定子间的高度，使柔性聚合物薄膜拱起的部分刚好覆盖其中一个扇形电极阵列而不与另一个阵列接触。4.根据权利要求3所述的一种面向架空线路的风驱式高效复合型自驱动系统，其特征在于：所述电磁式发电机部分为双层圆环形结构，同样由转子和定子两个部分组成，其中，转子由圆环形转盘与矩形磁铁块组成，定子由定子基板和多个矩形线圈组成；所述圆环形转盘通过三根辐条与空心轴底部连接，其内直径为12cm、外直径为16cm；圆环一周以45
°
等圆心角间隔对称分布着8个长
×
宽20mm
×
10mm的矩形孔槽，每个孔槽内镶嵌
着一枚长
×
宽
×
高20mm
×
10mm
×
3mm的矩形磁铁块，磁铁块的底部与圆环形转盘的底部齐平；所述矩形线圈与矩形磁铁块数量相等、大小相当，所有线圈以45
°
等圆心角均匀对称镶嵌于定子基板一周，使矩形磁铁块的垂直投影刚好覆盖在矩形线圈的内部；所述电磁式发电机部分在安装中应使圆环形转盘与定子之间应保持约1mm的间隙，以避免转子在转动过程中与定子发生碰撞；所述摩擦纳米发电机部分与电磁式发电机部分共用一块定子基板，其中，摩擦...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯运，王季宇，雍顺，刘睿，朱柏宇，廖文龙，骆欣瑜，谢茜，张宗喜，马小敏，周电波，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：