CN105684295A - 能量收集设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种能量收集设备(2)。该能量收集设备(2)被配置为围绕电缆(4)的一部分。该能量收集设备(2)包括多个被电气隔离并且导电的贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)，这些贴片部件被配置为使得在第一出口点(B)和第二出口点(A)之间提供电位差(V)的方式进行布置。贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)电连接到第一出口点(B)和/或第二出口点(A)。贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)被配置为非侵入式地直接附接到电缆(4)上。

Description

能量收集设备

技术领域

本发明总体来说涉及一种用于从电缆收集能量的能量收集设备。

背景技术

分布式传感器系统的使用和数量近来持续增长，并且对传感器和附属的无线通信供电的需求也相应地增加。

这些系统中一个主要的挑战是对这些系统供给所需的能量，而无需通常在没有足够空间的情况下去维护大量电池的挑战。对这种挑战的一种已知的解决方案是能量收集，其中将或多或少持续收集的环境能量供给这些设备。

在能量收集中使用的典型能源是光、振动或温差。不幸的是，在典型的技术安装中，在传感器经常安装的地方并没有这些能源存在。

然而，电缆(例如，导电体)在技术安装中并不短缺，并且因此从电缆收集能量的简易系统成为覆盖能量需求的良好解决方案。

从导电体收集能量的可用解决方案采用两种不同的主要原理：

1)通过感应从单根导线进行电磁收集，如例如Bhuiyan等人所描述的那样(AMiniatureEnergyHarvestingDeviceforWireless，SensorsinElectricPowerSystem，IEEESENSORSJOURNAL，VOL.10，NO.7，JULY2010)(D1)；以及

2)从导电体和地之间的电场差来进行能量收集，如Chang，K等人所述的那样(ElectricFieldEnergyHarvestingPoweredWirelessSensorsforSmartGrid，JournalofElectricalEngineering&TechnologyVol.7，No.1，pp.75-80，2012)(D2)。

两种原理都存在严重的问题。通过感应从单根导线进行电磁收集要求在单根导体上的连接。因此，电缆的外绝缘要被剥掉，以便安装能量收集器。

由于去掉外绝缘，折中了电气安装的安全性，并且必须安装外屏蔽来恢复绝缘。此外，感应式能量收集器生产相对昂贵，并且依赖于导体中流动的电流。

从导电体和地之间的电场差来进行能量收集比通过感应从单根导线进行电磁收集要更便宜，并且可以安装在多芯电缆的外部。另一方面，这种原理要求物理连接到电气地。因此，这种类型的能量收集器在许多应用中不能适用。

因此，需更一种更容易安装的能量收集设备。

本发明的一个目的是提供一种不需要连接到从其收集能量的电缆的单根导体的能量收集设备。

本发明的又一个目的是提供一种不需要连接到电气地的独立能量收集设备。

本发明的又一个目的是提供一种能提供在1和10伏特之间的范围中的电压而无需使用转换器来提升电压的能量收集设备。

本发明的又一个目的是提供一种不依赖于电缆中流动的电流的能量收集设备。

此外，在需要更大电流的情况下，可能采用数个贴片(patch)。然而，文献D1和D2不能应对这种挑战或者建议如何解决这种挑战。

因此，本发明的一个目的是提供一种采用多个贴片的能量收集设备。

发明内容

本发明的目的可以通过权利要求1所限定的能量收集设备来实现。优选实施例在从属子权利要求中限定，并且在下面的说明书中进行解释并在附图中进行例示。

在本文中，“能量收集设备”指的是适合于收集电能的设备。

根据本发明的能量收集设备是一种被配置为围绕电缆的一部分的能量收集设备。该能量收集设备包括多个被电气隔离并导电的贴片部件(patchmember)，其配置为以使得在第一出口点(outletpoint)和第二出口点之间提供电位差的方式进行布置，其中这些贴片部件电连接到第一出口点和/或第二出口点。这些贴片部件被配置为直接附接到电缆上或者紧密靠近电缆。

因此，可以提供一种不需要电连接到从其收集能量的电缆的导体的能量收集设备。

将能量收集设备安装到电缆是简单、容易且安全的。

此外，能量收集设备并不要求连接到电气地。

尽管现有技术的电磁能量收集设备要求将电压进行转换，以在标准电气设备中使用该能量，但是根据本发明的能量收集设备能够提供在1和10伏特之间的范围中的电压而无需使用转换器(例如，DC-DC转换器)来将该电压进行提升。

根据电缆电压和能量收集器的尺寸，根据本发明的能量收集设备能够收集在微瓦或者毫瓦范围中的功率。

只要电缆电连接到电位差的源，根据本发明的能量收集设备就能收集电能。该电缆并不要求“承载电流”。这是主要优点，因为如果电气设备的电缆连接到干线，即使该电气设备关断，能量收集设备也能够连续收集电能。因此，与仅能在电气设备汲取电流时从电气设备的电缆收集电能的能量收集设备相比，可以收集的功率更小。

可以作为优点的是，贴片部件呈板状，例如，具有矩形形状。

可以优选的是，贴片部件是矩形的，并且具有诸如5×25mm、2×10mm或者8×40mm之类的大小。

可以有利的是，能量收集设备包括多个贴片部件，这些贴片部件被隔离部件电气隔离。

电气隔离部件可以由非导电材料(如塑料)制成。

这些隔离部件被配置为通过胶合或者通过机械附接方法附接到电缆。

可以作为优点的是，贴片部件通过多个连接部件的方式电连接到整流单元，并且该整流单元包括多个整流器，整流器被配置为对来自贴片部件的电流以预定方式进行整流。

因此，可以从具有交流电流(AC)或者直流电流(DC)的电缆提供最佳功率收集。

可以有利的是，能量收集设备被配置为由提供第一电流方向的整流器对来自第一组贴片部件的电流进行整流，其中能量收集设备被配置为由提供另一电流方向的其它整流器对来自其余贴片部件的电流进行整流。

有利的是，能量收集设备被配置为在第一出口点和第二出口点之间形成电位差。

可以有利的是，能量收集设备被配置为对来自贴片部件的全部电流进行整流，并且因此在第一出口点和第二出口点之间形成电位差。

可以有利的是，贴片部件由柔性印制(flexiprint)制成，优选的，由密封在密封材料中的柔性印制制成。

可以有利的是，贴片部件通过多个连接部件(例如，导线)的方式电连接到整流单元。

该构造容易以可靠的方式提供。此外，其容易生产。

可以作为优点的是，每个贴片部件(直接)电连接到第一整流器和第二整流器，第一整流器被配置为对来自贴片部件的电流在一个方向上进行整流，第二整流器被配置为对来自贴片部件的电流在相反方向上进行整流。

因此，容易对来自每个贴片部件的电流提供容易且有效的整流。

可以有利的是，该整流单元设有适合于对来自贴片部件的交流电流在一个预定方向上进行整流的多个整流器。

因此，该整流单元可以用于对来自所有贴片部件的电流在一个预定方向上进行整流。

可以有利的是，来自贴片部件中的每一个的电流通过连接部件(例如，导线)并进一步通过电连接到第一出口点的第一总接头进行传导。

此外，可以有利的是，来自贴片部件中的每一个的电流通过连接部件(例如，导线)并进一步通过电连接到第二出口点的第二总接头进行传导。

以这种方式，可以在第一和第二出口点之间提供电位差。

可以有利的是，整流单元包括储能器。

因此，可以为后来的使用存储所收集的能量。

可以作为优点的是，储能器是电容器和/或电池。

可以有利的是，贴片被配置为绕着电缆缠绕为多层。

可以有利的是，该能量收集设备包括数个单独的模块，每个模块被配置为收集电能，其中该模块包括用于使模块彼此电连接的装置。

因此，可以收集大量的能量，并且形成不同尺寸和容量的能量收集设备。

可以有利的是，具有一种电气设备，该电气设备具有内置的根据本发明的能量收集设备。

因此，可以将具有内置能量收集设备的电气设备附接到电缆。具有内置能量收集设备的电气设备然后将被提供由能量收集设备收集的能量。

可以作为优点的是，具有一种传感器，其具有内置的根据本发明的能量收集设备。

附图说明

从下面给出的详细说明中，将更加清楚本发明。附图仅仅是通过例示的方式给出，并且因此，它们不限制本发明。在附图中：

图1示出了具有电缆的电气设备，电缆上附接了根据本发明的能量收集设备；

图2示出了附接到电缆的根据本发明的能量收集设备的特写视图；

图3示出了根据本发明的能量收集设备的第一实施例的示意图；

图4示出了根据本发明的能量收集设备的第二实施例的示意图；

图5a)示出了根据本发明的能量收集设备的示意剖面图；

图5b)示出了根据本发明的另一能量收集设备的示意剖面图；

图6a)示出了根据本发明的模块化能量收集设备在分解状态下的示意正视图；

图6b)示出了根据本发明的模块化能量收集设备在组装状态下的示意正视图；以及

图7示出了附接到高压电缆的根据本发明的能量收集设备。

具体实施方式

为了例示本发明优选实施例，现在详细参考附图，根据本发明的能量收集设备2被附接到电气设备6的电缆4。

图1示出了电气设备6的立体图以及墙12的剖面图。电气设备6通过墙12电连接到干线。

电气设备6包括电缆4，其通过墙12连接到干线。

根据本发明的能量收集设备2被附接到电缆4的外表面。能量收集设备2是环绕的。

能量收集设备2被配置为从电缆4收集能量，并为功率消耗电气设备(未示出)提供电力。功率消耗电气设备可以是传感器和/或发送器。然而，可以优选的是，功率消耗电气设备具有低能量需求(例如，在毫微瓦或者微瓦区域)。

图2示出了附接到电缆4的根据本发明的能量收集设备2的特写透视图。电缆4具有圆形横截面，并且包括由绝缘体20围绕的三个导体14、16、18。

能量收集设备2围绕电缆4的一部分。能量收集设备2包括多个贴片部件22、24、26，这些贴片部件由隔离部件28、30电气隔离。

能量收集设备2可以胶合或者机械连接到电缆4。

能量收集设备2被配置为从电缆4收集电能，并且为功率消耗电气设备(未示出)提供电力。

可以有利的是，能量收集设备2被配置为通过胶合剂或者其它附接装置安装到电缆4上，其中胶合剂或者其它附接装置使得能量收集设备2快速非侵入式附接到电缆4。

图3示出了根据本发明的能量收集设备2的第一实施例的示意图。能量收集设备2包括六个贴片部件22、22′、24、24′、26、26′。

贴片部件22、22′、24、24′、26、26′彼此电气隔离。贴片部件22、22′、24、24′、26、26′通过多条导线32、32′、34、34′、36、36′电连接到整流单元62，和/或整流器直接连接到贴片。整流单元62包括多个整流器38、38′，其被配置为对来自每个贴片部件22、22′、24、24′、26、26′的电流以预定方式进行整流。当从具有交流电流的电缆收集电能时，这是重要的。

来自贴片部件22′、22、24的电流由整流器38、38′进行整流。来自贴片部件22′、22、24的电流通过导线40传导，并进一步通过总接头46以及又通过导线40、40′传导到总接头44。

另一方面，来自贴片部件24′、26、26′的电流由整流器39、39′进行整流。来自贴片部件24′、26、26′的电流通过导线40′传导并进一步通过总接头44进行传导。

因此，在电连接到第一出口点A的总接头42和电连接到第二出口点B的总接头44之间获得电位差。

贴片部件22、22′、24、24′、26、26′导电，并且被配置为附接到电缆4的表面。作为示例，每个孤立贴片部件可以例如是5×25mm、2×10mm或者8×40mm。贴片部件22、22′、24、24′、26、26′被连接到整流单元62，整流单元62还能用作包括电池和/或具有大电容的电容器的储能器。

整流单元62包括被示出为二极管的整流器38、38′、39、39′。整流单元62包括设置在出口点A和B之间的被示出为电容器C的储能器。整流单元62可以具有从其可以传送能量的储能器(例如电池)。

所示出的整流器单元既可用于交流电流也可用于直流电流。

如果能量收集设备2附接到交流应用(见图4)，从每个贴片部件22、22′、24、24′、26、26′，整流器38、38′、39、39′可以并联连接。

单个贴片部件22、22′、24、24′、26、26′可以采用例如FET(场效应晶体管)进行耦接。

可以作为优点的是，整流器38、38′、39、39′可以具有低泄漏电流(例如，1nA)，以避免系统中的能量损耗，并可以具有相对低的正向电压(例如，1V)，以确保对整流单元62的储能器(电容器C)的高输入。在想要更紧凑的能量收集设备2的情况下，贴片部件22、22′、24、24′、26、26′可以绕着电缆缠绕为多层。这个方案还允许相同的能量收集设备2分布用于多种不同的电缆尺寸。

图4示出了根据本发明的能量收集设备2的另一实施例的示意图。能量收集设备2包括六个贴片部件22、22′、24、24′、26、26′。

与图3所示类似，贴片部件22、22′、24、24′、26、26′彼此电气隔离。贴片部件22、22′、24、24′、26、26′通过多条导线32、32′、34、34′、36、36′电连接到整流单元62，和/或整流器直接连接到贴片。

整流单元62设有多个整流器38、38′，这些整流器适合于对来自贴片部件22、22′、24、24′、26、26′的交流电流在期望的方向上进行整流。

来自贴片部件22′、22、24、24′、26′、26′的电流由整流器38、38′进行整流。来自贴片部件22′、22、24、24′、26′、26′的电流通过导线40′传导，并进一步通过电连接到出口点A的总接头44进行传导。第二出口点B电连接传导到总接头46，总接头46通过导线40、整流器38并进一步通过导线32、32′、34、34′、36、36′电连接到贴片部件22′、22、24、24′、26′、26′。

当在贴片部件22′、22、24、24′、26′、26′之间存在电位差时，在总接头44和46之间获得电位差。因此，在出口点A和B之间获得电位差。电容器C设置在出口点A和B之间。整流单元62可以具有电池作为储能器。

图5a)示出了根据本发明的能量收集设备2的示意剖面图。能量收集设备2被配置为附接到电缆4，该电缆4包括扭绞的三个导体14、16、18。导体14、16、18被绝缘体20围绕。

能量收集设备2包括第一贴片部件22和第二贴片部件22′，其被配置为布置在承载电流电缆4的外表面上或者附接到该外表面，例如通过胶合。由于围绕承载电流电缆4的电场，可以在第一贴片部件22和第二贴片部件22′之间获得电位差。因此，可以在第一贴片部件22和第二贴片部件22′之间获得电位差V。

由于第一贴片部件22和第二贴片部件22′之间的电位差V可以非常小，因此优选的是根据本发明的能量收集设备2包括多个贴片部件。

图5b)示出了根据本发明的另一能量收集设备2的示意剖面图。能量收集设备2被配置为附接到承载电流电缆4，该电缆4包括被绝缘体20围绕的两个导体14、16。能量收集设备2具有第一贴片部件22和第二贴片部件22′。

由于围绕承载电流的电缆4的电场，因此可以在第一贴片部件22和第二贴片部件22′之间获得电位差。因此，可以在第一出口点A和第二出口点B之间获得电位差。

第一贴片部件22和第二贴片部件22′之间的电位差V可以非常小，因此，优选的是根据本发明的能量收集设备2包括多个贴片部件22、22′。

图6a)示出了模块化能量收集设备2的示意正视图。能量收集设备2以分解状态示出。

能量收集设备2包括设有插座54的第一模块48。能量收集设备2还包括设有插座54和插头56的第二模块50，插头56被配置为由第一模块48的插座54容纳，并因此在第一模块48和第二模块50之间提供电连接。

通过电连接数个模块48、50，能够比采用较少的模块收集更多的电力。

图6b)示出了根据本发明的在组装状态下的模块化能量收集设备2的示意正视图。

能量收集设备2包括与图6a)中示出的那个类似的第一模块48。第二模块50通过图6a)所示的插头和插座之间的电连接那样的方式被附接到第一模块48。类似地，第三模块52通过电连接的方式被附接到第二模块50。

能量收集设备2通过电的“插头-插座”连接的方式电连接到第一功率消耗电气设备58以及第二功率消耗电气设备60。

因此，功率消耗电气设备58、60可以通过能量收集设备2供给能量。

图7示出了附接到高压电缆4的根据本发明的能量收集设备2。

电缆4具有圆形横截面，并且具有被绝缘体20围绕的三个导体14、16、18。能量收集设备2围绕电缆4的中心部，并且包括由隔离部件28、30电气隔离的多个贴片部件22、24、26。

能量收集设备2电连接到传感器60，该传感器60被配置为向接收器(未示出)发送无线信号66。传感器66由能量收集设备2收集的电力进行供电。依赖于电缆4的电压以及能量收集器的尺寸，能量收集设备2收集的功率可以在毫瓦范围内。

附图标记列表

2-能量收集设备

4-电缆

6-电气设备

8-插头

12-墙

14、16、18-导体

20-绝缘体

22、24、26-贴片部件

22′、24′、26′-贴片部件

28、30-隔离部件

32、32′、34、34′-导线

36、36′、40、40′-导线

38、38′、39、39′-整流器

42、44、46-总接头

48、50、52-模块

54-插座

56-插头

58、60-电气设备

62、64-管脚

66-信号

A、B-出口点

V-电位差

C-电容器/储能器

Claims (13)

1.一种能量收集设备(2)，所述能量收集设备(2)被配置为围绕电缆(4)的一部分，所述能量收集设备(2)包括多个被电气隔离并且导电的贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)，所述贴片部件被配置为以在第一出口点(B)和第二出口点(A)之间提供电位差(V)的方式进行布置，其中所述贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)电连接到所述第一出口点(B)和/或所述第二出口点(A)，其中所述贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)被配置为附接到所述电缆(4)的外部上和/或紧邻所述电缆(4)，其中：所述能量收集设备(2)被配置为由提供第一电流方向的整流器(38、38′)对来自第一组贴片部件(22′、22、24)的电流进行整流，其中所述能量收集设备(2)被配置为由提供另一电流方向的其它整流器(39、39′)对来自其余贴片部件(24′、26、26′)的电流进行整流。

2.根据权利要求1所述的能量收集设备(2)，其特征在于：所述能量收集设备(2)包括被隔离部件(28、30)电气隔离的多个贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)。

3.根据权利要求1或2所述的能量收集设备(2)，其特征在于：所述贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)通过多个连接部件(32、32′、34、34′、36、36′)电连接到整流单元(62)，并且所述整流单元(62)包括被配置为对来自所述贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)的电流以预定方式进行整流的多个整流器(38、38′、39、39′)。

4.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的能量收集设备(2)，其特征在于：所述能量收集设备(2)被配置为对来自所述贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)的全部电流进行整流，以使得所述电流通向相同的第一出口点(B)，并且因此在所述第一出口点(B)和所述第二出口点(A)之间形成电位差。

5.根据权利要求4所述的能量收集设备(2)，其特征在于：所述贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)通过多个连接部件(例如，导线)(32、32′、34、34′、36、36′)电连接到整流单元(62)。

6.根据权利要求4或5所述的能量收集设备(2)，其特征在于：每个贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)(直接)电连接到第一整流器(38、39)和第二整流器(38′、39′)，所述第一整流器(38、39)被配置为对来自所述贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)的电流在一个方向上进行整流，所述第二整流器(38′、39′)被配置为对来自所述贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)的电流在相反方向上进行整流。

7.根据权利要求4所述的能量收集设备(2)，其特征在于：所述整流单元(62)设有多个整流器(38、38′)，所述多个整流器适合于对来自所述贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)的交流电流在一个预定方向上进行整流。

8.根据权利要求4-7中一个权利要求所述的能量收集设备(2)，其特征在于：来自所述贴片部件(22′、22、24、24′、26′、26′)中的每一个的电流通过连接部件(导线40′)传导，并进一步通过电连接到第一出口点(A)的第一总接头(44)进行传导。

9.根据权利要求4-8中一个权利要求所述的能量收集设备(2)，其特征在于：来自所述贴片部件(22′、22、24、24′、26′、26′)中的每一个的电流通过连接部件(导线40)传导，并进一步通过电连接到第二出口点(B)的第二总接头(46)进行传导。

10.根据前述权利要求5-9中一个权利要求所述的能量收集设备(2)，其特征在于：所述整流单元(62)包括储能器(C)。

11.根据权利要求10所述的能量收集设备(2)，其特征在于：所述储能器(C)是电容器和/或电池。

12.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的能量收集设备(2)，其特征在于：所述贴片部件(22、22′、24、24′、26、26′)被配置为绕着所述电缆(4)缠绕为多层。

13.根据前述权利要求中的一个权利要求所述的能量收集设备(2)，其特征在于：所述能量收集设备(2)包括每个被配置为收集电能的数个单独的模块(48、50、52)，其中所述模块(48、50、52)包括用于使所述模块(48、50、52)彼此电连接的装置(54、56、62、64)。