CN107612113A - 采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统 - Google Patents
采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统，由风能采集器、磁场能采集器、电源管理电路组成；所述风能采集器由压电风翼阵列、支柱、风能采集器底座组成,压电风翼阵列安装在支柱上端，支柱下端固定在风能采集器底座上；压电风翼阵列由以支柱为中心等圆周分布的多个压电风翼组成；所述磁场能采集器由海尔贝克磁铁阵列、复合压电金属板、连接体、磁场能采集器底座组成；所述电源管理电路包含风能阻抗匹配电路、磁场能阻抗匹配电路、AC/DC整流单元、电能存储单元。本发明可实现高效地采集风能与磁场能，并为电子式电流互感器供电。
Description
技术领域
本发明属于发电技术领域，具体涉及采用风-磁组合能量采集器的供电系统，用于实现对风能、磁场能的高效采集与存储，并为电子式电流互感器供电。
背景技术
环境能量采集技术适应新时代全球能源战略发展需求，为全球提供可再生、可持续的绿色电能。特别是在实际生活和工作中，为日益微型化的便携式电子电气设备提供持续、稳定的电能。已有的环境能源采集技术针对的能源有太阳能(中国发明专利CN107202437A等)、机械能(中国发明专利CN106848051A等)、风能(中国发明专利CN106848051A等)、电磁能(中国发明专利CN106849379A等)等。
当前能量采集技术大部分局限于高效、稳定采集及转化单一类型能量源，但是受环境气候、地理差异等因素影响，单一能量源的供给并不持续、稳定。因此，尝试两种及以上的多种组合能量采集成为能量采集技术的必然趋势。针对不同应用场合的环境能源分布特点，已有太阳能与电磁能采集系统(中国发明专利CN107023872A)、风能和机械能发电的发电装置(中国专利CN206221155U)、太阳能与风能双能风力发电系统(中国发明专利CN107061175A)、新型固定式风能-波浪能集成发电系统(中国发明专利CN107091193A)、风能及地热能发电一体装置(中国发明CN107191333A)等。而在电力系统中，智能变电站电子式电流互感器的供电手段常采用激光供能或工频电源电缆供电，其光缆和电缆的铺设及维护都比较麻烦，而且需要专门的绝缘处理，对于测量系统的小型化、集成化建设极为不利。
发明内容
基于现有技术的上述状况，本发明公开一种采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统，以此实现高效地采集风能与磁场能，并为电子式电流互感器供电。
本发明是通过下述技术方案来实现的。一种采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统，由风能采集器、磁场能采集器、电源管理电路组成；
所述风能采集器由压电风翼阵列、支柱、风能采集器底座组成,压电风翼阵列安装在支柱上端，支柱下端固定在风能采集器底座上；压电风翼阵列由以支柱为中心等圆周分布的多个压电风翼组成，每个压电风翼由两片压电片胶合在弹性金属基体两面构成；
所述磁场能采集器由海尔贝克磁铁阵列、复合压电金属板、连接体、磁场能采集器底座组成；复合压电金属板安装在磁场能采集器底座上，海尔贝克磁铁阵列通过连接体与复合压电金属板连接；
所述电源管理电路包含风能阻抗匹配电路、磁场能阻抗匹配电路、AC/DC整流单元电能存储单元，风能阻抗匹配电路连接风能采集器，磁场能阻抗匹配电路连接磁场能采集器，风能阻抗匹配电路、磁场能阻抗匹配电路并联接入AC/DC整流单元，AC/DC整流单元连接电能存储单元。
更具体的是，压电风翼的自由端为十字板。
更具体的是，海尔贝克磁铁阵列由三个磁铁组成。
更具体的是，复合压电金属板由压电片粘合在弹性金属板表面而成。
更具体的是，风能阻抗匹配电路由变压器、调谐调整电容组成；磁场能阻抗匹配电路由变压器、调谐调整电容组成。
本发明一种实施方式中，风能采集器的压电风翼阵列数目可选为八、十六等。
本发明一种实施方式中，压电风翼和复合压电金属板的压电片材料可选为压电陶瓷、PVDF、压电单晶等。
本发明一种实施方式中，压电风翼和复合压电金属板的弹性金属板材料可选为铍青铜、不锈钢等。
本发明一种实施方式中，风能、磁场能阻抗匹配电路中降压器铁芯材料可选为硅钢、坡莫合金等。
本发明一种实施方式中，AC/DC整流单元可选用全波整流桥、半波整流桥等。
风能采集器工作原理：当风流吹过压电风翼时，压电风翼因其背面发生气流涡旋效应而产生以本征频率为共振频率的机械共振，共振产生的机械能通过压电效应转换为电能输出，从而实现风能到电能的转换。因为压电风翼的自由端采用十字板结构，所以风能采集器能够响应多个方向的风流并采集风能。为了提高风能采集器的输出功率，以支柱为中心沿圆周等距分布八个压电风翼构成压电风翼阵列，并且采用电气并联方式汇总各压电风翼的电能输出。
磁场能采集器工作原理：当电力线通有交变电流时，交变电流产生的交变磁场与海尔贝克磁铁阵列产生的磁场发生磁场耦合作用，海尔贝克磁铁阵列进而因安培反作用力产生交变振动。该振动通过连接体传递到复合压电金属板，使其产生交变应变。复合压电金属板因压电效应将该交变应变转换为电能输出。海尔贝克磁铁阵列的使用，一方面增强了靠近电力线方向的磁场强度，从而增大了安培反作用力和电能输出；另一方面减小了背离电力线方向的磁场强度，从而大大减少了能量采集对电子式电流互感器电流测量的干扰。
电源管理电路工作原理：风能采集器、磁场能采集器的输出后端分别串联风能阻抗匹配电路、磁场能阻抗匹配电路，再通过AC/DC整流单元将交流电能转换为直流电能，最后存入电能存储单元的存储电容中。风能阻抗匹配电路、磁场能阻抗匹配电路均由双调谐变压器与调谐补偿电容组成，通过调谐和阻抗变换作用，使得风能、磁场能采集器的电能输出最大化传输到AC/DC整流单元，从而实现最高效的电能存储。
本发明的特点及优势在于：
(1)采用风磁组合能量采集器可以实现风能和磁场能的双源采集，与单源能量采集器相比，输入能量更丰富、能量密度更高，因而电能输出更高、更稳定和可靠。
(2)风能采集器中采用自由端为十字板的压电风翼作为风能采集基本单元，可以获取更大、更多方向的风力，而压电风翼阵列的使用可以大大增加风能的攫取，最终实现多方向、高效的风能采集。
(3)磁场能采集器中采用海尔贝克磁铁阵列作为磁场能敏感元件，一方面增强了靠近电力线方向的磁场强度，从而增大了安培反作用力和电能输出；另一方面减小了背离电力线方向的磁场强度，从而大大减少了电子式电流互感器电流测量时受到的外磁场干扰。
(4)风能采集器中压电风翼和磁场能采集器中复合压电金属板均采用了弹性金属耦合压电材料。一方面，弹性金属材料的使用增大了机械品质因数，从而大大减小了能量传输的损耗；另一方面，压电材料相比线圈结构具有更高的输出电压和负载能力。因此，风能、磁场能采集器具有更大的电能输出能力和更高的输出电压。
(5)电源管理电路中风能阻抗匹配电路、磁场能阻抗匹配电路均采用双调谐降压器，与一般的非调谐变压器相比，具有更好的阻抗匹配能力，因而电能传输能力更强，电能损耗更小。
根据上述特点，它可以应用于风能、磁场能的高效采集与存储，并为电子式电流互感器供电。
附图说明
图1是本发明系统组成示意图；
图2是本发明中风能采集器俯视结构示意图；
图3是本发明中风能采集器侧视结构示意图；
图4是本发明中压电风翼结构示意图；
图5是本发明中磁场能采集器结构示意图；
图6是本发明中海尔贝克磁铁阵列示意图；
图7是本发明中复合压电金属板结构示意图；
图8是本发明中电源管理电路示意图；
图9是本发明中电源管理电路的风能阻抗匹配电路示意图；
图10是本发明中电源管理电路的磁场能阻抗匹配电路示意图。
附图中：风能采集器1、磁场能采集器2、电源管理电路3、通电电线4、电子式电流互感器5。风能采集器1中：压电风翼1-1(弹性金属基体1-1a、压电片1-1b1、1-1b2)、1-2、…、1-8，支柱1-9，风能采集器底座1-10。磁场能采集器2中：海尔贝克磁铁阵列2-1(磁铁2-1a、2-1b1、2-1b2)、复合压电金属板2-2(压电片2-2a、弹性金属板2-2b)、连接体2-3、磁场能采集器底座2-4。电源管理电路3中：风能阻抗匹配电路3-1(变压器3-1a、调谐调整电容3-1b)、磁场能阻抗匹配电路3-2(变压器3-2a、调谐调整电容3-2b)、AC/DC整流单元3-3(二极管3-3a、3-3b、3-3c、3-3d)、电能存储单元3-4(稳压管3-4a、存储电容3-4b)。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统由风能采集器1、磁场能采集器2、电源管理电路3组成。如图2-4所示，风能采集器1由压电风翼阵列(1-1、1-2、…、1-8)、支柱1-9、风能采集器底座1-10组成,压电风翼阵列(1-1、1-2、…、1-8)安装在支柱1-9上端，支柱1-9下端固定在风能采集器底座1-10上；压电风翼阵列由以支柱1-9为中心等圆周分布的八个压电风翼(1-1、1-2、…、1-8)组成，每个压电风翼由两片压电片(例如1-1b1、1-1b2)胶合在弹性金属基体(例如1-1a)两面构成，压电风翼(1-1、1-2、…、1-8)的自由端为十字板。
如图5-7所示，磁场能采集器2由海尔贝克磁铁阵列2-1、复合压电金属板2-2、连接体2-3、磁场能采集器底座2-4组成；复合压电金属板2-2安装在磁场能采集器底座2-4上，海尔贝克磁铁阵列2-1通过连接体2-3与复合压电金属板2-2连接；海尔贝克磁铁阵列2-1由三个磁铁(2-1a、2-1b1、2-1b2)组成；复合压电金属板2-2由压电片2-2a粘合在弹性金属板2-2b表面而成。
如图8、9、10所示，电源管理电路3包含风能阻抗匹配电路3-1、磁场能阻抗匹配电路3-2、AC/DC整流单元3-3、电能存储单元3-4，风能阻抗匹配电路3-1连接风能采集器1，磁场能阻抗匹配电路3-2连接磁场能采集器2，风能阻抗匹配电路3-1、磁场能阻抗匹配电路3-2均连接AC/DC整流单元3-3，AC/DC整流单元3-3连接电能存储单元3-4；风能阻抗匹配电路3-1由变压器3-1a、调谐调整电容3-1b组成；磁场能阻抗匹配电路3-2由变压器3-2a、调谐调整电容3-2b组成；AC/DC整流单元3-3由二极管(3-3a、3-3b、3-3c、3-3d)组成；电能存储单元3-4由稳压管3-4a、存储电容3-4b组成。
压电片(1-1b1、1-1b2、2-2a)的材料为PZT-8；弹性金属基体1-1a、弹性金属板2-2b的材料为铍青铜；海尔贝克磁铁阵列2-1的材料为NdFeB；支柱1-9、风能采集器底座1-10、连接体2-3、磁场能采集器底座2-4的材料为硬铝；变压器3-1a、3-2a的铁芯材料为坡莫合金，一、二次绕组匝比为10:1；调谐调整电容3-1b、3-2b选用陶瓷电容；二极管3-3a、3-3b、3-3c、3-3d型号为1N4148；稳压管3-4a型号为2CW4；存储电容3-4b选用12V耐压超级电容。
本发明一种实施方式中，风能采集器的压电风翼阵列数目可选为八、十六等。
本发明一种实施方式中，压电风翼和复合压电金属板的压电片材料可选为压电陶瓷、PVDF、压电单晶等。
本发明一种实施方式中，压电风翼和复合压电金属板的弹性金属板材料可选为铍青铜、不锈钢等。
本发明一种实施方式中，风能、磁场能阻抗匹配电路中降压器铁芯材料可选为硅钢、坡莫合金等。
本发明一种实施方式中，AC/DC整流单元可选用全波整流桥、半波整流桥等。
上述例子中，当风流吹过压电风翼时，风能采集器的压电风翼因其背面发生气流涡旋效应而产生以本征频率为共振频率的机械共振，共振产生的机械能通过压电效应转换为电能输出。当电力线通有交变电流时，磁场能采集器中海尔贝克磁铁阵列建立的磁场与交变电流产生的交变磁场发生耦合作用，进而在安培反作用力作用下产生交变振动，该振动通过连接体传递到复合压电金属板，使其产生交变应变，并在压电效应作用下转换为电能输出。风能、磁场能采集器的电能输出先分别经过风能、磁场能阻抗匹配电路进行阻抗匹配，然后通过电气并联的方式汇总输入到AC/DC整流单元中进行整流变换，最后存入存储电容中。风能采集器中压电风翼特殊的十字板自由端设计以及阵列架构实现多方向、高效的风能采集，磁场能采集器中海尔贝克磁铁阵列增强了能量密度，电源管理电路中风能、磁场能阻抗匹配电路均采用的双调谐降压器具有高效的电能传输效率，因此，采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统可以应用于风能、磁场能的高效采集与存储，并为电子式电流互感器供电。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统，由风能采集器、磁场能采集器、电源管理电路组成；其特征是：
所述风能采集器由压电风翼阵列、支柱、风能采集器底座组成,压电风翼阵列安装在支柱上端，支柱下端固定在风能采集器底座上；压电风翼阵列由以支柱为中心等圆周分布的多个压电风翼组成，每个压电风翼由两片压电片胶合在弹性金属基体两面构成；
所述磁场能采集器由海尔贝克磁铁阵列、复合压电金属板、连接体、磁场能采集器底座组成；复合压电金属板安装在磁场能采集器底座上，海尔贝克磁铁阵列通过连接体与复合压电金属板连接；
所述电源管理电路包含风能阻抗匹配电路、磁场能阻抗匹配电路、AC/DC整流单元电能存储单元，风能阻抗匹配电路连接风能采集器，磁场能阻抗匹配电路连接磁场能采集器，风能阻抗匹配电路、磁场能阻抗匹配电路并联接入AC/DC整流单元，AC/DC整流单元连接电能存储单元。
2.根据权利要求1所述的采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统，其特征是：压电风翼的自由端为十字板。
3.根据权利要求1所述的采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统，其特征是：海尔贝克磁铁阵列由三个磁铁组成。
4.根据权利要求1所述的采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统，其特征是：复合压电金属板由压电片粘合在弹性金属板表面而成。
5.根据权利要求1所述的采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统，其特征是：风能阻抗匹配电路由变压器、调谐调整电容组成；磁场能阻抗匹配电路由变压器、调谐调整电容组成。
6.根据权利要求1所述的采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统，其特征是：所述风能采集器的压电风翼阵列数目为八或十六。
7.根据权利要求1所述的采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统，其特征是：压电风翼和复合压电金属板的压电片材料为压电陶瓷、PVDF或压电单晶。
8.根据权利要求1所述的采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统，其特征是：压电风翼和复合压电金属板的弹性金属板材料为铍青铜或不锈钢。
9.根据权利要求1所述的采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统，其特征是：风能阻抗匹配电路、磁场能阻抗匹配电路中降压器铁芯材料为硅钢或坡莫合金。
10.根据权利要求1所述的采用风磁组合能量采集器的电子式电流互感器供电系统，其特征是：AC/DC整流单元选用全波整流桥或半波整流桥。
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