CN110768576B - 一种适用于超低频旋转运动的能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能量收集装置,包括：振动能量采集，桥式整流，buck‑boost逆变电路，稳压电路。其中振动能量采集将旋转运动变成直线往复的振动运动，并将振动机械能转换为电能；桥式整流则实现交流电变直流电；Buck‑boost逆变用来实现直流升压；稳压电路用于去除直流电压中的纹波。本发明中描述的装置，可以有效地实现收集微弱旋转能量的目的，可收集的旋转频率低达<3Hz，并且产生达700mw的电能。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够收集超低频(<3Hz)旋转运行的能量的轻型能量收集装置。该装置能够基于宏纤维复合材料，收集低速旋转运动能量，然后经过全桥式整流模块将交流电变成直流电，再经过稳压电路，去除纹波，得到较为稳定的直流供电源，可满足各种传感器供电需求。
背景技术
由于面临能源不足、供应压力增加、环境保护矛盾突出等问题，风能、太阳能等可再生能源的有效合理利用成为世界关注的焦点。风电是未来极具潜力的可再生能源，因此风电装机容量在世界范围内呈指数级增长。目前存在的问题是，对于这些大型结构实现远程的健康管理是确保风电机组安全运行的重要保障。而要实现健康监测，需要对重要观测点的压力、湿度和温度等物理量通过无线传感节点进行有效监测。而所有这些传感器均需要采用电化电池来提供供电能源。但是采用传统电化电池供电的主要弊端就是电池的可用时间短，充电和更换都很不方便，以及大量废弃的电池会对环境造成污染。鉴于此，研究基于机械振动来收集能量，从而为无线传感器等提供能源的新型可持续供电技术，具有重要的应用前景和研究意义。
利用机械振动来进行能量收集的主要技术包括:基于静电原理的，基于电磁原理的，基于磁致伸缩原理的，基于摩擦生电原理的，基于压电原理的。对于基于压电原理的能量收集装置，为了得到最大的能量输出，通常要求能量收集装置工作在谐振状态。然而，在有些情况，很难达到共振状态：比如发生结构破坏的情况，或对结构自然频率很难调整到低频的情况。因此，当振动源的频率很低(小于3hz)，以及收集装置的自然频率远远偏离激励频率时，收集装置的输出能量将急剧下降，因为收集装置的输出能量与共振频率的三次方成正比。有相关研究表明：收集装置的尺寸对于低频场景的能量收集至关重要。因为共振频率会随着收集装置尺寸的减小而急剧增加。综上所述，开发在低操作频率时产生相对较高能量，而且同时尽量保持紧凑型尺寸的旋转能量收集装置是比较困难的事情。
目前存在的压电式能量收集装置，几乎工作频率都是在3hz以上，不能满足超低频的工作要求。因而本专利发明的装置基于新型超级材料——柔性宏纤维复合材料，采用E-形多梁结构，实现一种适用于超低频(<3Hz)旋转运动能量收集装置,该装置适用于风电轮机以及其他旋转工作频率在0.5hz-3hz之间的设备。
发明内容
本发明提供了一种适用于超低频旋转运动能量收集装置，尤其适用于风电轮机的超低频旋转运动能量收集装置，所述超低频指小于3Hz的频率。该装置能够对外提供最大700mW的直流电，能够为弱电电子设备提供供电能源。
本发明所述的一种适用于超低频旋转运动能量收集装置，包括：将旋转运动的能量转换为直线运动的振动能量的传动部分(1)，振动采集部分(2)，整流电路部分(3)，buck-boost直流-直流逆变电路部分(4)，能量存储及稳压电路部分(5)。
所述传动部分(1)包括旋转圆盘、连杆和固定压片。所述旋转圆盘上设有环形的凹槽，凹槽的半径由所预期的运动范围决定。连杆连接旋转圆盘和固定压片，连杆的一头设有一圆形凸起，该圆形凸起具有一定的厚度，所述凹槽的截面尺寸依据该圆形凸起的尺寸确定，使得该圆形凸起刚好被卡在所述凹槽中，既不脱落，也能保证运动。所述圆形凸起卡在所述凹槽里，旋转圆盘按照低于3Hz的频率转动时，圆形凸起在凹槽中周而复始的运动，从而带动所述连杆做上下直线运动。
所述振动采集部分(2)由上多梁三叉结构S-MBT和下多梁三叉结构I-MBT采用钢结构竖梁连接成一个整体，在上多梁三叉结构S-MBT上附有宏纤维复合材料MFC。在旋转过程中，上多梁三叉结构S-MBT和下多梁三叉结构I-MBT由于振动时的惯性离心力和重力共同作用会产生变形，S-MBT上附着的宏纤维复合材料MFC因变形而产生电信号，由于变形是交互进行的，通过对所述宏纤维复合材料MFC所产生的电信号进行采集得到AC交流电信号。
所述整流电路部分(3)为一种全波桥式整流电路。
所述buck-boost直流-直流逆变电路部分(4)包括电容Crect电感L、场效应管MOSFET和偏置电源。
通过整流电路部分(3)、buck-boost直流-直流逆变电路部分(4)将振动采集部分(3)的宏纤维复合材料MFC上所采集的交流电信号转变为直流电信号。
所述能量存储及稳压电路部分(5)包括用于能量存储的存储器件和用于稳压的电容稳压电路，所述存储器件可以是可充电的锂电池。
附图说明
图1是本发明所述的能量收集装置的实现原理框图。
图2是本发明所述的能量收集装置传动部分的机械联动示意图。
图3是本发明所述的能量收集装置振动采集部分结构的示意图。
图4是本发明所述的能量收集装置整流电路部分原理图。
图5是离散电流模式DCM下各电流波形图。
图6是本发明所述的能量收集装置的Buck-boost逆变电路的原理图。
图7是本发明所示的能量收集装置的整流电路、Buck-boost逆变电路的连接示意图。
具体实施方式
下面，参照附图1-6对本发明所述的适用于超低频旋转运动能量收集装置的实施例进行详细说明。
如图1所述，本发明的能量收集装置，通过旋转能量收集器件REH收集到能量，再通过桥式全波整流、DC-DC逆变器将得到的直流电储存到能量存储器件中，在本实施例中采用锂电池作为存储器件，并通过稳压电路对电流进行稳压后，可向电子设备供电。
旋转能量器件REH包括传动部分(1)和振动采集部分(2)。如图2所示，传动部分(1)旋转圆盘、连杆和固定压片。旋转圆盘上有1cm宽，深度为1cm的圆形凹槽，凹槽的半径与预期的运动范围有关。连杆宽1.5cm，厚1cm，其一头有一直径为0.9cm的圆形突起，突起厚度为1cm。圆形突起卡在凹槽里旋转圆盘按照一定频率转动(低于3Hz)时，连杆一头的圆形突起在凹槽中周而复始的运动，从而带动连杆做上下直线运动。
如图3所示，振动采集部分(2)由上多梁三叉结构S-MBT和下多梁三叉结构I-MBT采用钢结构竖梁连接成一个整体，在上多梁三叉结构S-MBT上附有宏纤维复合材料MFC。图3的下半部分，分别指示当多梁三叉结构体到达最高点和移动到最低点时所对应的变形情况。该变形由振动时的惯性离心力和重力共同作用的结果，并且，变形越严重，所产生的电压幅度越小。显然，在转速一定的条件下，当多梁三叉结构达到最高点时，其变形最轻，所产生的电压幅度也最大。随着转速的提高，其输出电压幅度也增加。在S-MBT上附着的宏纤维复合材料MFC因其变形会产生电信号，而由于变形是交互进行的，因此，由宏纤维复合材料MFC采集进来的信号为AC交流信号。在本实施例中，宏纤维复合材料MFC的具体选型为MFC 8507P2。
由于宏纤维复合材料MFC输出的电信号是交流信号，而无线传感等电子电路的供电电源均为直流电源。因此，需要对交流信号进行整流，得到直流信号。本实施例中，整流电路采用全波桥式整流电路，如图4所示，整流之后的直流电信号分别为直流电流irect和直流电压Vrect。该直流电压随着旋转频率不同而变化，并且与多梁三叉结构所处的上下位置有关，该直流电流则与负载电阻有关。
整流之后的电流信号接入buck-boost直流-直流逆变电路。假设半导体器件没有损耗，L是理想电感，不计Vrect的电压纹波，假设控制单元以fsw频率和D占空比,对场效应管MOSFET操作，使其不断地在通和断两个状态之间切换。
在离散电流模式(DCM)下，即满足：
各个变量之间的变化如图5所示。
buck-boost逆变器电路原理图如图6所示。当场效应管工作在导通状态下时，iM和iL可以用下式表示：
从上式可以推导出平均电流
其中Tsw是状态转换周期。t0是任意时刻。该式表明，DCM逆变器的平均输入电流并不依赖于电池电压和电流。而且，对于固定的占空比和切换频率，输入平均电流是随着其输入电压线性变化的。换句话说，在不需要反馈控制的情况下，逆变器的输入本质上呈现与电阻类似的属性。此时逆变器的平均输入电阻Rin可表示成式子：
在连续电流模式，Vrect是与电池电压Vbat和占空比D有关系的。
依据逆变器输入输出应该符合能量守恒原理，得出
Vrect<irect>＝Vbat<ibat>
从上面两个式子可以得出,输入电压与输入平均电流之比可以表示成下式。该式表明，DCM中所呈现的恒定不变的输入平均电阻，在连续电流模式中并不存在。此时，将需要利用反馈控制，以调节占空比，使得平均输入电流随输入电压线性变化。
整流电路、Buck-boost逆变电路连接示意图如图7所示。桥式整流电路中的二极管以及后面的D5都选择Schottky的BAT86，场效应管M1选择Zetex公司的ZVNL110。电感选择47mH，电容C1选择10mF，电容C2选择10mF，B1，B2选择两个NiMH 2.4V电池。电阻选择10kW，IC1选择的基于晶振时钟(Switzeland，Micro Crystal，OV-1564-C2)工作，频率为32.768kHz。
能量存储采用可充电的锂电池来实现。而被供电电子设备往往需要比较稳定的供电电压，因此，需要稳压电路来减少纹波。由于能量收集装置所能收集的能量本身非常微弱(几百微瓦)，因此，要求总体实现电路部分要尽可能地耗能低，简单。考虑这个因素，稳压电路这里选择最简单的稳压方式——电容稳压来实现。
由实验平台测试可知，在旋转频率相同时，随着悬梁的升高，所收集的电压也越高。而随着旋转频率升高，所收集的电压也升高。另外，收集的电压与宏纤维复合材料MFC所处的位置相关，当宏纤维复合材料MFC处于中央时，收集的电压要高于宏纤维复合材料MFC处于一侧的情况。同时，所收集的电压是负载的函数，呈现单调递增规律，在旋转频率一定的情况下，负载越高，所收集的电压越高。但是收集的功率则与负载不满足单调关系，在负载为某个特定值时，所收集的功率最大，当负载偏离这个特定值时，所收集的功率都要下降。
由上面的具体实施例可见，根据本发明，提供了一种将旋转能量进行收集的装置，从而为实现系统监测的传感器等电子设备提供可再生供电能源，尤其适用无限传感网络的推广和使用。
本发明所示的能量收集装置与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)能够采集小于3Hz的超低频率的旋转能量，并进行有效利用。
(2)能够输出最高达到700mW的能量，为无线传感等电子设备供电。
(3)设备尺寸相对较小。
Claims (8)
1.一种适用于超低频旋转运动的能量收集装置，其特征在于：所述超低频指小于3Hz的频率，所述能量收集装置包括：将旋转运动的能量转换为直线运动的振动能量的传动部分(1)，振动采集部分(2)，整流电路部分(3)，buck-boost直流-直流逆变电路部分(4)，能量存储及稳压电路部分(5)；
所述传动部分(1)将旋转能量转化成直线往复机械运动的振动能量；所述振动采集部分(2)采用宏纤维复合材料采集振动能量；所述整流电路部分(3)、buck-boost直流-直流逆变电路部分(4)用于对所采集到的振动能量进行处理，然后储存于所述能量存储及稳压电路部分(5)中的能量存储器件中，并经所述能量存储及稳压电路部分(5)中的稳压电路处理后得到稳定的直流输出，对外供电；
所述传动部分(1)包括旋转圆盘、连杆和固定压片；
所述旋转圆盘上设有环形的凹槽，凹槽的半径由所预期的运动范围决定；
连杆连接旋转圆盘和固定压片，连杆的一头设有一圆形凸起，该圆形凸起具有一定的厚度，所述凹槽的截面尺寸依据该圆形凸起的尺寸确定，使得该圆形凸起刚好被卡在所述凹槽中，既不脱落，也能保证运动；固定压片则用于固定连杆的直线运动的位置；
所述圆形凸起卡在所述凹槽里，旋转圆盘按照低于3Hz的频率转动时，圆形凸起在凹槽中周而复始的运动，从而带动所述连杆做上下直线运动。
2.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于：所述凹槽的形状为任意形状的凸轮。
3.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于：所述振动采集部分(2)由上多梁三叉结构S-MBT和下多梁三叉结构I-MBT采用钢结构竖梁连接成一个整体，在上多梁三叉结构S-MBT上附有宏纤维复合材料MFC；
在旋转过程中，上多梁三叉结构S-MBT和下多梁三叉结构I-MBT由于振动时的惯性离心力和重力共同作用会产生变形，S-MBT上附着的宏纤维复合材料MFC因变形而产生电信号，变形越严重，所产生的电压幅度越小；
由于变形是交互进行的，通过对所述宏纤维复合材料MFC所产生的电信号进行采集得到AC交流电信号。
4.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于：所述整流电路部分(3)为一种全波桥式整流电路。
5.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于：所述buck-boost直流-直流逆变电路部分(4)包括电容Crect、电感L、场效应管MOSFET和偏置电源，可实现直流电压升压。
6.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于：所述能量存储及稳压电路部分(5)中的能量存储器件为可充电锂电池，稳压电路为电容稳压电路。
7.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于：用于风电轮机中的能量收集，或其他小于3Hz的低速旋转运动的能量收集。
8.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于：用于旋转工作频率在0.5hz-3hz之间的设备中的能量收集。
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