CN113452232A - 一种轨旁俘能发电方法和储能系统 - Google Patents

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谢明军
吴志东
王峰
房广禄
蒋晓凡
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Abstract

本发明涉及一种轨旁俘能发电方法和储能系统，它包括轨道固定卡具、发电柱组件、太阳能板、电能转换及储能组件、软连线等组成，它应用机械共振理论，并在振动不足时，应用太阳能补充发电的方式，将能量转换储存在锂电池内，实现持续有效供电的方法，特别是通过计算优化了线圈和永磁铁的设计，永磁铁的高度就是线圈架不饶线圈的高度，压簧的高度就是线圈的高度，降低了材料成本，使电能达到最大值；还增加了导磁柱，使得磁力线被导磁柱拉至线圈附近，提高了发电效率，发电储能系统将振动能量及太阳能通过电能转换板储存于工业锂电中，使其对低压供电设备可以直接供电并解决了电池维护问题和延长无线传感器等低功耗设备在线的运行时间。

Description

一种轨旁俘能发电方法和储能系统
技术领域
本发明涉及一种发电方法和储能系统，特别是关于一种轨旁俘能发电方法和储能系统，它适用于无法外接电源的无线传感器等低功耗装置的供电方法及设备。
背景技术
伴随着无线传感技术在轨道交通行业的高速发展，轨上和轨下监测系统中使用越来越多的无线传感器，无线传感器使用电池供电，而定期维护无线传感器电池成为日益突出的问题。与此同时，日益发展的俘能技术逐渐成熟，使得利用传感器周围振动能量发电，并为传感器供电成为解决其供电问题的最佳方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种能解决电池维护问题和延长无线传感器等低功耗设备在线运行时间的轨旁俘能发电方法和储能系统。
为解决上述问题，本发明的目的是这样实现的，涉及一种轨旁俘能发电方法和储能系统，其特征是：包括：发电柱组件、电能转换储能组件、轨道固定卡具及太阳能板，发电柱组件通过轨道固定卡具固定于轨道侧，与轨道刚性连接；所述的发电柱组件包括：底壳、顶盖、外柱、导磁柱、固定螺栓、压簧和铷錋磁铁、线圈架、线圈，由底壳、顶盖、外柱构成一个柱状态密封结构，外柱底部插入底壳的密封槽内，顶盖在顶部盖在柱状结构的外柱顶部；所述柱状态密封结构的底壳和顶盖中心由固定螺栓进行上下贯穿连接；以固定螺栓为中心上下通过压簧固定压簧之间的铷錋磁铁，压簧和铷錋磁铁和外柱之间形成可放置线圈架和线圈的环状空间，线圈固定在线圈架上，当车辆通过轨道时，发电柱组件与轨道、枕木、路基产生振动，压簧和铷錋磁铁与轨道振动产生共振，铷錋磁铁产生最大上下位移量，与线圈切割磁感线，进而产生交流电能，交流电通过软连线与电能转换储能组件电连接，将其输送至电能转换储能组件进行电能转换储能。
本发明涉及一种轨旁俘能发电方法和储能系统步骤如下：
用测试仪测试轨道振动时域图，获取轨道振动频谱，依据轨道振动频谱进行发电柱组件弹性系统频率设计,假设主频为60Hz，初始速度为0，无阻尼自由振动弹性频率条件依据如下公式：
Figure 851960DEST_PATH_IMAGE001
1-1
选用上下两个弹性系数相等的弹簧，即；
Figure 583155DEST_PATH_IMAGE002
则有：
Figure 310940DEST_PATH_IMAGE003
1-2
将：
Figure 65269DEST_PATH_IMAGE004
和共振频率
Figure 130177DEST_PATH_IMAGE005
，弹性系统质量约
Figure 122404DEST_PATH_IMAGE006
为0.4 kg，代入式1-1中，则有无阻尼自由振动弹性频率：
Figure 880144DEST_PATH_IMAGE007
1-3
得：
Figure 856191DEST_PATH_IMAGE008
。
本发明的原理及优点是：本发明包括轨道固定卡具、发电柱组件、太阳能板、电能转换及储能组件、软连线等组成，它应用机械共振理论，并在振动不足时，应用太阳能补充发电的方式，将能量转换储存在锂电池内，实现持续有效供电的方法，特别是通过计算优化了线圈和永磁铁的设计，永磁铁的高度就是线圈架不饶线圈的高度，压簧的高度就是线圈的高度，降低了材料成本，使电能达到最大值；提高了发电效率，发电储能系统将振动能量及太阳能通过电能转换板储存于工业锂电中，使其对低压供电设备可以直接供电。
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是发电及电能转换储能系统示意图；
图2是图1中的发电柱组件示意图；
图3是图1中的电能转换及储能组件示意图；
图4是图1中的轨道固定卡具示意图。
图中：1、发电柱组件； 1-1、底壳；1-2、顶盖；1-3、外柱；1-4、导磁柱；1-5、固定螺栓；1-6、压簧和铷錋磁铁；1-7、线圈架、1-8、线圈；2、电能转换储能组件；2-1、外壳；2-2、箱体；2-3、电能控制板；2-4、工业锂电池；3、轨道固定卡具；3-1、卡钩；3-2、卡块；4、太阳能板；5、软连线。
具体实施方式
为进一步阐述发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
如图1所示，本发明涉及一种轨旁俘能发电方法和储能系统，包括：发电柱组件1、电能转换储能组件2、轨道固定卡具3及太阳能板4，发电柱组件1通过轨道固定卡具3固定于轨道侧，与轨道刚性连接。
如图2所示，所述的发电柱组件1包括：底壳1-1、顶盖1-2、外柱1-3、导磁柱1-4、固定螺栓1-5、压簧和铷錋磁铁1-6、线圈架1-7、线圈1-8，由底壳1-1、顶盖1-2、外柱1-3构成一个柱状态密封结构，外柱1-3底部插入底壳1-1的密封槽内，顶盖1-2在柱状结构的外柱1-3顶部；所述柱状态密封结构的底壳1-1和顶盖1-2中心由固定螺栓1-5进行上下贯穿连接；以固定螺栓1-5为中心上下通过压簧固定压簧之间的铷錋磁铁，压簧和铷錋磁铁1-6和外柱1-3之间形成可放置线圈架1-7和线圈1-8的环状空间，线圈1-8固定在线圈架1-7上。
如图1和图2所示，当车辆通过轨道时，发电柱组件1与轨道、枕木、路基产生振动，压簧和铷錋磁铁1-6与轨道振动产生共振，铷錋磁铁产生最大上下位移量，与线圈1-8切割磁感线，进而产生交流电能，交流电通过软连线5与电能转换储能组件2电连接，将其输送至电能转换储能组件2进行电能转换储能。
靠近外柱1-3内侧有导磁柱1-4，以使铷錋磁铁与线圈1-8切割磁感线通过导磁柱1-4，保证其磁感线不泄露。
线圈1-8分上下两组，上下两组线圈1-8在铷錋磁铁上下端，使铷錋磁铁随弹簧上下位移时，至少有一端能切割磁力线。
如图3所示，所述的电能转换储能组件2包括：外壳2-1、箱体2-2、电能控制板2-3、锂电池2-4；外壳2-1套接在箱体2-2外侧，电能控制板2-3和锂电池2-4固定在箱体2-2内，电能控制板2-3分别与锂电池2-4和发电柱组件1的线圈输出电连接，由电能控制板2-3实现将轨道振动能量转换为电能并储存于锂电池2-4中。
还包括有太阳能板4，太阳能板4与电能控制板2-3电连接，当太阳能入射到太阳能板4时，太阳能板4通过软连线5与电能控制板2-3连接，实现太阳能转变为电能，并储存于锂电池2-4内。
如图4所示，所述的轨道固定卡具3包括：卡钩3-1和卡块3-2；卡钩3-1和卡块3-2分别与轨道工字底部两铡连接，卡钩3-1卡在轨道工字底部内侧，卡块3-2固定在轨道工字底部外侧，之间通过金属件连接，卡钩3-1和卡块3-2分别有与轨道工字底部相配的卡槽。
本发明涉及一种轨旁俘能发电方法和储能系统：包括如下步骤：
用测试仪测试轨道振动时域图，获取轨道振动频谱，依据轨道振动频谱进行弹性系统频率设计。
假设主频（加速度加大值的频率）为60Hz，假设初始速度为0，无阻尼自由振动弹性频率条件依据如下公式：
Figure 990369DEST_PATH_IMAGE001
1-1
选用上下两个弹性系数相等的弹簧，即；
Figure 837102DEST_PATH_IMAGE002
则有：
Figure 172269DEST_PATH_IMAGE003
1-2
将：
Figure 229086DEST_PATH_IMAGE004
和共振频率
Figure 901376DEST_PATH_IMAGE009
为60 Hz，弹性系统质量约
Figure 399353DEST_PATH_IMAGE006
为0.4 kg，代入式1-1中，则有无阻尼自由振动弹性频率：
Figure 108683DEST_PATH_IMAGE007
1-3
得：
Figure 918377DEST_PATH_IMAGE008
；
根据轨道限界要求，以60kg轨为对象，发电柱高度不能超过轨面以及内部发电柱空间要求，得到表1参数：
表1 发电柱参数表
Figure 800882DEST_PATH_IMAGE010
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种轨旁俘能发电储能系统，其特征是：包括：发电柱组件（1）、电能转换储能组件（2）、轨道固定卡具（3）及太阳能板（4），发电柱组件（1）通过轨道固定卡具（3）固定于轨道侧，与轨道刚性连接；所述的发电柱组件（1）包括：底壳（1-1）、顶盖（1-2）、外柱（1-3）、导磁柱（1-4）、固定螺栓（1-5）、压簧和铷錋磁铁（1-6）、线圈架（1-7）、线圈（1-8），由底壳（1-1）、顶盖（1-2）、外柱（1-3）构成一个柱状态密封结构，外柱（1-3）底部插入底壳（1-1）的密封槽内，顶盖（1-2）在顶部盖在柱状结构的外柱（1-3）顶部；所述柱状态密封结构的底壳（1-1）和顶盖（1-2）中心由固定螺栓（1-5）进行上下贯穿连接；以固定螺栓（1-5）为中心上下通过压簧固定压簧之间的铷錋磁铁，压簧和铷錋磁铁（1-6）和外柱（1-3）之间形成可放置线圈架（1-7）和线圈（1-8）的环状空间，线圈（1-8）固定在线圈架（1-7）上，当车辆通过轨道时，发电柱组件（1）与轨道、枕木、路基产生振动，压簧和铷錋磁铁（1-6）与轨道振动产生共振，铷錋磁铁产生最大上下位移量，与线圈（1-8）切割磁感线，进而产生交流电能，交流电通过软连线（5）与电能转换储能组件（2）电连接，将其输送至电能转换储能组件（2）进行电能转换储能。
2.根据权利要求1所述的一种轨旁俘能发电储能系统，其特征是：所述的外柱（1-3）内侧有导磁柱（1-4），以使铷錋磁铁与线圈（1-8）切割磁感线通过导磁柱（1-4）。
3.根据权利要求1所述的一种轨旁俘能发电储能系统，其特征是：线圈（1-8）分上下两组，上下两组线圈（1-8）在铷錋磁铁上下端，使铷錋磁铁随弹簧上下位移时，至少有一端能切割磁力线。
4.根据权利要求1所述的一种轨旁俘能发电储能系统，其特征是：所述的电能转换储能组件（2）包括：外壳（2-1）、箱体（2-2）、电能控制板（2-3）、锂电池（2-4）；外壳（2-1）套接在箱体（2-2）外侧，电能控制板（2-3）和锂电池（2-4）固定在箱体（2-2）内，电能控制板（2-3）分别与锂电池（2-4）和发电柱组件（1）的线圈输出电连接，由电能控制板（2-3）实现将轨道振动能量转换为电能并储存于锂电池（2-4）中。
5.根据权利要求1所述的一种轨旁俘能发电储能系统，其特征是：还包括有太阳能板（4），太阳能板（4）与电能控制板（2-3）电连接，当太阳能入射到太阳能板（4）时，太阳能板（4）通过软连线（5）与电能控制板（2-3）连接，实现太阳能转变为电能，并储存于锂电池（2-4）内。
6.根据权利要求1所述的一种轨旁俘能发电储能系统，其特征是：所述的轨道固定卡具（3）包括：卡钩（3-1）和卡块（3-2）；卡钩（3-1）和卡块（3-2）分别与轨道工字底部两铡连接，卡钩（3-1）卡在轨道工字底部内侧，卡块（3-2）固定在轨道工字底部外侧，之间通过金属件连接。
7.根据权利要求6所述的一种轨旁俘能发电储能系统，其特征是：卡钩（3-1）和卡块（3-2）分别有与轨道工字底部相配的卡槽。
8.一种轨旁俘能发电方法：其特征是：包括如下步骤：
用测试仪测试轨道振动时域图，获取轨道振动频谱，依据轨道振动频谱进行发电柱组件（1）弹性系统频率设计。
9.根据权利要求8所述的一种轨旁俘能发电方法：其特征是：具体步骤是：假设主频为60Hz，初始速度为0，无阻尼自由振动弹性频率条件依据如下公式：
Figure 440445DEST_PATH_IMAGE001
1-1
选用上下两个弹性系数相等的弹簧，即；
Figure 976468DEST_PATH_IMAGE002
则有：
Figure 742299DEST_PATH_IMAGE003
1-2
将：
Figure 162916DEST_PATH_IMAGE004
和共振频率
Figure 104327DEST_PATH_IMAGE005
为60 Hz，弹性系统质量约
Figure 277164DEST_PATH_IMAGE006
为0.4 kg，代入式1-1中，则有无阻尼自由振动弹性频率：
Figure 202395DEST_PATH_IMAGE007
1-3
得：
Figure 754599DEST_PATH_IMAGE008
；
根据轨道限界要求，以60kg轨为对象，发电柱高度不能超过轨面以及内部发电柱空间要求，得到表1参数：
表1 发电柱参数表
Figure 550516DEST_PATH_IMAGE009
。
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