CN113676081A - 一种通风巷道风能能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通风巷道风能能量收集装置，属于风能能量收集领域，包括固定振动槽、绝缘扇叶组、传动轴、压电振子组、能量收集模块、储能模块和输出模块；所述传动轴设置在固定振动槽内，其一端连接用于通过风力带动传动轴旋转的绝缘扇叶组，另一端设有用于触碰压电振子组的绝缘凸出端，所述压电振子组设置在固定振动槽上，所述压电振子组依次连接能量收集模块、储能模块和输出模块；所述压电振子组被绝缘凸出端碰撞产生持续振动，生成正负电荷，所述能量收集模块用于收集所述正负电荷，并存储在储能模块中，再通过输出模块调配电压等级，输出电压。本发明能量转换效率高，操作简单，适用性强。
Description
技术领域
本发明属于风能能量收集领域，涉及一种通风巷道风能能量收集装置。
背景技术
矿用无线传感器作为煤矿安全监控系统的重要组成部分，在保障煤矿安全生产方面起着举足轻重的作用，现阶段矿井企业安全检测装备绝大多数都是采用在线式供电方式。在线式供电传感器装置具有长时间稳定工作的优点，但是在实际使用中存在布线成本高、井下布线难、线路电能损耗大等缺点。目前国内外都在进行无线传感器装备应用技术的推广，可是无线传感器装备在煤矿领域并未得到大规模的应用，其主要原因是受制于能源供给问题。主要表现在两个方面：一是无线传感器的供电方式：无线传感器采用电池供电，电池供电具有寿命周期的局限性，维护难度大；使用有线供电，则失去了无线设备的优势，还增加了应用成本；二是无线传感器网络节点对能量的需求大：是由于传感器节点担负着数据采集和发送任务，自身功耗过大，所需能量也大，传感器节点的有限能源显得尤其珍贵。因此，迫切需要井下就近供电技术，将井下的自然资源转化成电能为无线传感器装备提供供电。
矿井通风是煤矿企业生产的必要因数，通风所产生的风能在井下是无处不在，这为通风巷道风能能量收集提供了可靠的能源基础。通风巷道风能收集装置对装置的应用提出了苛刻的要求，需考虑能量收集装置的风力范围、摩擦热能、防爆等措施。还需要考虑装置在有限风能范围内安全提高能量的转换效率。
综上所述，为了实现通风巷道内风能能量收集，满足就近无线传感器供电需求，迫切需要一种适用于通风巷道的风能能量收集方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种通风巷道风能能量收集装置。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种通风巷道风能能量收集装置，包括固定振动槽、绝缘扇叶组、传动轴、压电振子组、能量收集模块、储能模块和输出模块；所述传动轴设置在固定振动槽内，其一端连接用于通过风力带动传动轴旋转的绝缘扇叶组，另一端设有用于触碰压电振子组的绝缘凸出端，所述压电振子组设置在固定振动槽上，所述压电振子组依次连接能量收集模块、储能模块和输出模块；所述压电振子组被绝缘凸出端碰撞产生持续振动，生成正负电荷，所述能量收集模块用于收集所述正负电荷，并存储在储能模块中，再通过输出模块调配电压等级，输出电压。
进一步，所述固定振动槽为密封空腔圆柱体，在固定振动槽内固定有轴承座，所述传动轴设置在轴承座内，所述空腔为采集隔离腔。
进一步，所述压电振子组包括三个并联的压电振子，所述三个压电振子设置在固定振动槽内壁的三个方向上。
进一步，所述压电振子的材料为MFC纤维复合型材料，压电电压常数为ε，满足压电方程为：
T＝Ed(S-εD)
E＝-εT+βD
其中，T为应力，Ed为弹性模量，S为应变，D为电位移，E为电场强度，β为介电系数；
由胡克定律得到压电材料的拉力与截面积间的线性应变关系为：
其中l/L为伸缩应变，L、W、H分别为压电振子长、宽、厚度，基板厚度为h0，γ为h0/H，截面应力与弯矩的关系为：
M(x)＝∫STds＝F(x-L)
其中，M(x)为截面弯矩，F为截面应力，x为压电振子测点到固定端距离；
开路电压与为压电激励位移间的关系为：
其中，V为开路电压，ε为压电电压常数，δt为激励位移；
截面应力与压电激励位移间的关系为：
进一步，还包括矿用无线传感器，所述矿用无线传感器通过输出模块连接供电。
本发明的有益效果在于：本发明的压电振子是采用电级并联模型，降低内阻，减少内耗，使得负载能够获得更大的功率，能量转换效率高；本发明安装、拆卸简单，可就地安装在无线传感器附近，根据本地风速条件，配置最优的压电振子数量，可移动性强，适应环境能力强。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1(a)(b)分别为本发明所述通风巷道风能能量收集装置左视图和正视图；
图2(a)(b)均为压电振子力学示意图；
图3为压电振子并联示意图；
图4(a)(b)(c)(d)分别为能量收集装置收集2m/s、4m/s、6m/s和8m/s风速的波形图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图4，本发明专利公开一种通风巷道风能能量收集装置的制备方法，通风巷道风能能量收集装置是由绝缘扇叶组、绝缘凸出传动轴、固定振动槽、压电振子组、采集隔离腔组成。在能量收集时，装置扇叶组在一定的风力作用下，由通风巷道风力带动绝缘扇叶组旋转，当风力大于传动轴阻力时，迫使扇叶组带动传动轴旋转，传动轴凸出部分与压电振子片末端产生碰撞，驱使压电振子在受外力的作用下产生电荷分离，压电振子正负极两端聚集大量正负离子，有效地提高压电材料两端形成电势差，利用能量采集模块将压电振子两端的能量进行捕获处理，输出可储存的直流电，并储存到储能模块中，实现风能能量的收集，输出模块可根据输出需求可调配无线传感器所需要的电压等级。本发明采用绝缘材料制备能量收集装置，能够避免能量在转换过程中产生火花，提高能量收集装置在通风巷道中能量收集的安全性。
压电振子在机械振动的下建立开路电压与压电激励位移的关系，机械外力与压电激励位移的关系。根据图2(a)和2(b)压电振子的力学示意图，通过压电振子的输出电压、输出功率、振动幅值、振动频率和压电效应公式进行理论推导。
压电材料选用MFC纤维复合型材料，压电电压常数为ε，满足压电方程为：
T＝Ed(S-εD)
E＝-εT+βD
其中，T为应力，S为应变，D为电位移，β为介电系数，E为电场强度。
由胡克定律可得知压电材料的拉力与截面积间的线性应变关系为：
其中Ed为弹性模量，l/L为伸缩应变，L、W、H分别为压电振子长、宽、厚度，基板厚度为h0，γ为h0/H，截面应力与弯矩的关系为：
M(x)＝∫STds＝F(x-L)
可推导出开路电压与为压电激励位移间的关系为：
截面应力与压电激励位移间的关系为：
如图3所示，压电振子输出端是采用并联模式进行能量的采集，是因为能量收集装置的输出功率与输出电压、收集装置等效内阻、负载阻值、压电振子的长和厚等有关。压电振子采用不同的连接方式，输出的电压也是不同的。压电振子串联时，相当于将各个电压源的内阻串联起来，增加了等效内阻的阻值，降低了能量收集的转换效率。因此，压电振子采用并联模式进行能量收集。当压电振子受机械激励后，压电材料本身输出的电压大，但电流低，采用并联模式比串联模式效果更好，转换效能更高。
风能能量收集过程是由巷道内稳定的风速作为能源来源，当风速足够大时，能够驱动风能能量收集装置的绝缘扇叶组旋转。在风力和惯性力的作用下，扇叶组的动力大于传动轴的阻力时，传动轴带动绝缘凸出端开始旋转，当绝缘凸出端碰撞到压电振子时，压电振子做持续的振动，压电材料两端出现正负电荷分离。当风速越大时，压电振子两端出现的电荷越多。压电振子组按并联方式连接，掉线引出，将风能转换为有效的电能。风能能量收集装置在环形风筒内做了风能能量收集实验测试，分别进行了2m/s、4m/s、6m/s和8m/s的实验测试，测试结果的波形图如图4(a)(b)(c)(d)所示。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种通风巷道风能能量收集装置，其特征在于：包括固定振动槽、绝缘扇叶组、传动轴、压电振子组、能量收集模块、储能模块和输出模块；所述传动轴设置在固定振动槽内，其一端连接用于通过风力带动传动轴旋转的绝缘扇叶组，另一端设有用于触碰压电振子组的绝缘凸出端，所述压电振子组设置在固定振动槽上，所述压电振子组依次连接能量收集模块、储能模块和输出模块；所述压电振子组被绝缘凸出端碰撞产生持续振动，生成正负电荷，所述能量收集模块用于收集所述正负电荷，并存储在储能模块中，再通过输出模块调配电压等级，输出电压。
2.根据权利要求1所述的通风巷道风能能量收集装置，其特征在于：所述固定振动槽为密封空腔圆柱体，在固定振动槽内固定有轴承座，所述传动轴设置在轴承座内，所述空腔为采集隔离腔。
3.根据权利要求1所述的通风巷道风能能量收集装置，其特征在于：所述压电振子组包括三个并联的压电振子，所述三个压电振子设置在固定振动槽内壁的三个方向上。
4.根据权利要求1所述的通风巷道风能能量收集装置，其特征在于：所述压电振子的材料为MFC纤维复合型材料，压电电压常数为ε，满足压电方程为：
T＝Ed(S-εD)
E＝-εT+βD
其中，T为应力，Ed为弹性模量，S为应变，D为电位移，E为电场强度，β为介电系数；
由胡克定律得到压电材料的拉力与截面积间的线性应变关系为：
其中l/L为伸缩应变，L、W、H分别为压电振子长、宽、厚度，基板厚度为h0，γ为h0/H，截面应力与弯矩的关系为：
M(x)＝∫STds＝F(x-L)
其中，M(x)为截面弯矩，F为截面应力，x为压电振子测点到端侧距离；
开路电压与为压电激励位移间的关系为：
其中，V为开路电压，ε为压电电压常数，δt为激励位移；
截面应力与压电激励位移间的关系为：
5.根据权利要求1所述的通风巷道风能能量收集装置，其特征在于：还包括矿用无线传感器，所述矿用无线传感器通过输出模块连接供电。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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