CN113872463B - 一种面向架空输电线路的振动能量自驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向架空输电线路的振动能量自驱动系统，属于能源技术领域。该系统包括振动能量收集与转换装置、电能调理电路与封装外壳；振动能量收集与转换装置包括多层立体螺旋式摩擦纳米发电机与助动组件，用以收集振动能量并将其转化成交流形式的电能；电能调理电路包括整流桥、储能电容与稳压器，用以将摩擦纳米发电机产生的交流电能转化为直流电能并进行储存，再以稳定的输出电压给传感器供能；封装外壳用以对振动能量收集与转换装置以及对电能调理电路的整体密封。本系统能够高效收集架空输电线路振动能量并转换为传感器件可利用的电能，用以维持电力系统架空输电线路分布式传感器的无源化工作。

Description

一种面向架空输电线路的振动能量自驱动系统

技术领域

本发明属于能源技术领域，涉及一种面向架空输电线路的振动能量自驱动系统。

背景技术

架空输电线路作为电力系统能源传输的重要载体，具有档距跨度大、运行环境多变、气候条件差异明显的特点，需要多种属性的分布式传感器来监测输电线路的状态信息，确保电力系统可靠、稳定的运行。这些数量庞大、种类繁多的分布式传感器的供能问题是目前存在的难题，传统的供能方式因其各自的局限性，无法做到“一次部署、长期有效”的供能效果。通过在周围环境中寻求可以利用的能量，并有效地转换成电能是一种可行的解决思路。其中，导线振动普遍存在于架空输电线路中，当导线受到横向层流风的作用时，背风侧产生的卡门旋涡致极易使得导线发生上下交变的微振动。这些冗余、杂散、随机、微小的振动能量有希望被收集并进一步转化为可被利用的电能。为此，通过一种振动能量收集技术用于解决对架空输电线路分布式传感器的供能问题具有实际工程应用意义。

摩擦纳米发电机的发明为环境中微小、冗余、杂散能源的收集带来新途径。依据摩擦起电和静电感应原理，两种具有电负性差异的材料其表面(其中至少一个为绝缘材料)通过周期性的接触分离，能够直接将周围环境中的冗余机械能转换为电能，是一种灵活、高效、可持续的能源转换器件。摩擦纳米发电机通常以接触分离的工作模式来收集振动能量，但是对于传统接触分离式摩擦纳米发电机而言，很难在狭小的振动空间下获得较高的转换效率和电能输出。

对于输电线这一特殊狭小场景，需要将摩擦纳米发电机的结构设计得更为紧凑与灵活。因此可以通过引入新型的三维多层结构，一方面可以提供优异的灵活性，便于调节空间尺寸。另一方面能够提升空间利用率，使其可以灵敏、高效地响应振动激励，实现高功率输出的提升。因此，利用新型的摩擦纳米发电机，可以有效地将架空输电线路的微小振动能量进行高效收集并转换为电能，最后构建自驱动系统，从而解决线路分布式传感器供能问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向架空输电线路的振动能量自驱动系统，使得该系统能够通过收集架空输电线路振动能量实现对导线分布式传感器的持续供能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种面向架空输电线路的振动能量自驱动系统，该系统包括振动能量收集与转换装置、电能调理电路与封装外壳；

所述振动能量收集与转换装置包括多层立体螺旋式摩擦纳米发电机与助动组件，用以收集振动能量并将其转化成交流形式的电能。

可选的，所述多层立体螺旋式摩擦纳米发电机包括多层立体螺旋骨架、第一电极、第二电极和摩擦薄膜。

可选的，所述多层立体螺旋骨架为类扁弹簧结构，骨架的螺旋层具有上表面和下表面。

可选的，所述第一电极和第二电极为金属箔，分别独立地附着在所述多层立体螺旋骨架的上表面和下表面。

可选的，所述金属箔为金、银、铝、铜或铁。

可选的，所述摩擦薄膜附着在第一电极的上表面，且与第二电极存在一定间隙，摩擦薄膜与第二电极通过接触产生摩擦电荷。

可选的，所述摩擦薄膜为聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或聚酰亚胺。

可选的，所述助动组件包括圆柱形重物和圆柱形梁柱；

圆柱形重物中心位置具有圆形通孔，通孔能够插入圆柱形梁柱辅助重物做垂直方向的运动，重物底部与多层立体螺旋骨架顶端粘连，在振动的激励下带动多层立体螺旋式摩擦纳米发电机发生接触分离产生电能；

电能调理电路包括整流桥，用以将摩擦纳米发电机产生的交流电能转化为直流电能；储能电容，用以存储直流电能；以及稳压器，用以将存模块储存的直流电能以稳定的5V输出电压给传感器供能。

可选的，所述整流桥为KBU810型整流模块；

储能电容为10～100μF；

稳压器为7085三端稳压器。

可选的，所述封装外壳包括圆形顶板、圆形底板以及圆柱形空心圆管壳体，用以对振动能量收集与转换装置以及对电能调理电路的整体密封。

本发明的有益效果在于：本系统能够高效收集架空输电线路振动能量并转换为传感器件可利用的电能，用以维持电力系统架空输电线路分布式传感器的无源化工作。

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为振动能量收集与转换装置及其封装外壳的结构示意图；

图2为多层立体螺旋式摩擦纳米发电机工作原理；

图3为振动能量自驱动系统电能调理电路图。

附图标记：1-多层立体螺旋式摩擦纳米发电机、2-圆柱形重物、3-圆柱形梁柱、4-封装外壳、5-骨架、6-电极、7-摩擦薄膜。

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。

本发明具体可以实现对输电线路中振动、温度、湿度等微功耗(0.1mW～10mW)分布式传感器的自驱动化供能。

本发明提供一种面向架空输电线路的振动能量自驱动系统，包括振动能量收集与转换装置、电能调理电路与封装外壳；

图1为振动能量收集与转换装置及其封装外壳的结构示意图，振动能量收集与转换装置主要由多层立体螺旋式摩擦纳米发电机1和助动组件两部分组成。多层立体螺旋式摩擦纳米发电机如右下角放大视图所示，多层立体螺旋骨架5的上、下表面分别贴附金属箔6作为第一、第二电极。第一电极表面贴附摩擦薄膜7与第二电极构成接触分离式摩擦纳米发电机。助动组件包括圆柱形重物2和圆柱形梁柱3，圆柱形重物的下表面粘连多层立体螺旋式摩擦纳米发电机的顶端，在外部振动激励时，重物与基准平面产生相对位移促使摩擦纳米发电机发生接触分离。圆柱形梁柱位于圆柱形重物中心通孔确保重物在垂直方向的稳定运动防止抖动。封装外壳4由圆柱形空心圆管壳体和圆形顶、底板构成圆筒形密闭式空间，防止内部器件受到外界环境干扰。

图2为多层立体螺旋式摩擦纳米发电机的工作原理，在振动激励的作用下，助力装置带动摩擦纳米发电机的第二电极与摩擦薄膜形成物理接触，此阶段由于摩擦材料对电荷亲和性的差异，使得两摩擦层带有等量异号电荷，如图中的i所示。当激励被释放，两摩擦层开始彼此分离，在电势差的驱动下，第一、第二电极之间通过外部电路形成电荷移动，如图中的ii所示。电荷的移动持续到最大分离位置，如图中的iii所示。当两摩擦层再次趋于接触时，电势差逐渐减小至零，此时电荷发生回流，如图中的iv所示。通过如此周期性的接触分离，摩擦发电机将产生交流的电流脉冲信号对外部输出电能。

图3为振动能量自驱动系统电能调理电路图，将振动能量收集与转换装置的输出端口接入图3所示的电能调理电路，通过整流桥模块将收集的交流电能转换成直流形式，并对储能电容C进行充电。存储的电能输送至稳压器U0的端口1，并从端口3输出稳定的5V直流电压，以满足对分布式传感器的供能需求。

本实施例中还提供了各模块的制备方法，首先说明的是振动能量收集与转换装置的制备方法。

振动能量收集与转换装置的制备主要包括多层立体螺旋式摩擦纳米发电机和助动组件。多层立体螺旋式摩擦纳米发电机的骨架采用有机玻璃材质，利用激光切割机将厚度为1mm的有机玻璃板切割成外径为8cm，内径为6cm的开口圆环，6个相同的圆环其开口端比邻粘连构成立体螺旋式结构，螺旋层与层之间保留2mm间隙。其后，将厚度为100μm的金属箔用酒精和纯水洗净并放入烘箱干燥，并通过黏合剂充分地贴附在骨架的上、下表面，形成第一、第二两个电极。最后，将厚度为500μm的摩擦薄膜同样在进行洗净、干燥处理后通过导电胶贴附在第一电极上表面。

助动组件的圆柱形重物选用直径为6cm，厚度为6mm的环氧树脂圆盘，并在圆盘中心位置切割出直径为2cm的通孔。其次，圆柱形梁柱制作是将直径为1.9cm的环氧树脂圆棒切割成高度为8cm的圆柱。重物下表面与多层立体螺旋式摩擦纳米发电机的顶端粘连，二者保持竖直方向对齐。梁柱穿过重物中心通孔作为重物竖直方向的运动导轨。

相应的，电能调理电路的设计主要包括整流桥模块、储能电容和稳压器模块。整流桥模块将摩擦纳米发电机输出的周期交流电能转换为直流电能后对储能电容持续充电，存储的电能经稳压器模块输出稳定的直流电压。整流桥为KBU810型整流模块。储能电容的电容值可根据实际供能需要选择10～1000μF。稳压器模块为7085三端稳压器。

相应的，封装外壳为圆筒形密闭式结构，对振动能量收集与转换装置和电能调理电路进行密封。外壳材质采用不透明有机玻璃材质，封装等级满足防尘、防水、防震、抗老化等工程技术要求。

至此，完成了振动能量自驱动系统的的构建，使得该系统能够通过多层立体螺旋结构的振动能量收集与转换装置高效收集架空输电线路振动能量并转化为电能，经电能调理电路输出可被传感器件利用的直流电能，实现对输电线路分布式传感器的供能需求。

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 (2)

1.一种面向架空输电线路的振动能量自驱动系统，其特征在于：该系统包括振动能量收集与转换装置、电能调理电路与封装外壳；

所述振动能量收集与转换装置包括多层立体螺旋式摩擦纳米发电机与助动组件，用以收集振动能量并将其转化成交流形式的电能；

所述多层立体螺旋式摩擦纳米发电机包括多层立体螺旋骨架、第一电极、第二电极和摩擦薄膜；

所述多层立体螺旋骨架为类扁弹簧结构，骨架的螺旋层具有上表面和下表面；

所述第一电极和第二电极为金属箔，分别独立地附着在所述多层立体螺旋骨架的上表面和下表面；

所述金属箔为金、银、铝、铜或铁；

所述摩擦薄膜附着在第一电极的上表面，且与第二电极存在一定间隙，摩擦薄膜与第二电极通过接触产生摩擦电荷；

所述摩擦薄膜为聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或聚酰亚胺；

所述助动组件包括圆柱形重物和圆柱形梁柱；

圆柱形重物中心位置具有圆形通孔，通孔能够插入圆柱形梁柱辅助重物做垂直方向的运动，重物底部与多层立体螺旋骨架顶端粘连，在振动的激励下带动多层立体螺旋式摩擦纳米发电机发生接触分离产生电能；

电能调理电路包括整流桥，用以将摩擦纳米发电机产生的交流电能转化为直流电能；储能电容，用以存储直流电能；以及稳压器，用以将存模块储存的直流电能以稳定的5V输出电压给传感器供能；

所述整流桥为KBU810型整流模块；

储能电容为10～100μF；

稳压器为7085三端稳压器。

2.根据权利要求1所述的一种面向架空输电线路的振动能量自驱动系统，其特征在于：所述封装外壳包括圆形顶板、圆形底板以及圆柱形空心圆管壳体，用以对振动能量收集与转换装置以及对电能调理电路的整体密封。

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