CN113922733B - 一种用于高压电能表的混合发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压电能表的混合发电装置，包括支架、光伏发电系统、风力发电系统，风力发电系统包括安装在上端盖上的压电元件以及安装在压电元件上部的涡激振动结构；涡激振动结构包括安装在压电元件上部的连接板，连接板上部至少设有一根阻流柱；支臂一端上部设有光伏发电系统。本发明的太阳能、风能混合发电装置，不仅弥补了太阳能在持续发电上的缺陷，太阳能电池板反过来还能促进涡激振动结构进行高效率地发电，巧妙地最大化的利用了太阳能、风能各自发电结构的优势，尽可能地降低发电功率波动，使装置在任何气象条件下均有一定的发电功率输出，减少系统储能难度，确保被供电装置的连续不间断运行。

Description

一种用于高压电能表的混合发电装置

技术领域

本发明属于新能源发电领域，特别涉及一种用于高压电能表的混合发电装置。

背景技术

传统的高压电力计量装置主要由高压电压互感器、高压电流互感器和多功能电能表构成。其中电能表的驱动、供电主要通过感应取能获得，技术实现简单，成本相对较低。然而随着科学技术的发展，该高压电力计量装置面临的问题也十分严峻，主要有：整体计量误差不能统一界定，误差较大；存在铁磁谐振和漏油的故障隐患，安全性难以保障；运行能耗高，消耗大量的铜、铁、绝缘材料等资源；防窃电技术落后；安装不便等。尤其是消耗能源过大这一缺点，据统计，一台互感器平均每年会消耗1121到2523kwh的电量，一旦计量装置大规模安装，消耗掉的电量将非常庞大。为克服上述问题，加上传感器技术、通信技术、信息技术及计算机技术的进步，新型的高压电能表被提了出来。

新型高压电能表采用了高压单相电能计量模块的设计思想，通过一种悬浮在电力线高压端的电力单相高压电能计量模块进行计量，不仅有效地防止了窃电，还提高了计量精度。由于该模块采用低功耗的微控制器实现数字计量，自身耗能特别低，采用电池作为供电电源即可实现高压电能表的主要功能，同时也大大降低了互感器的设计指标，节约了产品材料消耗。然而电池作为高压电能表的供电电源，一旦电池电量耗尽，需要及时更换新电池，极大地增加了计量系统的维护成本。考虑到高压电能表一般布置在野外高处的环境，且自身功耗并不大，利用新能源技术，回收环境中的能量源替代电池给高压电能表供电，成为了一项行之有效的技术手段。

在白天、室外的自然环境下，太阳能功率密度高出风能、温差能等其它环境能源至少两到三个数量级，利用光伏电池发电是一种传统高效的新能源发电技术。但在阴雨天气或夜晚，太阳能功率密度将非常低，严重时甚至不能持续给电能表供电，进而影响电网电量计量。传统的风能发电装置一般利用电磁转换原理，采用涡轮叶片进行风力发电，该发电装置发电效率高，已经规模化生产应用。但用在微功耗的高压电能表中，由于涡轮叶片结构相对比较复杂，轴承、齿轮等关键零部件需要定期保养或者高标准设计，因此增加了产品成本且带来了较高的系统维护费用；另外涡轮叶片结构需要空间确保叶片可以无障碍旋转，这严重影响了结构装配的紧凑性。基于上述原因，本发明主要设计一种简单的涡激振动装置，利用压电转换原理进行风力发电。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于高压电能表的混合发电装置，提出一种结构简单的风力发电系统，并创造性地将将风力发电系统结合进来，采用太阳能、风能混合发电的方式，结构简单紧凑且最大限度的保证电能表持续供电需求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于高压电能表的混合发电装置，包括支架、光伏发电系统、风力发电系统，所述支架包括支撑柱，支撑柱下部设有下端盖，下端盖下部设有若干支腿，用于支撑混合发电装置，所述支撑柱上部设有上端盖，所述上端盖上部设有风力发电系统，所述风力发电系统包括安装在上端盖上的压电元件以及安装在压电元件上部的涡激振动结构，压电元件采用市售成熟产品，其原理是：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；压电元件与储能系统电性连接，其连接方式采用本领域技术人员熟知的方式；所述涡激振动结构包括安装在压电元件上部的连接板，连接板上部至少设有一根阻流柱，阻流柱的下端与连接板固定连接，阻流柱的上端为自由端；所述支撑柱一侧设有支臂，支臂一端上部设有光伏发电系统，所述光伏发电系统包括支撑框架以及安装在支撑框架上部的太阳能电池板，所述太阳能电池板位于阻流柱的正前方。

作为本技术方案的进一步优选，所述支腿中部设有减振弹簧，用于降低混合发电装置振动时对支架的影响。

作为本技术方案的进一步优选，所述上端盖上部设有第一夹板，所述连接板下部设有第二夹板，所述第一夹板和第二夹板上均设有若干紧固螺栓，所述压电元件的两端安装在第一夹板和第二夹板内部，便于阻流柱或压电元件损坏后的更换。

作为本技术方案的进一步优选，所述太阳能电池板的长宽比为3:1-5:1。

作为本技术方案的进一步优选，所述支臂一端设有底座，底座前端与支撑框架前端铰接，所述底座中部设有调节螺杆，调节螺杆上螺纹连接有调节块，所述调节块两侧设有导杆，底座两侧设有与导杆滑动配合的滑槽，所述导杆上部固定连接有连杆，连杆上端与支撑框架下部铰接，转动调节螺杆调整调节块的位置，有助于根据太阳的位置太阳能电池板的倾斜角度，增强太阳能电池板的能源利用效率。

作为本技术方案的进一步优选，所述底座下部设有两组导板，两组导板之间形成导槽，所述支臂间隙地安装在导槽内部，所述导板一侧设有第一紧固旋钮，用于底座的固定，根据风力大小调整底座的位置，从而调整太阳能电池板与阻流柱之间的距离，便于扩大阻流柱的振动幅度，从而保证风力发电的效果。

作为本技术方案的进一步优选，所述阻流柱下部为中空结构，连接板上设有若干插接柱，插接柱插接在阻流柱的内部，底部中空的阻流柱使得阻流柱的重心上移，进一步扩大了阻流柱的振动时的幅度。

作为本技术方案的进一步优选，所述支撑柱两端设有轴承，轴承外部设有轴套，所述轴套外部螺纹连接有用于固定轴套的第二紧固旋钮，第二紧固旋钮的一端与支撑柱外壁相抵，所述支臂固定地安装在轴套的一侧，轴套的另一侧设有连接管，连接管一侧设有尾舵，尾舵构成混合发电装置的被动迎风调向系统，风在尾舵上产生转向力矩，当风的流向与尾舵不在同一方向时，吹动尾舵带动轴套转动，当风的流向与尾舵在同一方向后，尾舵上的转向力矩为零，轴套不在发生旋转，此时涡激振动结构的振动幅度最大。

作为本技术方案的进一步优选，所述连接管内部套设有第一伸缩杆，连接管一端设有用于固定第一伸缩杆的第四紧固旋钮，第一伸缩杆用于调整尾舵与轴套的距离，第一伸缩杆伸出后既增加了尾舵对轴套的转向力矩，使其更加容易自适应调节迎风方向，最大化风力发电效率，又避免了湍流干扰。

作为本技术方案的进一步优选，所述第一伸缩杆一端设有套筒，套筒与连接管垂直布置，所述套筒内部第二伸缩杆，尾舵安装在第二伸缩杆的上端，套筒一端设有用于固定第二伸缩杆的第三紧固旋钮，第二伸缩杆用于尾舵在竖直方向上的调整，便于混合发电装置在紧凑的场合使用；为了避免第二伸缩杆受力时自转，所述套筒和第二伸缩杆截面为矩形或椭圆形。

本发明的有益效果是：

1)本发明的太阳能、风能混合发电装置，不仅弥补了太阳能在持续发电上的缺陷，太阳能电池板反过来还能促进涡激振动结构进行高效率地发电，巧妙地最大化的利用了太阳能、风能各自发电结构的优势，尽可能地降低发电功率波动，使装置在任何气象条件下均有一定的发电功率输出，减少系统储能难度，确保被供电装置的连续不间断运行，特别适用于野外高处高压电能表等独立智能设备。

2)在支腿中部设置了减振弹簧，降低了混合发电装置振动时对支架的影响。

3)在上端盖上部设置了第一夹板，在连接板下部设置了第二夹板，压电元件的两端安装在第一夹板和第二夹板内部，便于阻流柱或压电元件损坏后的更换。

4)在支臂的前端设置了太阳能电池板的角度调节机构，有助于增强太阳能电池板的能源利用效率。

5)将底座设计为滑动式结构，从而调整太阳能电池板与阻流柱之间的距离，便于扩大阻流柱的振动幅度，从而保证风力发电的效果。

6)阻流柱下部为中空结构，连接板上设有若干插接柱，插接柱插接在阻流柱的内部，底部中空的阻流柱使得阻流柱的重心上移，进一步扩大了阻流柱的振动时的幅度。

7)支撑柱的外部转动地设置了轴套，并在轴套的一侧设置了尾舵，尾舵构成混合发电装置的被动迎风调向系统，风在尾舵上产生转向力矩，当风的流向与尾舵不在同一方向时，吹动尾舵带动轴套转动，当风的流向与尾舵在同一方向后，尾舵上的转向力矩为零，轴套不在发生旋转，此时涡激振动结构的振动幅度最大。

8)连接管内部套设有第一伸缩杆，连接管一端设有用于固定第一伸缩杆的第四紧固旋钮，第一伸缩杆用于调整尾舵与轴套的距离，第一伸缩杆伸出后既增加了尾舵对轴套的转向力矩，使其更加容易自适应调节迎风方向，最大化风力发电效率，又避免了湍流干扰。

9)第一伸缩杆一端设有套筒，套筒与连接管垂直布置，套筒内部第二伸缩杆，尾舵安装在第二伸缩杆的上端，套筒一端设有用于固定第二伸缩杆的第三紧固旋钮，第二伸缩杆用于尾舵在竖直方向上的调整，便于混合发电装置在紧凑的场合使用；为了避免第二伸缩杆受力时自转，所述套筒和第二伸缩杆截面为矩形或椭圆形。

附图说明

附图1是本发明一种用于高压电能表的混合发电装置结构示意图。

附图2是本发明一种用于高压电能表的混合发电装置中支架结构示意图。

附图3是本发明一种用于高压电能表的混合发电装置中轴套与光伏发电系统、风力发电系统连接图。

附图4是本发明一种用于高压电能表的混合发电装置中光伏发电系统结构示意图。

附图5是本发明一种用于高压电能表的混合发电装置中涡激振动结构结构示意图。

图中：1、支架；101、支腿；102、减振弹簧；103、支撑柱；104、下端盖；105、上端盖；106、轴承；107、第一夹板；108、紧固螺栓；2、光伏发电系统；201、支撑框架；202、太阳能电池板；203、底座；204、调节螺杆；205、调节块；206、导杆；207、滑槽；208、连杆；209、导板；210、第一紧固旋钮；3、轴套；301、支臂；302、连接管；303、第二紧固旋钮；304、第一伸缩杆；305、套筒；306、第二伸缩杆；307、尾舵；308、第三紧固旋钮；4、压电元件；5、涡激振动结构；501、连接板；502、第二夹板；503、插接柱；504、阻流柱。

具体实施方式

下面结合附图1-5，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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、特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-2所示，一种用于高压电能表的混合发电装置，包括支架1、光伏发电系统2、风力发电系统，所述支架1包括支撑柱103，支撑柱103下部设有下端盖104，下端盖104下部设有若干支腿101，用于支撑混合发电装置，所述支撑柱103上部设有上端盖105，所述上端盖105上部设有风力发电系统，所述风力发电系统包括安装在上端盖105上的压电元件4以及安装在压电元件4上部的涡激振动结构5，压电元件4采用市售成熟产品，其原理是：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；压电元件4与储能系统电性连接，其连接方式采用本领域技术人员熟知的方式；所述涡激振动结构5包括安装在压电元件4上部的连接板501，连接板501上部至少设有一根阻流柱504，在本实施例中，连接板501上设有两根阻流柱504，阻流柱504的下端与连接板501固定连接，阻流柱504的上端为自由端；所述支撑柱103一侧设有支臂301，支臂301一端上部设有光伏发电系统2，所述光伏发电系统2包括支撑框架201以及安装在支撑框架201上部的太阳能电池板202，所述太阳能电池板202位于阻流柱504的正前方。

如图2所示，在本实施例中，所述支腿101中部设有减振弹簧102，用于降低混合发电装置振动时对支架1的影响。

如图2、图5所示，在本实施例中，所述上端盖105上部设有第一夹板107，所述连接板501下部设有第二夹板502，所述第一夹板107和第二夹板502上均设有若干紧固螺栓108，所述压电元件4的两端安装在第一夹板107和第二夹板502内部，便于阻流柱504或压电元件4损坏后的更换。

在本实施例中，所述太阳能电池板202的长宽比为3:1-5:1。

如图4所示，在本实施例中，所述支臂301一端设有底座203，底座203前端与支撑框架201前端铰接，所述底座203中部设有调节螺杆204，调节螺杆204上螺纹连接有调节块205，所述调节块205两侧设有导杆206，底座203两侧设有与导杆206滑动配合的滑槽207，所述导杆206上部固定连接有连杆208，连杆208上端与支撑框架201下部铰接，转动调节螺杆204调整调节块205的位置，有助于根据太阳的位置太阳能电池板202的倾斜角度，增强太阳能电池板202的能源利用效率。

如图4所示，在本实施例中，所述底座203下部设有两组导板209，两组导板209之间形成导槽，所述支臂301间隙地安装在导槽内部，所述导板209一侧设有第一紧固旋钮210，用于底座203的固定，根据风力大小调整底座203的位置，从而调整太阳能电池板202与阻流柱504之间的距离，便于扩大阻流柱504的振动幅度，从而保证风力发电的效果。

如图5所示，在本实施例中，所述阻流柱504下部为中空结构，连接板501上设有若干插接柱503，插接柱503插接在阻流柱504的内部，底部中空的阻流柱504使得阻流柱504的重心上移，进一步扩大了阻流柱504的振动时的幅度。

如图2-3所示，在本实施例中，所述支撑柱103两端设有轴承106，轴承106外部设有轴套3，所述轴套3外部螺纹连接有用于固定轴套3的第二紧固旋钮303，第二紧固旋钮303的一端与支撑柱103外壁相抵，所述支臂301固定地安装在轴套3的一侧，轴套3的另一侧设有连接管302，连接管302一侧设有尾舵307，尾舵307构成混合发电装置的被动迎风调向系统，风在尾舵307上产生转向力矩，当风的流向与尾舵307不在同一方向时，吹动尾舵307带动轴套3转动，当风的流向与尾舵307在同一方向后，尾舵307上的转向力矩为零，轴套3不在发生旋转，此时涡激振动结构5的振动幅度最大。

如图3所示，在本实施例中，所述连接管302内部套设有第一伸缩杆304，连接管302一端设有用于固定第一伸缩杆304的第四紧固旋钮，第一伸缩杆304用于调整尾舵307与轴套3的距离，第一伸缩杆304伸出后既增加了尾舵307对轴套3的转向力矩，使其更加容易自适应调节迎风方向，最大化风力发电效率，又避免了湍流干扰。

如图3所示，在本实施例中，所述第一伸缩杆304一端设有套筒305，套筒305与连接管302垂直布置，所述套筒305内部第二伸缩杆306，尾舵307安装在第二伸缩杆306的上端，套筒305一端设有用于固定第二伸缩杆306的第三紧固旋钮308，第二伸缩杆306用于尾舵307在竖直方向上的调整，便于混合发电装置在紧凑的场合使用；为了避免第二伸缩杆306受力时自转，所述套筒305和第二伸缩杆306截面为矩形或椭圆形。

在光照条件较好的情况下，太阳能电池板202主要用于光伏发电；此时将太阳能电池板202的位置和角度调整完毕后，利用第二紧固旋钮303将轴套3固定，避免轴套3转动，使太阳能光伏板最大化的利用、转化太阳能。

在光照条件极差的情况下，松开第二紧固旋钮303，使轴套3在支撑柱103外部自由转动，太阳能电池板202扮演涡激振动系统中的阻流体角色，在空气经过太阳能电池板202时产生左右相间的卡门涡街，进而激发涡激振动结构5产生振动，在压电元件4上产生周期性变化的应变，最终通过压电材料的正压电效应产生电能；阻流柱504的自由端设计为圆柱体形状，其本身也可以激发卡门涡街，该设计首先增加了涡街数量，有助于激发结构振动，其次防止当风垂直于太阳能电池板202吹来时，因结构自由端没有发生湍流而无法激振的情况出现。其中，其中尾舵307用于调节太阳能电池板202和涡激振动结构5的方向，使其在风能发电占主要地位时布置在来流方向。

需要说明的是，若太阳能电池板202用于发电时正好处于正面迎风方向，则太阳能、风能混合发电装置在必要情况下可同时工作，该必要情况主要有：储能单元存储电能极低，由于光照条件导致光伏发电功率较低、但风力发电功率较高等。

以上内容仅仅是对本发明的结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于高压电能表的混合发电装置，包括支架、光伏发电系统、风力发电系统，所述支架包括支撑柱，支撑柱下部设有下端盖，下端盖下部设有若干支腿，所述支撑柱上部设有上端盖，其特征在于，所述上端盖上部设有风力发电系统，所述风力发电系统包括安装在上端盖上的压电元件以及安装在压电元件上部的涡激振动结构，压电元件与储能系统电性连接；所述涡激振动结构包括安装在压电元件上部的连接板，连接板上部至少设有一根阻流柱，阻流柱的下端与连接板固定连接，阻流柱的上端为自由端；所述支撑柱一侧设有支臂，支臂一端上部设有光伏发电系统，所述光伏发电系统包括支撑框架以及安装在支撑框架上部的太阳能电池板，所述太阳能电池板位于阻流柱的正前方；所述支臂一端设有底座，底座前端与支撑框架前端铰接，所述底座中部设有调节螺杆，调节螺杆上螺纹连接有调节块，所述调节块两侧设有导杆，底座两侧设有与导杆滑动配合的滑槽，所述导杆上部固定连接有连杆，连杆上端与支撑框架下部铰接；所述底座下部设有两组导板，两组导板之间形成导槽，所述支臂间隙地安装在导槽内部，所述导板一侧设有第一紧固旋钮；所述阻流柱下部为中空结构，连接板上设有若干插接柱，插接柱插接在阻流柱的内部；所述支撑柱两端设有轴承，轴承外部设有轴套，所述轴套外部螺纹连接有用于固定轴套的第二紧固旋钮，第二紧固旋钮的一端与支撑柱外壁相抵，所述支臂固定地安装在轴套的一侧，轴套的另一侧设有连接管，连接管一侧设有尾舵，尾舵构成混合发电装置的被动迎风调向系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于高压电能表的混合发电装置，其特征在于，所述支腿中部设有减振弹簧。

3.根据权利要求1所述的一种用于高压电能表的混合发电装置，其特征在于，所述上端盖上部设有第一夹板，所述连接板下部设有第二夹板，所述第一夹板和第二夹板上均设有若干紧固螺栓，所述压电元件的两端安装在第一夹板和第二夹板内部。

4.根据权利要求1所述的一种用于高压电能表的混合发电装置，其特征在于，所述太阳能电池板的长宽比为3:1-5:1。

5.根据权利要求1所述的一种用于高压电能表的混合发电装置，其特征在于，所述连接管内部套设有第一伸缩杆，连接管一端设有用于固定第一伸缩杆的第四紧固旋钮。

6.根据权利要求5所述的一种用于高压电能表的混合发电装置，其特征在于，所述第一伸缩杆一端设有套筒，套筒与连接管垂直布置，所述套筒内部第二伸缩杆，尾舵安装在第二伸缩杆的上端，套筒一端设有用于固定第二伸缩杆的第三紧固旋钮，所述套筒和第二伸缩杆截面为矩形或椭圆形。