CN116015098A - 一种输电线振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源开发技术领域，尤其涉及一种输电线振动能量收集装置，包括：配重块，配重块套设于输电线外，配重块为空心柱形结构；壳体，壳体套设于配重块外，壳体形状与配重块对应设置；若干第一弹性发电单元和第二弹性发电单元，若干第一弹性发电单元设置于配重块与输电线之间，且以输电线为中心呈辐射状，若干第二弹性发电单元设置于配重块与壳体之间，且以配重块为中心呈辐射状，第一弹性发电单元和第二弹性发电单元为底电极与对电极交叉折叠形成的弹性结构；电路模块，电路模块设置于壳体内，且与若干第一弹性发电单元和第二弹性发电单元电连接，对电能进行处理及输出。本发明中，能量捕获效率高，保证输电线路安全可靠运行。

Description

一种输电线振动能量收集装置

技术领域

本发明涉及新能源开发技术领域，尤其涉及一种输电线振动能量收集装置。

背景技术

智能电网在现代社会中起着至关重要的作用，电力传输系统是电网的重要组成部分之一，它主要承载电能的传输，电网中电力传输系统的潜在缺陷或不可预见的故障可能会导致停电和事故，因此，在线监测和故障诊断技术是保证输电线路安全可靠运行的必要手段。

输电线路在线监测的实现依赖于有限能量分布在大范围、复杂区域的传感器网络的发展，这些传感器可以实现互联和人机交互的目的。然而，随着传感器数量的大量增加，如何给这些传感器进行供电成为瓶颈，也制约了输电线路长期传感要求的实现。

传统的用于监测输电线路状况的传感器包括电池供电、太阳能供电及感应供电，但同时也暴露处设备寿命有限、环境污染严重、可维护性低等问题。

随着近些年来摩擦纳米发电机的发展，静电感应式发电技术因其具有较好的输出特性逐渐被广泛应用，该技术主要依赖于驻极体材料，驻极体材料是一种具有保存电荷能力的材料，驻极体材料在受到强外电场的作用后其表面被极化，产生的极化电荷在电场较小的时候仍能在很长时间内保持电荷。此外，驻极体在被极化后其表面可以同时保留偶极电荷。以上的一些特性，为驻极体材料的图形化充电和更有效的充电方案研究提供了可能。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提供了一种输电线振动能量收集装置，从而有效解决背景技术中的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种输电线振动能量收集装置，包括：

配重块，所述配重块套设于输电线外，所述配重块为空心柱形结构；

壳体，所述壳体套设于所述配重块外，所述壳体形状与所述配重块对应设置；

若干第一弹性发电单元和第二弹性发电单元，若干所述第一弹性发电单元设置于所述配重块与输电线之间，且以所述输电线为中心呈辐射状，若干所述第二弹性发电单元设置于所述配重块与所述壳体之间，且以所述配重块为中心呈辐射状，所述第一弹性发电单元和第二弹性发电单元为底电极与对电极交叉折叠形成的弹性结构；

电路模块，所述电路模块设置于所述壳体内，且与若干所述第一弹性发电单元和第二弹性发电单元电连接，对电能进行处理及输出。

进一步地，输电线外固定设置有接线瓦，所述第一弹性发电单元其中一端与所述接线瓦外壁固定连接，另一端与所述配重块内壁固定连接。

进一步地，所述接线瓦包括若干安装块，若干所述安装块组合构成圆柱形，包裹于输电线外壁。

进一步地，所述接线瓦在输电线长度延伸方向的两端分别设置有限位块，两所述限位块穿过输电线，对所述接线瓦的两端进行限位。

进一步地，所述接线瓦外半径为R₁，所述配重块内壁半径为R₂，所述配重块外壁半径为R₃，所述壳体的内壁半径为R₄，所述第一弹性发电单元和第二弹性发电单元压缩后的最小长度为L₁，拉伸后的最大长度为L₂；各尺寸关系为：

进一步地，所述底电极和对电极分别为条形反复折叠结构，且相互垂直交叉组成所述第一弹性发电单元和第二弹性发电单元。

进一步地，所述底电极为电镀铜薄片、聚铣亚胺和电镀铜薄片构成的三层结构；

所述对电极为驻极体薄膜、电镀铜薄片、聚铣亚胺、电镀铜薄片和驻极体薄膜构成的五层结构。

进一步地，所述驻极体薄膜通过派瑞林Parylene、特氟龙Teflon或二氧化硅制备而成，且通过电晕极化为所述驻极体薄膜充上预置电荷，形成表面偏置电压。

进一步地，所述配重块由聚甲基丙烯酸甲酯或ABS塑料制成，且能在所述壳体与输电线之间的空间内进行周向运动。

进一步地，所述壳体由聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种材料制备而成。

进一步地，所述配重块和壳体分别包括两半圆柱体，两所述半圆柱体可拆卸固定连接，构成所述配重块和壳体。

进一步地，所述限位块为柔性材料，由硅酸凝胶、橡胶中的一种或多种材料制成。

进一步地，所述壳体外设置有若干薄膜太阳能电池，若干所述薄膜太阳能电池沿所述壳体外壁阵列排布，且与所述电路模块电连接。

进一步地，若干所述第一弹性发电单元、第二弹性发电单元和薄膜太阳能电池分别通过串联或并联组成线性发电网络。

进一步地，所述电路模块包括电源管理模块和无线通信模块，所述电源管理模块对电能进行处理并输出至传感器或进行储存，所述无线通信模块与外界进行通信；

所述电源管理模块包括整流器，每个所述第一弹性发电单元和第二弹性发电单元分别设置有一所述整流器，所述底电极和对电极引出导线作为交流输出口，经过所述整流器整流后，每个所述整流器输出端的正负接口依次串联。

本发明的有益效果为：本发明通过设置配重块、壳体、第一弹性发电单元和第二弹性发电单元和电路模块，位于壳体与输电线之间的空间内的配重块一直处于不稳定的状态，当输电线由于风能产生振动时，配重块会在空间内进行运动，带动第一弹性发电单元和第二弹性发电单元产生不同程度的伸缩变化，进而由静电感应产生高额的输出电压，多个第一弹性发电单元和第二弹性发电单元的输出电压经过处理后，具有高额的总输出电压，从而将机械能转化为电能，能量捕获效率高，提高能量的转化效率，且振动能量收集装置具有体积轻、紧凑、节能环保、可收集多个方向的振动能量、发电效率高、使用寿命长等优点，能够对输电线在线监测和故障诊断的传感器进行功能，保证输电线路安全可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中局部剖视图；

图3为图1中的爆炸图；

图4为第一弹性发电单元的结构示意图；

图5为图4中的爆炸图；

图6为电路示意图；

图7为能量收集装置尺寸示意图；

图8为配重块振动时的示意图，图中a-c为配重块不同状态时的示意图；

图9为将6个弹性发电单元并联后的电学测试图；

图10为单个薄膜太阳能电池的电学测试图。

附图标记：1、配重块；2、壳体；21、薄膜太阳能电池；3、第一弹性发电单元；31、底电极；32、对电极；4、第二弹性发电单元；5、电路模块；51、电源管理模块；52、无线通信模块；6、接线瓦；61、安装块；62、限位块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至3所示：一种输电线振动能量收集装置，包括：

配重块1，配重块1套设于输电线外，配重块1为空心柱形结构；

壳体2，壳体2套设于配重块1外，壳体2形状与配重块1对应设置；

若干第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4，若干第一弹性发电单元3设置于配重块1与输电线之间，且以输电线为中心呈辐射状，若干第二弹性发电单元4设置于配重块1与壳体2之间，且以配重块1为中心呈辐射状，第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4为底电极31与对电极32交叉折叠形成的弹性结构；

电路模块5，电路模块5设置于壳体2内，且与若干第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4电连接，对电能进行处理及输出。

通过设置配重块1、壳体2、第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4和电路模块5，位于壳体2与输电线之间的空间内的配重块1一直处于不稳定的状态，当输电线由于风能产生振动时，配重块1会在空间内进行运动，带动第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4产生不同程度的伸缩变化，进而由静电感应产生高额的输出电压，多个第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4的输出电压经过处理后，具有高额的总输出电压，从而将机械能转化为电能，能量捕获效率高，提高能量的转化效率，且振动能量收集装置具有体积轻、紧凑、节能环保、可收集多个方向的振动能量、发电效率高、使用寿命长等优点，能够对输电线在线监测和故障诊断的传感器进行功能，保证输电线路安全可靠运行。

现有技术中波浪能的频率主要集中0.01Hz～1Hz，具有频率低、随机性强等特点，采用单层结构便可有效收集波浪能。而输电线的振动频率集中在3～150Hz，输电线受到稳定的微风作用时，便在导线背后形成以一定频率上下交替变化的气流旋涡,从而使导线受到一个上下交变的脉冲力作用，且振动是沿整个导线呈驻波分布的，导线振动会使得导线反复拗折，引起材料疲劳，最后导致断股、断线事故，对线路的正常安全运行危害较大，因此需要引入减震装置。本发明中设计有双层发电单元，由于壳体与输电线固连，配重块的内外分布着多个弹性发电单元，相当于将配重块通过弹簧与输电线、壳体进行连接，因此本发明装置可以看作是一个质量弹簧阻尼器，本身具有吸振的作用。当气流旋涡的交替变化频率与导线的固有自振频率相等时，将使导线在垂直平面内产生共振，此时配重块1将相对于输电线与壳体产生周向最大位移，此时弹性发电单元将产生最大电学输出，相比于单层结构，双层结构的设计将显著提升电学输出。

在本实施例中，输电线外固定设置有接线瓦6，第一弹性发电单元3其中一端与接线瓦6外壁固定连接，另一端与配重块1内壁固定连接。

其中，接线瓦6包括若干安装块61，若干安装块61组合构成圆柱形，包裹于输电线外壁。

将接线瓦6设置为绝缘材料，对输电线进行保护，可以将第一弹性发电单元3粘接在接线瓦6的外壁进行固定，且将接线瓦6设置成若干个安装块61，可以粘接在输电线的外壁上，共同组成圆柱形，方便安装。

其中，接线瓦6在输电线长度延伸方向的两端分别设置有限位块62，两限位块62穿过输电线，对接线瓦6的两端进行限位。

如图9所示，接线瓦6外半径为R1，配重块1内壁半径为R2，配重块1外壁半径为R3，壳体2的内壁半径为R4，第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4压缩后的最小长度为L1，拉伸后的最大长度为L2；各尺寸关系为：

通过将各尺寸的关系进行限定，可以实现电能捕获效率的最大化。

如图4至5所示，在本实施例中，底电极31和对电极32分别为条形反复折叠结构，且相互垂直交叉组成第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4。

第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4由底电极31和对电极32交叉折叠而成。底电极31和对电极32预先制备成矩形长条，矩形长条都由若干个小型电极单元顺序连接，连接处的铜薄片呈小型条状，具有较高的可折叠性。将对电极32与底电极31一端重叠，反复交叉折叠。当折叠完成后，从底电极31与对电极32端面分别引出导线与内部电路连接。

底电极31为电镀铜薄片、聚铣亚胺和电镀铜薄片构成的三层结构，两侧的电镀铜金属层用来作为导电电极，中部的聚酰亚胺用来提高整个电极的可折叠性和使用寿命；

对电极32为驻极体薄膜、电镀铜薄片、聚铣亚胺、电镀铜薄片和驻极体薄膜构成的五层结构，驻极体薄膜通过树脂等粘接剂覆盖在三层结构两侧。

作为上述实施例的优选，驻极体薄膜通过派瑞林Parylene、特氟龙Teflon或二氧化硅制备而成，且通过电晕极化为驻极体薄膜充上预置电荷，形成表面偏置电压，电极充电是将对电极32放置在充电平板上，通过电晕极化的方式发射高速离子注入到驻极体薄膜内，实现驻极体薄膜的电荷预植入。

其工作原理是静电感应作用：当外部低频振动造成装置内部的若干个第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4压缩时，电介质层间隙变小，由于静电感应，底电极31会产生与预置电荷相反的电荷；当产生拉伸时，电介质层间隙变大，底电极31电荷重新流走，从而将机械能转化为电能，产生的交流电经过内部电路转化为直流电通过输出端供给到外部。

作为上述实施例的优选，配重块1由聚甲基丙烯酸甲酯或ABS塑料制成，且能在壳体2与输电线之间的空间内进行周向运动，从而对多个方向的振动进行收集，能量捕获效率高。

其中，壳体2由聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种材料制备而成。

在本实施例中，配重块1和壳体2分别包括两半圆柱体，两半圆柱体可拆卸固定连接，构成配重块1和壳体2。

通过将配重块1和壳体2分别设置为两半圆柱体，从而进行可拆卸的固定连接，方便将其套设在输电线外，安装简单方便。

作为上述实施例的优选，限位块62为柔性材料，由硅酸凝胶、橡胶中的一种或多种材料制成，需要具备一定的弹性，对接线瓦6进行限位时，起到一定的保护作用。

由于输电线在没有风能存在时，不会产生振动，为了提高电能的输出，可以在壳体2外设置有若干薄膜太阳能电池21，若干薄膜太阳能电池21沿壳体2外壁阵列排布，且与电路模块5电连接，从而实现太阳能与风能的综合利用，发电效率高。

作为上述实施例的优选，若干第一弹性发电单元3、第二弹性发电单元4和薄膜太阳能电池21分别通过串联或并联组成线性发电网络。

在本实施例中，电路模块5包括电源管理模块51和无线通信模块52，电源管理模块51对电能进行处理并输出至传感器或进行储存，无线通信模块52与外界进行通信；

电源管理模块51包括整流器，每个第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4分别设置有一整流器，底电极31和对电极32引出导线作为交流输出口，经过整流器整流后，每个整流器输出端的正负接口依次串联。

由于第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4输出的是交流电，所以需要整流器将其转化为直流电，最终汇集起来可以直接利用，给传感器和无线通信模块52进行供电，也可以进行存储。

如图7至8所示，当整个能量收集装置静止时，此时第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4不产生压缩或拉伸运动，无电能输出；若此时处于有光照的环境当中，则可依靠光伏发电输出直流电。

当整个能量收集装置受到环境中的风载荷的作用，如图8所示，此输电线产生低频低幅度的振动，随即配重块1与壳体2、接线瓦6产生相对位移，配重块1将一直处于一种不稳定的状态，第一弹性发电单元3和第二弹性发电单元4便产生持续的输出电压，将机械能转化为电能。其工作原理是静电感应作用：当外部低频振动造成装置内部的若干个弹性发电单元压缩时，电介质层间隙变小，由于静电感应，底电极31会产生与预置电荷相反的电荷；当弹性发电单元产生拉伸时，电介质层间隙变大，底电极31电荷重新流走，从而将机械能转化为电能，产生的交流电经过内部电路转化为直流电通过输出端供给到外部。若同时处于光照环境中，便可与光伏发电同时产生电能输出。

光伏发电与振动发电的组合，本质上是多源发电技术的耦合。当前由传感器组成的物联网网络，很多时候单一的发电技术并不能满足其能量需求，而是需要可包容的多种能源的输入，组成"区域能源互联网"系统。多源发电技术的耦合不是多种能源的简单叠加，而是按照不同能源品位的高低进行综合互补利用，并统筹安排好各种能量之间的配合关系与转换使用，以取得最合理能源利用效果与效益。

从空间利用率来说：在本发明当中，装置内部主要依靠振动弹性发电单元来收集输电线振动能量，装置的外表面则没有进行利用。而薄膜太阳能电池具有重量轻、可弯曲、安装成本低等优点，故可将其集成到本发明装置的外表面，从而充分利用内外空间，实现多源发电技术的耦合。

从发电性能来说：在良好稳定的光照条件下，光伏发电输出特性是低电压，高电流；振动发电输出特性则是高电压、低电流。其电学输出特性互补，可以提升电学输出效益，两者的结合显然优于单一的发电技术。

图9为将六个弹性发电单元并联之后的电学测试结果图。图9a、b分别显示了输出端的开路电压与短路电流测试结果。在手按压弹性发电单元的情况下，开路电压达到500伏以上，短路电流达到0.5毫安。

图10为单个非晶硅薄膜太阳能电池的电学测试结果图。图10a、b分别显示了输出端的开路电压与短路电流测试结果。在外界光通量为75流明的情况下，薄膜太阳能电池的输出的直流电电压约为1伏，电流约为22毫安。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (15)

1.一种输电线振动能量收集装置，包括配重块、壳体与电路模块，其特征在于，

所述配重块套设于输电线外，所述配重块为空心柱形结构；

所述壳体套设于所述配重块外，所述壳体形状与所述配重块对应设置；

还包括若干第一弹性发电单元和第二弹性发电单元，若干所述第一弹性发电单元设置于所述配重块与输电线之间，且以所述输电线为中心呈辐射状，若干所述第二弹性发电单元设置于所述配重块与所述壳体之间，且以所述配重块为中心呈辐射状，所述第一弹性发电单元和第二弹性发电单元为底电极与对电极交叉折叠形成的弹性结构；

所述电路模块设置于所述壳体内，且与若干所述第一弹性发电单元和第二弹性发电单元电连接，对电能进行处理及输出。

2.根据权利要求1所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，输电线外固定设置有接线瓦，所述第一弹性发电单元其中一端与所述接线瓦外壁固定连接，另一端与所述配重块内壁固定连接。

3.根据权利要求2所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，所述接线瓦包括若干安装块，若干所述安装块组合构成圆柱形，包裹于输电线外壁。

4.根据权利要求3所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，所述接线瓦在输电线长度延伸方向的两端分别设置有限位块，两所述限位块穿过输电线，对所述接线瓦的两端进行限位。

5.根据权利要求2所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，所述接线瓦外半径为R₁，所述配重块内壁半径为R₂，所述配重块外壁半径为R₃，所述壳体的内壁半径为R₄，所述第一弹性发电单元和第二弹性发电单元压缩后的最小长度为L₁，拉伸后的最大长度为L₂；各尺寸关系为：

6.根据权利要求1所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，所述底电极和对电极分别为条形反复折叠结构，且相互垂直交叉组成所述第一弹性发电单元和第二弹性发电单元。

7.根据权利要求6所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，所述底电极为电镀铜薄片、聚铣亚胺和电镀铜薄片构成的三层结构；

所述对电极为驻极体薄膜、电镀铜薄片、聚铣亚胺、电镀铜薄片和驻极体薄膜构成的五层结构。

8.根据权利要求7所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，所述驻极体薄膜通过派瑞林Parylene、特氟龙Teflon或二氧化硅制备而成，且通过电晕极化为所述驻极体薄膜充上预置电荷，形成表面偏置电压。

9.根据权利要求1所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，所述配重块由聚甲基丙烯酸甲酯或ABS塑料制成，且能在所述壳体与输电线之间的空间内进行周向运动。

10.根据权利要求1所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，所述壳体由聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种材料制备而成。

11.根据权利要求10所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，所述配重块和壳体分别包括两半圆柱体，两所述半圆柱体可拆卸固定连接，构成所述配重块和壳体。

12.根据权利要求1所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，所述限位块为柔性材料，由硅酸凝胶、橡胶中的一种或多种材料制成。

13.根据权利要求1所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，所述壳体外设置有若干薄膜太阳能电池，若干所述薄膜太阳能电池沿所述壳体外壁阵列排布，且与所述电路模块电连接。

14.根据权利要求13所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，若干所述第一弹性发电单元、第二弹性发电单元和薄膜太阳能电池分别通过串联或并联组成线性发电网络。

15.根据权利要求1所述的输电线振动能量收集装置，其特征在于，所述电路模块包括电源管理模块和无线通信模块，所述电源管理模块对电能进行处理并输出至传感器或进行储存，所述无线通信模块与外界进行通信；

所述电源管理模块包括整流器，每个所述第一弹性发电单元和第二弹性发电单元分别设置有一所述整流器，所述底电极和对电极引出导线作为交流输出口，经过所述整流器整流后，每个所述整流器输出端的正负接口依次串联。

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