CN221096728U - 一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及新能源发电及环境监测领域，特别涉及一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统，包括摩擦电磁混合发电机、电源管理模块、信号处理模块、环境参数传感器、环境参数监测装置、数据采集器及信号接收发送终端，摩擦电磁混合发电机包括电磁发电组件和摩擦纳米发电组件，本实用新型通过将风能转化成电能为系统供电，在不采用电池或布线供电的情况下，实现实时监测风速、风向、CO2、PM2.5&PM10、噪音等环境信息，对所需数据进行监测，形成自驱动的工业互联网，本实用新型中半圆柱状聚风罩可以减少萨沃纽斯转子在转动过程中的阻力，使其具有更大的转动扭矩，提升其气动性能，使电磁发电组件有更高的输出性能。

Description

一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统

技术领域

本实用新型涉及新能源发电及环境监测领域，特别涉及一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统。

背景技术

垂直轴风力发电机是指转动轴垂直于地面的风力发电机组。由于其具有对来流风向敏感、噪音小、安装简单等优点，被广泛用于捕获低速风能。随着科学技术的飞速发展，物联网技术凭借其强大的感知和远程干涉能力，大大降低了人工的劳动强度并且提高了工作效率，因而得到了广泛的应用。在目前现有的环境监测技术中，通常需要对每个传感器采用电池或布线供电，但电池供电寿命不长，而布线供电则增加成本。其次，现有的大多数环境监测系统体积庞大，成本昂贵，制约了其进一步发展。因此，设计一种小体积、低成本的基于小型风力发电机的自供电环境监测系统很有必要。

实用新型内容

本实用新型针对目前环境监测技术中，通常需要对每个传感器采用电池或布线供电，但电池供电寿命不长，大多数环境监测系统体积庞大问题，提供一种基于风力发电机的自供电环境监测系统。

本实用新型的一种基于风力发电机的自供电环境监测系统具体技术方案如下：

一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统，包括摩擦电磁混合发电机、电源管理模块、信号处理模块、环境参数传感器、环境参数监测装置、数据采集器及信号接收发送终端；摩擦电磁混合发电机与信号处理模块、电源管理模块电连接，电源管理模块与环境参数传感器电连接，信号处理模块与环境参数监测装置电连接，环境参数监测装置、环境参数传感器与数据采集器电连接，数据采集器与信号接收发送终端无线通讯连接；

所述摩擦电磁混合发电机包括支撑底座，支撑底座所述支撑底座上表面沿周向均匀分布若干个摩擦纳米发电组件，摩擦纳米发电组件上部设置有电磁发电组件；

所述电磁发电组件包括半圆柱状聚风罩、风向标、铜线圈、钕铁硼磁铁-Ⅰ、萨沃纽斯转子、转动轴、钕铁硼磁铁-Ⅱ和轴承，所述半圆柱状聚风罩顶部上表面固定安设有风向标，风向标与半圆柱状聚风罩侧面的纵向截面处于同一水平面，所述半圆柱状聚风罩通过转动轴连接在支撑底座上，转动轴通过轴承与半圆柱状聚风罩、支撑底座连接，半圆柱状聚风罩能够绕转动轴转动，半圆柱状聚风罩底部的上表面沿周向均匀分布若干个铜线圈，其底部的下表面安设有1个钕铁硼磁铁-Ⅰ，半圆柱状聚风罩内部安装有萨沃纽斯转子，萨沃纽斯转子固定套设在转动轴上，转动轴沿轴向转动连接于半圆柱状聚风罩内，所述萨沃纽斯转子底部下表面沿周向均匀安装有若干个钕铁硼磁铁-Ⅱ；

所述摩擦纳米发电组件包括钕铁硼磁铁-Ⅲ，钕铁硼磁铁-Ⅰ与钕铁硼磁铁-Ⅲ相对磁极极性相同，钕铁硼磁铁-Ⅲ下表面紧密粘贴铜电极-Ⅰ，铜电极-Ⅰ下表面紧密粘贴聚四氟乙烯薄膜，聚四氟乙烯薄膜下表面通过压缩弹簧固定连接有铜电极-Ⅱ，铜电极-Ⅱ固定安设在支撑底座的上表面。

进一步地，所述半圆柱状聚风罩的罩体侧面为半圆柱侧面形状，顶部和底部是圆盘形。

进一步地，所述半圆柱状聚风罩顶部中心设有用于转动轴穿过的第一轴孔，所述第一轴孔固定有深沟球轴承-Ⅰ，对转动轴起支撑和传动作用。

进一步地，所述半圆柱状聚风罩底部中心设有用于转动轴穿过的第二轴孔，所述第二轴孔固定有深沟球轴承-Ⅱ及推力球轴承-Ⅰ，对转动轴起支撑和传动作用。

进一步地，所述支撑底座中心设有用于穿过的第三轴孔，所述第三轴孔固定有深沟球轴承-Ⅲ及推力球轴承-Ⅱ，对转动轴起支撑和传动作用。

进一步地，所述萨沃纽斯转子包括4片萨沃纽斯叶片。

进一步地，所述电源管理模块、信号处理模块、环境参数传感器、环境参数监测装置和数据采集器设置在支撑底座上。

进一步地，所述信号处理模块包括信号处理模块Ⅰ和信号处理模块Ⅱ；所述环境参数监测装置包括风向监测装置和风速监测装置。

进一步地，所述半圆柱状聚风罩和支撑底座的材料是聚醚醚酮。

本实用新型的有益效果如下：

1.本实用新型在不采用电池或布线供电的情况下，实现实时监测风速、风向、CO2、PM2.5&PM10、噪音、温湿度、紫外线等环境信息，非常便捷的对所需数据进行监测，形成自驱动的工业互联网；

2.本实用新型可监测风向和风速，并将一定的风力转化为电能输出；

3.本实用新型中的半圆柱状聚风罩可以减少萨沃纽斯转子在转动过程中的阻力，使其具有更大的转动扭矩，从而提升其气动性能，使电磁发电组件有更高的输出性能；

4.本实用新型具有体积小、集成度高、成本低等优点，并且利用可再生能源，有效减少对环境污染，有利于可持续发展。

附图说明

图1为本实用新型中摩擦电磁混合发电机整体结构示意图；

图2为本实用新型中半圆柱状聚风罩的示意图；

图3为本实用新型半圆柱状聚风罩的仰视图；

图4为本实用新型中萨沃纽斯转子的示意图一；

图5为本实用新型中萨沃纽斯转子的示意图二；

图6为本实用新型中支撑底座的示意图；

图7为本实用新型中摩擦纳米发电组件的结构示意图；

图8为本实用新型中摩擦纳米发电组件的原理图；

图9为本实用新型的信号传输示意图。

其中：1、风向标；2、深沟球轴承-Ⅰ；3、半圆柱状聚风罩；4、萨沃纽斯转子；5、支撑底座；6、转动轴；7、推力球轴承-Ⅰ；8、深沟球轴承-Ⅱ；9、铜线圈；10、钕铁硼磁铁-Ⅰ；11、钕铁硼磁铁-Ⅱ；12、摩擦纳米发电组件；13、推力球轴承-Ⅱ；14、深沟球轴承-Ⅲ；15、钕铁硼磁铁-Ⅲ；16、铜电极-Ⅰ；17、聚四氟乙烯薄膜；18、铜电极-Ⅱ。

附图用来提供对本方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本方案的实施例一起用于解释本方案，并不构成对本方案的限制。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例

如图1至图9所示，本实施例提供了一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统，包括摩擦电磁混合发电机、电源管理模块、信号处理模块、环境参数传感器、环境参数监测装置、数据采集器及信号接收发送终端(图中未显示)，摩擦电磁混合发电机与信号处理模块、电源管理模块电连接，电源管理模块与环境参数传感器电连接，信号处理模块与环境参数监测装置电连接，环境参数监测装置、环境参数传感器与数据采集器电连接，数据采集器与信号接收发送终端无线通讯连接。

所述摩擦电磁混合发电机包括支撑底座5，支撑底座所述支撑底座5上表面沿周向均匀分布8个摩擦纳米发电组件12，摩擦纳米发电组件12上部设置有电磁发电组件。

所述电磁发电组件包括半圆柱状聚风罩3、风向标1、铜线圈9、钕铁硼磁铁-Ⅰ10、萨沃纽斯(Savonius)转子4、转动轴6、钕铁硼磁铁-Ⅱ11和轴承，所述半圆柱状聚风罩3顶部上表面固定安设有风向标1，风向标1与半圆柱状聚风罩3侧面的纵向截面处于同一水平面。在来流作用下，半圆形聚风罩3在风向标1的作用下快速转动，直到风向标1与来流方向平行，根据该特性，利用接触分离模式的摩擦纳米发组件12产生电流信号。所述半圆柱状聚风罩3通过转动轴6连接在支撑底座5上，转动轴6通过轴承与半圆柱状聚风罩3、支撑底座5连接，半圆柱状聚风罩能够绕转动轴6转动。半圆柱状聚风罩3底部的上表面沿周向均匀分布六个铜线圈9，其底部的下表面安设有1个钕铁硼磁铁-Ⅰ10，半圆柱状聚风罩3内部安装有萨沃纽斯转子4，萨沃纽斯转子4固定套设在转动轴6上，随转动轴6转动。所述萨沃纽斯转子4底部下表面沿周向均匀安装有六个钕铁硼磁铁-Ⅱ11。

电磁发电组件的工作原理为：

电磁发电组件基于电磁感应原理进行发电，当有来流作用时，半圆形聚风罩3在风向标1的作用下快速转动，直到风向标1与来流方向平行，当风向标1与来流方向保持平行后，萨沃纽斯转子4在来流作用下开始转动，与半圆柱状聚风罩3产生相对转动，萨沃纽斯转子4底部的钕铁硼磁铁-Ⅱ11与半圆柱状聚风罩3底部上表面的铜线圈9相对转动，铜线圈9切割磁感线从而产生电能，同时，通过信号处理模块Ⅱ对电磁发电组件产生的电磁信号进行处理得到此时的风速信息。

所述摩擦纳米发电组件12包括钕铁硼磁铁-Ⅲ15，钕铁硼磁铁-Ⅰ10与钕铁硼磁铁-Ⅲ15相对磁极极性相同，钕铁硼磁铁-Ⅲ15下表面紧密粘贴铜电极-Ⅰ16，铜电极-Ⅰ16下表面紧密粘贴聚四氟乙烯(PTFE)薄膜17，聚四氟乙烯薄膜17下表面通过压缩弹簧固定连接有铜电极-Ⅱ18，铜电极-Ⅱ18固定安设在支撑底座5的上表面。

摩擦纳米发电组件12工作原理：

摩擦纳米发电组件基于摩擦发电原理进行发电，当无来流作用时，在压缩弹簧的作用下PTFE薄膜和铜电极-Ⅱ18不产生接触，此时，在铜电极-Ⅰ16和铜电极-Ⅱ18之间无短路电流产生。当有来流作用时，由于风向标1要与来流方向保持平行，风向标1在其尾舵作用下转动，带动与风向标固定连接的半圆柱状聚风罩3开始转动，使半圆柱状聚风罩3底部的钕铁硼磁铁-Ⅰ10同步转动，当钕铁硼磁铁-Ⅰ10转动到摩擦纳米发电组件12顶部时，由于钕铁硼磁铁-Ⅰ10与1钕铁硼磁铁-Ⅲ15相邻磁极极性相同，在磁铁斥力的作用下，PTFE薄膜和铜电极-Ⅱ18接触起电，两者表面分别带有等量异种电荷。当半圆柱状聚风罩3底部的钕铁硼磁铁-Ⅰ10转动离开摩擦纳米发电组件12顶部时，由于磁铁斥力消失，PTFE薄膜和铜电极-Ⅱ18在压缩弹簧作用下分离，由于静电感应作用，铜电极-Ⅱ18中的正电荷转移到铜电极-Ⅰ16内部，在外部电路中形成短路电流。当在半圆柱状聚风罩3底部的钕铁硼磁铁-Ⅰ10再次转动到摩擦纳米发电组件12顶部的过程中时，会再次形成方向相反的短路电流。因此，摩擦纳米发电组件12在工作过程中，铜电极-Ⅰ16和铜电极-Ⅱ18之间会不断形成方向相反的短路电流，通过信号处理模块Ⅰ对电流信号进行处理即可得到此时刻下的风向信息。

所述电源管理模块的输入端与电磁发电组件的铜线圈9连接，电源管理模块的输出端与环境参数传感器连接，电源管理模块收集存储电磁发电组件产生的电能，并为整个系统供电。

所述信号处理模块包括信号处理模块Ⅰ和信号处理模块Ⅱ，所述环境参数监测装置包括风向监测装置和风速监测装置，信号处理模块Ⅰ的输入端与摩擦纳米发组件的铜电极-Ⅰ16和铜电极-Ⅱ18连接，输出端与风向监测装置输入端连接，信号处理模块Ⅰ将摩擦纳米发电组件产生的电流信号进行处理得到此时的风向信息，将风向信息传递给风向监测装置，信号处理模块Ⅱ的输入端与电磁发电组件的铜线圈9连接，输出端与风速检测装置输入端连接，信号处理模块Ⅱ对电磁发电组件产生的电信号，通过傅里叶变换构建风速与信号频率的线性模型，得到此时刻的风速信息，将风速信息传递给风速监测装置，风向监测装置和风速监测装置的输出端与数据采集器的外围感知接口连接，将风向和风速信息传输到数据采集器上。所述环境参数传感器包括CO2传感器、PM2.5&PM10传感器、噪音传感器、温湿度传感器、紫外线传感器，环境参数传感器与数据采集器的外围感知接口连接，环境参数传感器将被检测对象的信息传输到数据采集器上；所述数据采集器将环境参数传感器和环境参数监测装置采集到的数据进行读取，通过无线传输功能将采集到的环境信息发送到信号接收发送终端，在信号接收发送终端对环境信息进行显示，此外，也可以在信号接收发送终端对用户需要监测的环境信息进行选择，将用户不需要监测的环境信息关闭，从而合理利用资源。

进一步地，所述轴承包括第一轴孔固定的深沟球轴承-Ⅰ、第二轴孔固定的深沟球轴承-Ⅱ和推力球轴承-Ⅰ以及第三轴孔固定的深沟球轴承-Ⅲ和推力球轴承-Ⅱ。

进一步地，所述半圆柱状聚风罩的罩体侧面为半圆柱侧面形状，顶部和底部是圆盘形。由于半圆柱状聚风罩3的罩体侧面为半圆柱侧面形状，萨沃纽斯转子4安装在半圆柱状聚风罩3的内部，半圆柱状聚风罩3可以有效减少萨沃纽斯转子4在转动过程中的风阻力，使其具有更大的转动扭矩，从而提升其气动性能，使电磁发电组件有更高的输出性能。

进一步地，所述半圆柱状聚风罩3顶部中心设有用于转动轴6穿过的第一轴孔，所述第一轴孔固定有深沟球轴承-Ⅰ2，对转动轴6起支撑和传动作用。

进一步地，所述半圆柱状聚风罩3底部中心设有用于转动轴6穿过的第二轴孔，所述第二轴孔固定有深沟球轴承-Ⅱ8及推力球轴承-Ⅰ7，对转动轴起支撑和传动作用。

进一步地，所述支撑底座5中心设有用于穿过的第三轴孔，所述第三轴孔固定有深沟球轴承-Ⅲ14及推力球轴承-Ⅱ13，对转动轴起支撑和传动作用。

进一步地，所述萨沃纽斯转子4包括4片萨沃纽斯叶片。

进一步地，所述电源管理模块、信号处理模块、环境参数传感器、环境参数监测装置和数据采集器设置在支撑底座5上。

进一步地，所述半圆柱状聚风罩和支撑底座的材料是聚醚醚酮。

本实用新型整个系统的工作原理：

摩擦电磁混合发电机将其产生的电能通过电源管理模块为整个系统供电，摩擦电磁混合发电机产生电磁信号和电流信号，通过信号处理模块分别对电磁信号和电流信号进行处理，得到风速信息和风向信息，环境参数监测装置将风向和风速信息传输到数据采集器上，环境参数传感器将被检测对象的信息传输到数据采集器上，数据采集器将环境参数传感器和环境参数监测装置采集到的数据进行读取，通过无线传输功能将采集到的数据信息发送到信号接收发送终端，在信号接收发送终端对环境信息进行显示以及对用户需要监测的数据信息进行选择，将用户不需要监测的数据信息关闭。

Claims (9)

1.一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统，其特征在于：包括摩擦电磁混合发电机、电源管理模块、信号处理模块、环境参数传感器、环境参数监测装置、数据采集器及信号接收发送终端；摩擦电磁混合发电机与信号处理模块、电源管理模块电连接，电源管理模块与环境参数传感器电连接，信号处理模块与环境参数监测装置电连接，环境参数监测装置、环境参数传感器与数据采集器电连接，数据采集器与信号接收发送终端无线通讯连接；

所述摩擦电磁混合发电机包括支撑底座，支撑底座上表面沿周向均匀分布若干个摩擦纳米发电组件，摩擦纳米发电组件上部设置有电磁发电组件；

所述电磁发电组件包括半圆柱状聚风罩、风向标、铜线圈、钕铁硼磁铁-Ⅰ、萨沃纽斯转子、转动轴、钕铁硼磁铁-Ⅱ和轴承，所述半圆柱状聚风罩顶部上表面固定安设有风向标，风向标与半圆柱状聚风罩侧面的纵向截面处于同一水平面，所述半圆柱状聚风罩通过转动轴连接在支撑底座上，转动轴通过轴承与半圆柱状聚风罩、支撑底座连接，半圆柱状聚风罩能够绕转动轴转动，半圆柱状聚风罩底部的上表面沿周向均匀分布若干个铜线圈，其底部的下表面安设有1个钕铁硼磁铁-Ⅰ，半圆柱状聚风罩内部安装有萨沃纽斯转子，萨沃纽斯转子固定套设在转动轴上，转动轴沿轴向转动连接于半圆柱状聚风罩内，所述萨沃纽斯转子底部下表面沿周向均匀安装有若干个钕铁硼磁铁-Ⅱ；

所述摩擦纳米发电组件包括钕铁硼磁铁-Ⅲ，钕铁硼磁铁-Ⅰ与钕铁硼磁铁-Ⅲ相对磁极极性相同，钕铁硼磁铁-Ⅲ下表面紧密粘贴铜电极-Ⅰ，铜电极-Ⅰ下表面紧密粘贴聚四氟乙烯薄膜，聚四氟乙烯薄膜下表面通过压缩弹簧固定连接有铜电极-Ⅱ，铜电极-Ⅱ固定安设在支撑底座的上表面。

2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统，其特征在于：所述半圆柱状聚风罩的罩体侧面为半圆柱侧面形状，顶部和底部是圆盘形。

3.根据权利要求2所述的一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统，其特征在于：所述半圆柱状聚风罩顶部中心设有用于转动轴穿过的第一轴孔，所述第一轴孔固定有深沟球轴承-Ⅰ，对转动轴起支撑和传动作用。

4.根据权利要求3所述的一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统，其特征在于：所述半圆柱状聚风罩底部中心设有用于转动轴穿过的第二轴孔，所述第二轴孔固定有深沟球轴承-Ⅱ及推力球轴承-Ⅰ，对转动轴起支撑和传动作用。

5.根据权利要求4所述的一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统，其特征在于：所述支撑底座中心设有用于穿过的第三轴孔，所述第三轴孔固定有深沟球轴承-Ⅲ及推力球轴承-Ⅱ，对转动轴起支撑和传动作用。

6.根据权利要求5所述的一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统，其特征在于：所述萨沃纽斯转子包括4片萨沃纽斯叶片。

7.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统，其特征在于：所述电源管理模块、信号处理模块、环境参数传感器、环境参数监测装置和数据采集器设置在支撑底座上。

8.根据权利要求7所述的一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统，其特征在于：所述信号处理模块包括信号处理模块Ⅰ和信号处理模块Ⅱ；所述环境参数监测装置包括风向监测装置和风速监测装置。

9.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电磁混合发电机的自供电环境监测系统，其特征在于：所述半圆柱状聚风罩和支撑底座的材料是聚醚醚酮。