一种矿井风压驱动电磁发电装置的制作方法

1.本发明为一种矿井风压驱动电磁发电装置，可提高巷道内风能利用效率，属于风力发电及矿山节能与环保领域。


背景技术：

2.工业发展日新月异，社会进步对能源的需求越来越大，寻找可再生能源代替传统的二次能源并提高能源利用率势在必行。风能因储备量大、可再生、污染小的优点而被广泛采用。海上风力发电装置、风帆助力传播航行、高纬度风力制热都说明这种可再生能源已经成为造福人类的动力。同时随着矿井通风技术的发展，在不影响正常供风的前提下，提高巷道内风能的有效利用率可为企业带来经济效益。
3.本发明之前已有很多受限空间内将风能作为动力源的发电装置，这些装置多采用悬臂梁结构，通过传动装置引起压电片震动获取电能，对生产设备可靠性有影响；或安装在移动设施表面，依靠活塞风提供动力，受到通风效果的制约明显，发电量较小，能量转化效率较低。
4.（1）申请号为202010001240.9，标题为“一种可控压电陶瓷片变形的压电陶瓷转换装置及其制作方法”的发明公开了一种控制压电陶瓷片变形程度的电能转换装置，它安装于路面卡槽中，将压电陶瓷片与安装于中间的隔间的电路板连接，压板受压可在路面卡槽中升降，进而推动压电陶瓷片生产电位。但该装置需要提前布置地面卡槽，增加可施工量，对于潮湿、排水系统欠佳的位置不适宜安装。
5.（2）申请号为201611058600.9，标题为“一种风致振动压电能量收集装置”的发明公开了风提供动力的振动发电装置，该装置利用风流涡街带动滑块沿支杆往复运动，使弯曲梁所受载荷产生较大振动相应，带动压电原件产生剧烈振动，最终产生电能。但该装置振动压片受材质影响，在风速较小时，弯曲梁振动幅度有限，产生电量有限。
6.（3）申请号为202010582434.2，标题为“一种风储气压发电装置”的发明公开了一种将空气压缩后增大压力释放动能的装置，该装置采集自然风能源，通过锥形结构形成风压，通过对风的压缩增大压力，并通过调压阀提高输出空气动能，进而推动叶片带动转子发电。该结构结构简单而且价格低廉，但考虑到矿井下的实际情况，气体的压缩可能给井下产生带来安全隐患，且锥形加速器需要较长的引流管道，给井下有限的空间带来不便。
7.（4）申请号为201910207466.1，标题为“一种隧道风力发电装置”的发明公开了一种利用隧道内行车产生的风压发电装置，该装置通过叶片旋转带动螺母旋转，顺时针与逆时针旋转不同角度协同顶杆一起作用下促使发电机发电，但此装置只有在活塞风的情况下才能进行发电，在活塞风消失后便无法进行继续发电。
8.本发明装置能够克服上述缺点，致力于提出依赖于巷道内风流速度随机波动固有特征为动力的空间磁场变化输出电能的装置，该装置受环境扰动因素较小，具有多流速下发电效果明显、发电量大、使用寿命长等多方面优点。


技术实现要素：

9.对于井下开采，自然风压无法满足井下产生的顺利进行，因此需要通过扇风机辅助将风流远远不断的输送到井下用风地点。各用风地点对于风速有明确的规定，通常情况下，掘进工作面岩巷风速0.15~4m/s;半煤岩巷、煤巷0.25~4m/s,采区进回风巷不大于6m/s,主要进回风巷不大于8m/s。经过用风地点的风流通过回风大巷被输送出地面。这些风流具有较大的动能没有得到合理利用，采用合理的装置将这部分能量收集做功可以为企业经济投入降低成本。本发明装置充分考虑巷道内近壁面处风压变化特点，利用风能作为初始动力，通过构件将能量传递转化，结合电磁感应原理发电。
10.本发明装置可分为壳体部分（1）、风能捕获部分（2）、能量传递部分（3）、电能输出部分（4）。
11.壳体（1）部分再可分为外壳体（5）和内壳体（9），外壳体（5）由上顶板（6）和下底板（7），两个板面形状和大小完全相同且平行相对。两张板在各自四个角的相同位置钻孔，钻孔断面为圆形。两个板面在钻孔位置通过断面为圆形的条状铁杆（8）连接在一起，形成笼状空间将本发明所有的器件包括在内。内壳体（9）为矩形盒子状，有两个面为大小相同的正方向，另外四个面为相同的矩形，其中一个正方形面固定于下底板面向上顶板一侧的面上，在内壳体（9）另一侧的正方形面紧贴一条边钻断面为圆形的孔洞，为后文介绍的传动杆（21）的插入留下空间。壳体（1）设计的目的主要是为了适应井下恶劣的环境，为延长本发明装置的使用寿命提供保护。
12.风能捕获部分（2）主要由扇叶支架（13）和叶扇（14）组成，叶扇（14）通过支架（13）固定于外壳体（15）上顶板（6）。支架为三棱柱，矩形长边一侧固定于顶板（6）一侧并使其向下，支架（13）远离顶板（6）的夹角钻有圆形断面的孔洞，将叶扇转轴（15）插入其中并平均分布于三棱柱两侧，转轴两个末端安装两个完全相同的叶扇（14），扇叶（14）的数量不少于三个。为了最大限度捕获风能，每个扇叶（14）面与其他扇叶（14）面角度不同并全部和风流方向形成角度。在风门开闭过程中变化的风压（速），支架（13）和叶片形成的风能捕获装置需要将风能传递给其他部件。
13.能量传递部分（3）有在叶扇转轴（15）的中心位置安装大齿轮（16），叶扇转动时带动大齿轮（16）一起转动，大齿轮（16）边缘上安装有环状锯齿链条（31），链条（31）内侧锯齿卡扣在大齿轮（16）锯齿上，在大齿轮（16）圆心位置的正下端有小齿轮（18），小齿轮（18）上锯齿卡扣在锯齿链条（31）内侧绷直。当大齿轮（16）转动时通过链条（32）将小齿轮（18）带动旋转。小齿轮（18）安装在轴承（19）中间位置上，小齿轮（18）转动带动轴承（19）转动。两个三角形支架（13）固定于底板一组对边上，每个三角形支架（13）在轴承（19）的一段作为支撑作用，轴承（19）高度可将锯齿链条（13）绷紧并适合转动。轴承（19）上等距离安装曲轴（20），曲轴（20）安装的距离要考虑电能输出部分（4）内壳体（9）体积。曲轴（20）由于轴承（19）的转动而运动，在曲轴（20）的偏心位置通过插梢（22）将传动杆（21）连接。随着曲轴（20）的旋转运动，传动杆（21）在垂直方便作周期性起伏运动，传动杆（21）断面为圆形，传动杆（21）和滑块（26）通过插梢（22）连接。滑块（26）为方块形状，在方块的两侧形成孔洞，孔洞穿过悬杆（23），悬杆（23）断面呈现圆形断面，并随着传动杆（21）带动悬杆（23）在垂直方向作升降往复运动。在悬杆（23）的两个末段分别连有传动杆（21），传动杆（21）与悬杆（23）呈现垂直角度，传动杆（21）向地下伸展并垂直于地面。两端的传动杆（21）正下方安装内壳体（9）。
14.电能输出部分（4）安装在内壳体（9）内部。传动杆（21）末端连接锯齿滑道（12），锯齿滑道（12）紧贴内壳体表面。内壳体锯齿滑道（12）尾部不存在锯齿，相对较为光滑。尾部的光滑杆一部分插入在内壳体（9）内部，一部分在外部便于插入和抽出，根据传动杆（21）的周期位移，锯齿滑道（12）在内壳体（9）周期位移。壳体（1）应该考虑锯齿滑道的长度，使其方便移动。在锯齿滑道（12）的对面安装固定于内壳体（9）表面的锯齿滑道（12），根据两个滑道的间隔距离安装齿轮（10），齿轮（10）与齿轮（10）之间、齿轮（10）与滑道之间相互啮合。为了尽量减小滑动的阻力，更高效的利用传递的机械能，在锯齿之间涂抹机油以增加滑动的效果。安装齿轮（10）的数量和选用齿轮的大小根据具体内壳体的空间大小而决定。在齿轮（10）的中心位置，安装有转子（28）随齿轮（10）一起转动，转子（28）随着齿轮（10）的转动发生位移和旋转，转子（28）上安装有条形钕磁铁（29），钕磁铁（29）随着转子（28）同样作位移和旋转运动。由于多组钕磁铁（29）产生的磁场在空间中叠加，因此随着时刻和空间位置的变化，旋转的磁铁磁场也不断发生变化。齿轮（10）表面固定有线圈（27），由此磁场强度不断变化，线圈（27）在电磁感应的作用下产生感应电流。感应电流通过导线（30）输出，连接井下应急指示灯可供使用，也可以连接电容器储存电能，以备后用。
15.与现有技术相比，本发明装置具有以下优点。
16.1.本发明装置采用叶扇方式捕获风能，扇叶（14）数量可根据需要增加和较少，为了最大限度的捕捉风能，扇叶（14）的角度可更具风流的方向调整，对于不同方向的风流都能产生电流，输出的电流可以直接为巷道内的应急装置供电，也可以储存以备后用。
17.2.考虑到井下工作环境的复杂性，本发明装置的连接采用铆钉（24）连接和连梢（22）连接构件。在曲轴（20）和传动杆（21）的连接中，连梢（22）的连接方式耐磨损，易于更换，成本偏低；滑块（26）和传动杆（21）采用铆钉（24）的连接方式，此方式更加方便拆除，对于后期部件的更换方便快捷。
18.3.本发明装置各个部件的连接方式多采用滚动和滑动的连接方式，更亮传递效率高，扇叶转轴（14）上的大齿轮（16）和轴承（19）上的小齿轮（18）采用链条（31）传递的方式，有利于高效传递风能；滑块（26）和悬杆（23）的连接采用滑动式连接，为了减小摩擦阻力，可采用移动交界处定期抹油的方式；机电输出部分（4）的齿轮（10）与滑道采用啮合的方式便于将传动杆的动能高效传递。
19.4.本发明装置采用电磁感应发电，将线圈（27）固定在齿轮（10）上，通过钕磁铁（29）空间位置的变化产生磁场强激励线圈（27）产生电流。这种方式可根据工程现场的实际情况，增加或减少齿轮的数量，增加或减少齿轮（10）上固定的磁感应线圈（27）的数量，同时齿轮（10）的排列不必限制于横向或纵向排列，可根据适宜的空间任意排列和组合齿轮（10）的位置，以此提升发电量。
附图说明
20.图1装置发电流程示意图。
21.图2机械能调制装置示意图。
22.图3风能捕获装置示意图。
23.图4机电装置示意图。
24.图5 电能输出示意图。
25.图中，1—壳体；2—风能捕获部分；3—能量传递部分；4—电能输出部分；5—外壳体；6—上顶板；7—下底板；8—铁杆；9—内壳体；10—齿轮；11—上滑道；12—下滑到；13—扇叶支架；14—扇叶；15—扇叶轴承；16—大齿轮；17—锯齿链条； 18—小齿轮；19—轴承；20—曲轴；21—传动杆；22—连梢； 23—悬杆；24—铆钉；25—连杆；26—滑块；27—线圈；28—转子；29—钕磁铁；30—导线；31—链条；32—连接杆；
具体实施方式
26.为便于介绍本发明的优点，结合附图对整个装置的运行发电流程进行详述。需要说明的是，下论的实施方式仅仅是一种实际情况，并不是对本发明装置的限制。
27.在实例中，图1为该装置发电过程的流程图；图2为机械能调制装置，作用为对获得的风能进行传递；图3为风能捕获装置示意图，作用为对巷道内的风流进行收集利用；图4为机电装置示意图，作用为将传递得到的风能转化为电能并输出；图5为电能输出示意图，它是图4齿轮部位的细节具体展示，作用在于通过磁场强度变化产生电能；本实例说明将发电装置布置在围岩壁面，风速变化不定促使电能输出齿轮转速变化，进而磁感应变化率变化不定，最终线圈产生电流。
28.该发明装置在巷道壁面合适位置安装，风流以一定风速吹向发明装置扇叶（14）。带动轴承（19）旋转，轴承（19）中心固定的大齿轮（16）随同旋转，小齿轮（18）的旋转动能通过链条（31）传递给小齿轮（18），小齿轮（18）固定于轴承（19）中部位置上，轴承（19）获得动能旋转。本实例布置两个曲轴（20）分别于转轴首部1/3位置处和尾部1/3位置处。曲轴（20）上的传动杆（21）在垂直方向上往复运动，传动杆（21）上的滑块（26）的运动可分解为水平和垂直两个方向，当滑块（26）水平运动，其轨迹只能在悬杆（23）上滑行，当滑块（26）垂直运动，其轨迹带动悬杆（23）在垂直方向作升降往复运动。与悬杆（23）两端在呈垂直方且向朝向地面固定连接传动杆（21），传动杆（21）前端连接滑道（23），滑道随着传动杆（21）只能在垂直方向作往复运动。滑道布置在内壳体（9）内部并紧贴壳体内腔一侧表面，内腔另一侧表面固定布置上滑道（11），本实例在两个锯齿滑道间布置两排（每排四个）齿轮（10）。齿轮（10）和齿轮（10）间、齿轮（10）与滑道间相互啮合。随着滑道的垂直往复运动，齿轮（10）也在顺时针和逆时针旋转，齿轮（10）中心固定安装的转子（28）随同顺时针和逆时针运动，转子（28）上固定安装的条形钕磁铁（29）发生转动，空间内磁场强度变化激发线圈（27）产生电流。
29.本实例所述扇叶（14）安装于叶扇转轴（15）两端，为了有效利用风流，扇叶（14）与风门间保持90
°
角，本实例的扇叶（14）采用3个叶片。
30.本实例所述所有壳体（1）、支架（13）、扇叶（14）、传动杆（21）、转轴（19）、齿轮（10）、链条（31）均采用刚性材料。
31.本实例所述的内壳体（9）通过螺丝固定安装于外壳体（5）下底板上。
32.本实例安装在曲轴（20）上的相邻段的连接滑块（26）按照90
°
的相位差作往复交替直线运动。
33.本实例的滑块（26）外观由矩形构成，滑块（26）有两侧有断面为圆形的孔洞安插于悬杆（23）上滑行，滑块（26）下部有断面为圆形的凹槽安插于传动杆（21）内。滑块（26）与连杆（21）连接后组成滑块导轨构件。
34.本实例所有转子（28）上的条形磁铁均为钕磁铁（29）。
35.锯齿轨道的长度设置应该合理，本实例中，滑轨（26）的总长度为齿轮所占长度的3倍。同时为了保证滑道推动效果，传动杆（21）长度保证能够能在垂直位移的最低点将下滑到（12）推向内壳体（9）内部的最前端。
36.本实例所述内壳体（9）安装在所有连杆（25）的下方，为了保证齿轮（10）旋转，内壳体（9）的一侧壁面需要和传动杆（21）在同一垂直线上。
37.本实例所述为将壳体（1）安装在巷道围岩表面，为了保证风流提供较大的动能，本装置应该避免安装在巷道拐角、障碍物周围以及特设用处的硐室内，要尽可能考虑安装在风速持续且较大的位置。
38.综上所述，本发明装置是一种矿井风压驱动电磁发电装置，与同类的其他发明装置相比，该装置采用齿轮滑动的方式生产电能，因此对使用的风速范围较大。本装置还具有拆装方便的优势，可以根据具体的现场情况，加设齿轮（10）和线圈（27）增强发电效果。针对井下恶劣的环境同样可以使用，维护简单，寿命较长。
39.针对本发明具体实施流程，上述内容结合图片进行了介绍，但本发明不仅仅拘泥于上述实施方式，上述内容的论述仅仅是为了更加形象的描述该装置的发电过程，而非限制性的。在贴近本发明思路的前提下，还有许多类似的重复性改变，例如增加内壳体（9）内齿轮（10）的数量。这些都应该视为在本发明应该保护的范围内。