输电线路微风振动采集方法与装置与流程

1.本发明涉及能源转化技术领域，尤其是一种输电线路微风振动采集方法与装置。


背景技术：

2.电网输电线路因受环境影响而运行状态复杂多变,覆冰、舞动和雷击等现象均会引起基础参量(如温度、应变和振动等)的有规律变化,输电线路的运行安全需要传感设备对其温度、应变、振动状态进行监测，以提前做到安全预警的作用。然而，目前对于这些传感节点的能源供给主要还是采用电池供电和太阳能电池板的形式。传统电池的有限寿命使得无线传感节点需要不定期的维护，提高了其运行成本和部署难度，已无法满足长时间可持续性户外工作的能源需求；太阳能电池技术受天气、环境和时间的限制，无法实现全天候的能源自补给功能。相关研究表明，高压输电线路普遍存在振动，在风速0.5～10m/s下，会产生高频微幅的微风振动，振动幅值最大达10mm，频率为3～120hz。这部分由于输电线风致微振动的机械能为输电线监测的传感设备提供了另外一种可行的能量来源。然而在这种微振动情况下，电磁感应发电和压电发电技术均存在效率低的问题，要得到较大的电能输出需要较大的器件体积和质量。另外电磁感应发电技术中使用的磁性元件对于传感器设备本身会造成一定的干扰。


技术实现要素：

3.本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种输电线路微风振动采集方法与装置，以基于摩擦纳米发电技术，在保证小体积和小质量的情况下，提供一种将微振动高效率转换为电能的解决方案。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.一种输电线路微风振动采集装置，包括摩擦纳米发电单元、电荷辅助电路和电能管理单元，摩擦纳米发电单元和电荷辅助电路数量相等，均至少为一个；摩擦纳米发电单元包括第一摩擦发电单元和至少一个可变电容器；
6.第一摩擦发电单元为弹簧谐振型摩擦纳米发电结构，第一摩擦发电单元包括第一电极、第一介电薄膜和第二电极，第一介电薄膜带负电，第一介电薄膜设置于第一电极上；
7.电荷辅助电路包括第一二极管、第二二极管和第一电容，第一二极管的正极与第二二极管的负极连接到第一电极，第一二极管的负极连接第一电容的第一端，第一电容的第二端与第二二极管的正极连接到第二电极；第一电容的第一端作为电荷辅助电路的第一输出端，第一电容的第二端作为电荷辅助电路的第二输出端；
8.各可变电容器的两个电极中，一个电极经整流桥后连接电荷辅助电路的第一输出端，另一个电极连接电荷辅助电路的第二输出端；
9.电能管理单元包括整流桥，以及连接整流桥的滤波电路。
10.上述设计的装置，增加了电荷辅助电路以及可变电容器，电荷辅助电路可以不断为可变电容器补充电荷，可变电容器在振动过程中释放电荷，其电荷量不受摩擦纳米发电
机介电薄膜初始电荷量的限制，可以更高功率、更高效率地输出电流。
11.进一步的，滤波电路包括第二电容、晶体闸流管、稳压二极管、第三二极管、第一电感和第三电容；第二电容与整流桥的两个直流输出端并联，晶体闸流管的阳极和稳压二极管的负极连接第二电容的第一端，晶体闸流管的阴极连接第三二极管的负极，晶体闸流管的门极连接稳压二极管的正极，第三二极管的负极通过第一电感连接第三电容的第一端，第三二极管的正极和第三电容的第二端连接到第二电容的第二端。
12.进一步的，可变电容器包括第三电极和第四电极，第三电极连接第一电容的第二端，第四电极经整流桥连接第一电容的第一端，在第四电极上，设置有第二介电薄膜，该第二介电薄膜不注入电荷。
13.进一步的，各可变电容器均与第一摩擦发电单元堆叠设置。
14.进一步的，各可变电容器的第三电极均与第二电极保持相对静止。
15.进一步的，摩擦纳米发电单元为两个。
16.进一步的，两个摩擦纳米发电单元包括：第一摩擦纳米发电单元和第二摩擦纳米发电单元，第一摩擦纳米发电单元包括第一可变电容器，第二摩擦纳米发电单元包括第二可变电容器；两个摩擦纳米发电单元的设计结构为：
17.包括固定框架，固定架由第一层板、第二层板、第三层板成上中下结构间隔排列，通过两侧的第一侧板和第二侧板固定而成；在第一层板的下表面，向下逐层设置第一摩擦纳米发电单元的第一电极、第一介电薄膜，第二层板的上表面，向上逐层设置第一可变电容器的第四电极、第二介电薄膜；第二层板的下表面，向下逐层设置第二摩擦纳米发电单元的第一电极、第一介电薄膜；第三板层的上表面，向上逐层设置第二可变电容器的第四电极、第二介电薄膜；在固定框架内，设置有活动构件，该活动构件上下两侧通过共振弹簧连接于固定框架上；活动构件包括第四层板、第五层板，第四层板位于第一层板和第二层板之间，第五层板位于第二层板和第三层板之间，第四层板和第五层板通过两侧的第三侧板和第四侧板固定为一体；第四层板上表面设置第一摩擦纳米发电单元的第二电极，第四层板下表面设置第一可变电容器的第三电极；第五层板上表面设置第二摩擦纳米发电单元的第二电极，第五层板下表面设置第二可变电容器的第三电极。
18.进一步的，贯穿第四层板及其上下表面的电极(即第一摩擦纳米发电单元的第二电极、第一可变电容器的第三电极)，设置有第一气孔，贯穿第五层板及其上下表面的电极(即第二摩擦纳米发电单元的第二电极、第一可变电容器的第三电极)，设置有第二气孔。
19.本发明还提供了一种输电线路微风振动采集方法，采用如上述的输电线路微风振动采集装置安装于输电线上，将电能管理单元的输出端连接蓄电池。
20.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
21.1、本发明的输电线路微风振动采集装置设计了电荷辅助电路以及相适配的可变电容器，能够高效率地将微振动机械能转换为电能。基于摩擦纳米发电技术设计的能量采集装置具有体积小、质量轻的特点。
22.2、本发明的电能管理单元所设计的晶体闸流管及稳压二极管，不需要借助外部供电即可实现对电流的整型。
23.3、本发明的摩擦纳米发电单元的振子部分设计气孔，可以避免在振动时电极与介电薄膜粘贴在一起。
24.4、本发明的发电、输电过程不会对输电线产生附加影响。
附图说明
25.本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
26.图1是输电线路微风振动采集装置的构造示意图。
27.图2是电荷辅助电路的结构图。
28.图3是电能管理单元的电路图。
29.图4是采用两个摩擦纳米发电单元构造电网输电线风致微振动能量采集装置的实施例。
30.图5是采用一个摩擦纳米发电单元构造电网输电线风致微振动能量采集装置的实施例。
31.图6是电荷辅助电路及可变电容器工作状态图。
32.图7是摩擦纳米发电单元结构的一个实施例。
具体实施方式
33.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
34.本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
35.实施例一
36.一种输电线路微风振动采集装置，如图1所示，包括至少一个摩擦纳米发电单元1、与摩擦纳米发电单元1数量相等的电荷辅助电路2，以及电能管理单元3；摩擦纳米发电单元1包括第一摩擦发电单元11和至少一个可变电容器12。摩擦纳米发电单元为弹簧谐振型摩擦纳米发电结构。
37.第一摩擦发电单元11为垂直接触-分离式发电结构(或者其他弹簧谐振型发电结构)，第一摩擦发电单元11包括第一电极11a、第一介电薄膜11b和第二电极11c，第一介电薄膜11b带负电，所述第一介电薄膜11b设置于所述第一电极11a上。
38.如图2所示，电荷辅助电路2包括第一二极管21、第二二极管22和第一电容23，第一二极管21的正极与第二二极管22的负极连接到第一电极11a，第一二极管21的负极连接第一电容的第一端23a，第一电容的第二端23b与第二二极管22的正极连接到第二电极11c。第一电容的第一端23a作为电荷辅助电路2的第一输出端，第一电容的第二端23b作为电荷辅助电路2的第二输出端。
39.以一个可变电容器为例对各可变电容器12在摩擦发电单元1中的构造进行说明，其余可变电容器同理。可变电容器12的两个电极中，一个电极经整流桥31后连接电荷辅助电路2的第一输出端，即该电极与电荷辅助电路2的第一输出端分别连接整流桥31的两个交流输入端，可变电容器12的另一个电极连接电荷辅助电路2的第二输出端。
40.电能管理单元3包括上述整流桥31，以及连接整流桥31的滤波电路，由滤波电路输出直流电源。如图3所示，电能管理单元3包括上述整流桥31，还包括第二电容32、晶体闸流
管33、稳压二极管34、第三二极管35、第一电感36和第三电容37；第二电容32与整流桥31的两个直流输出端并联，晶体闸流管33的阳极和稳压二极管34的负极连接第二电容的第一端32a，晶体闸流管33的阴极连接第三二极管35的负极，晶体闸流管33的门极连接稳压二极管34的正极，第三二极管35的负极通过第一电感26连接第三电容的第一端37a，第三二极管25的正极和第三电容的第二端37b连接到第二电容的第二端32b，第三电容37的两端输出直流电源。
41.本实施例的输电线路微风振动采集装置，摩擦纳米发电单元1的数量可根据现场条件及需求进行灵活设计，相应的，电荷辅助电路2的数量也可成倍增加，即一个摩擦纳米发电单元1与一个电荷辅助电路2配套，成套的设计，各套电路均连接到电能管理单元3的整流桥31上。如图4所示为装置设计两个摩擦纳米发电单元1与两个电荷辅助电路2的实施例，一个摩擦纳米发电单元1包括2个可变电容器12，各个第一摩擦发电单元11、可变电容器12堆叠设计，具体的，设两个摩擦纳米发电单元1分别为第一摩擦纳米发电单元和第二摩擦纳米发电单元，两个摩擦纳米发电单元的第一摩擦发电单元11设计在堆叠结构的两端部，第一摩擦纳米发电单元和第二摩擦纳米发电单元的第一个可变电容器12均与其第一摩擦发电单元11相邻设计，第一摩擦纳米发电单元和第二摩擦纳米发电单元的第二个可变电容器12则交叉设计，这样可以将部分可变电容器的电极固定在一起，节约体积。
42.实施例二
43.如图5所示，本实施例以装置包含一个第一摩擦纳米发电单元1，且摩擦纳米发电单元1包含一个可变电容12为例，说明输电线路微风振动采集装置的结构。
44.装置包括第一摩擦发电单元11、可变电容器12、电荷辅助电路2以及电能管理单元3。
45.第一摩擦发电单元11为垂直接触-分离式发电结构，第一摩擦发电单元11包括第一电极11a、第一介电薄膜11b和第二电极11c，第一介电薄膜11b带负电，所述第一介电薄膜11b设置于所述第一电极11a上。
46.电荷辅助电路2包括第一二极管21、第二二极管22和第一电容23，第一二极管21的正极与第二二极管22的负极连接到第一电极11a，第一二极管21的负极连接第一电容的第一端23a，第一电容的第二端23b与第二二极管22的正极连接到第二电极11c。
47.可变电容器12包括第三电极12a和第四电极12b，第三电极12a连接第一电容的第二端23b，第四电极12b经整流桥31连接第一电容的第一端23a。
48.电能管理单元3包括上述整流桥31，还包括第二电容32、晶体闸流管33、稳压二极管34、第三二极管35、第一电感36和第三电容37；第二电容32与整流桥31的两个直流输出端并联，晶体闸流管33的阳极和稳压二极管34的负极连接第二电容的第一端32a，晶体闸流管33的阴极连接第三二极管35的负极，晶体闸流管33的门极连接稳压二极管34的正极，第三二极管35的负极通过第一电感26连接第三电容的第一端37a，第三二极管25的正极和第三电容的第二端37b连接到第二电容的第二端32b，第三电容37的两端输出直流电源。
49.在一些实施方式中，可变电容器12的结构设计为与第一摩擦发电单元11类似。可变电容器12包括第三电极12a和第四电极12b，在第四电极12b上，设置有第二介电薄膜12c，该第二介电薄膜12c不注入电荷，其绝缘隔离作用，使第三电极12a和第四电极12b在振动时不发生接触。各可变电容器12与第一摩擦发电单元11堆叠设置。各可变电容器12的第三电
极12a均和第二电极11c保持相对静止，同步振动。例如最上级可变电容器12的第三电极12a与第二电极11c设置在同一层板上。
50.如图6所示，第一摩擦发电单元11在微风振动下，第一介电薄膜11b与第二电极11c之间周期性接触-分离，第一电极11a与第二电极11c则周期性为第一电容23充电，第一电容23上的电荷不断为可变电容器12充电，可变电容器12在微风振动下，第三电极12a和第四电极12b之间周期性靠近-远离，输出电流。由于可变电容器12上的电荷量由第一电容23不断注入，不受初始电荷量的限制，因此，输出功率较第一摩擦发电单元11更大，能量转换效率更高。
51.实施例三
52.本实施例中，装置包括两个摩擦纳米发电单元整合，且两个摩擦纳米发电单元形成一个摩擦纳米发电结构。
53.如图7所示，摩擦纳米发电结构包括固定框架111，该固定框架111由三层板材：第一层板1111、第二层板1112、第三层板1113成上中下结构间隔排列，通过两侧的第一侧板1114和第二侧板1115固定而成。在第一层板1111的下表面，向下逐层设置第一层电极1121、第一介电材料层1131；第二层板1112的上表面，向上逐层设置第二层电极1122、第二介电材料层1132；第二层板1112的下表面，向下逐层设置第三层电极1123、第三介电材料层1133；第三板层1113的上表面，向上逐层设置第四层电极1124、第四介电材料层1134。在固定框架111内，设置有活动构件114，该活动构件114上下两侧通过共振弹簧115与固定框架111保持间隙，且实现上下摆动。活动构件114包括第四层板1141、第五层板1142，第四层板1141位于第一层板1111和第二层板1112之间，第五层板1142位于第二层板1112和第三层板1114之间，第四层板1141和第五层板1142通过两侧的第三侧板1143和第四侧板1144固定为一体。第四层板1141上下表面均设置有第五层电极1125，第五层板1142上下表面均设置有第六电极1126。进一步的，由于介电材料层均非常平整，为防止活动构件114摆动时与介电材料层粘附在一起，贯穿第四层板1141和第五层电极1125设置有第一气孔1145，贯穿第五层板1142和第六层电极1126设置有第二气孔1146。
54.如上结构，即将两个摩擦纳米发电单元整体设计为一体。在此基础上，可通过扩充固定框架111的层板、活动构件114的层板、电极数量和介电材料层数量来将多个摩擦纳米发电单元构建为一体。
55.实施例四
56.本实施例公开了一种输电线路微风振动采集方法，该方法采用上述实施例中的输电线路微风振动采集装置实现。该方法将输电线路微风振动采集装置安装于输电线上，电能管理单元3的输出端连接蓄电池，通常选择锂电池进行电能存储。
57.本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。