一种适应低风速与多风向的微风能量收集装置

技术领域

本发明属于电网辅助设备技术领域，涉及一种微风能量收集装置，尤其是一种适应低风速与多风向的微风能量收集装置。

背景技术

为加快泛在电力物联网建设，国网互联网部会同相关部门和省(市)公司、科研产业单位于2019年3月提出《泛在电力物联网建设总体方案》。利用泛在电力物联网，从全息感知、泛在连接、开放共享、业务创新四个方面对电网系统运行效率进行提升。为满足电网数据采集的需要，越来越多的无线传感器分布在人烟稀少或者环境复杂的风电场、变电站和输电线路上。在这种情况下，如何解决海量无线传感器的能源管理问题，即成为决定物联网系统运行维护成本和寿命的关键所在。

尽管这些电子设备已经具有较低的功耗，但是由于目前大多数类似器件还是采用化学电池供电，因此当化学电池电量耗尽时，如何为这些传感器节点设备更换电池具有很大的难度，尤其当成百上千的传感器设备遍布较大的空间，而且每个设备耗电程度有不尽相同，如何为其供电将是无线传感设备能否大规模应用的先决条件。

传感器作为工业感知设备如同人类的眼睛和鼻子，在智能化设备空前发展的现代，为了人类更好的发展和工业信息更好的获取，人们开始研究区别于化学电池供电的能量收集技术用以为上述设备提供电能，能量收集技术也成为当下学者们的研究热点之一。此项技术主要收集环境中废弃或者看似无用的能量，将能量通过转换的方式变成电能为低功耗的无线电子设备提供工作必须的电能。从技术发展来看，目前可以供收集利用的能源主要包括：光能、振动能、热能、磁能等。其中振动能在生活中比较普遍，因此如果将振动能量转化为电能是一种可行的办法。振动能转换成电能主要有三种方式：电磁式转换、静电式转换和压电式转换。电磁式转换主要利用电磁感应原理，但是存在体积较大等劣势，静电式转换利用静电效应，一般需要单独接入外部电源作为启动电压，因此无法解决上述问题。所以综合考虑采取压电转换方式，该方法是将风能先转换为振动能量，然后将振动转换成压电片的形变，主要为拉伸或者压缩，最后利用正压电效应将振动能量转换为电能。

压电效应最早是在晶体材料中发现的，当晶体表面受到机械应力作用时，晶体将在极化方向上产生与应力成正比的电场，这种现象称为正压电效应，反之，若将上述晶体置于电场中，晶体的形状会发生变化，该现象称为逆压电效应，除晶体外，部分材料也拥有压电效应，研究人员就将这类材料统称为压电材料。压电式能量收集器利用的正是压电材料的正压电效应，而弹性柔顺常数、压电常数、机电耦合系数等参数是选择压电材料的主要依据。

综上所述，针对越来越多的无线传感器分布在人烟稀少或者环境复杂的风电场、变电站和输电线路上，如何为其供电并进行海量无线传感器的能源管理是本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、结构简单、低成本且易安装的适应低风速与多风向的微风能量收集装置。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种适应低风速与多风向的微风能量收集装置，包括风车、发条盒、凹型部件和悬臂梁，在所述悬臂梁上粘贴有压电片；所述风车转动连接有发条盒，该发条盒将其存储的弹性势能通过凹型部件引起悬臂梁的振动，进而使压电片发生形变继而产生电能。

而且，所述风车的一端同轴固装有第一固定轴，该第一固定轴另一端垂直固装在第二固定轴上；在该第一固定轴上同轴套装有第一齿轮，在第二固定轴上同轴套装有第二齿轮，该第一齿轮和第二齿轮啮合连接在一起；在该第二齿轮的下方垂直啮合连接有第三齿轮，该第三齿轮通过第三固定轴与第四齿轮同轴连接在一起，通过风机依次带动第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮转动；在该第四齿轮另一端安装有发条盒，该发条盒的另一侧同轴安装有第五齿轮，所述第四齿轮经由发条盒带动第五齿轮转动；在该第五齿轮的另一侧垂直啮合连接有第六齿轮，该第六齿轮上接触连接有凹型部件，且该第六齿轮仅与凹型部件的一侧端臂接触连接在一起；该凹型部件的尾端连接有悬臂梁，用于将第六齿轮的转动转化为悬臂梁的振动。

而且，所述第一固定轴尾部同轴套装有第一轴承，该第一轴承尾部同轴套装有连接套，该连接套的另一端与第二固定轴固装在一起。

而且，所述第二固定轴通过第二轴承与第二齿轮同轴套装在一起。

而且，所述第三齿轮下方安装有止逆板，该止逆板通过转动机构与下方支撑板连接在一起，所述转动机构优选为合页。

而且，所述第六齿轮转动安装在第五固定轴上，该第五固定轴的另一端固装在第四固定轴上，该第四固定轴与第二固定轴垂直固装在一起。

而且，所述凹型部件转动安装在第六固定轴上，该第六固定轴的另一端固装在第四固定轴上。

而且，所述凹型部件的两个直角端分别通过两个拉簧第六固定轴连接在一起，用于将在第六齿轮作用下发送转动的凹型部件进行复位。

而且，所述悬臂梁尾部还安装有配重块。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明能够针对越来越多的无线传感器分布在人烟稀少或者环境复杂的风电场、变电站和输电线路上的情况，有效解决海量传感器的电能供给和能源管理问题，基本可以做到一次部署，长期使用。

2、本发明能够防止传感器因能源耗尽导致其中所存储的信息丢失情况发生，提高系统的可扩展性。利用环境中最为常见的风能，利用机械结构和压电材料组合起到收集节点周围环境中的能量并转换为电能，实现节点的自主供电。

3、本发明主要给低功耗元器件供电，因此结构可以做的较小，不需要风力很大就可以达到能量收集的目的，结构简单、成本较低，并可根据安装地点的环境条件进行设备组件的替换，例如根据风能分布情况选择为一个或者多个低功耗元器件供电，如果安装在电网系统中，结构材料可以选择绝缘的高性能塑料材质作为装置的主题材料，从而达到绝缘的目的。本发明易于安装、可基本实现一次安装，长期使用的目的，是解决海量传感器供电问题的有效方案。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图图；

图2是本发明的止逆结构图；

图3是本发明的转动变振动能量转换机构结构图；

图4是本发明的转动变振动能量转换机构中与齿轮配合的凹型部件的结构示意图；

附图标记说明：

1、风车；2-1第一固定轴；2-2第二固定轴；2-3第三固定轴；2-4第四固定轴；2-5第五固定轴；2-6第六固定轴；3-1、第一齿轮；3-2、第二齿轮；3-3、第三齿轮；3-4、第四齿轮；3-5、第五齿轮；3-6、第六齿轮；4、第一轴承；5、连接套；6、第二轴承；7、支撑板；8、发条盒；9、止逆板；10、压电片；11、凹型部件；12、配重块；13、悬臂梁；14、转动部件；15、拉簧。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种适应低风速与多风向的微风能量收集装置，如图1至图4所示，包括风车、发条盒、凹型部件和悬臂梁，在所述悬臂梁上粘贴有压电片；所述风车转动连接有发条盒，该发条盒将其存储的弹性势能通过凹型部件引起悬臂梁的振动，进而使压电片发生形变继而产生电能。

所述风车的一端同轴固装有第一固定轴，该第一固定轴另一端垂直固装在第二固定轴上；在该第一固定轴上同轴套装有第一齿轮，在第二固定轴上同轴套装有第二齿轮，该第一齿轮和第二齿轮啮合连接在一起；在该第二齿轮的下方垂直啮合连接有第三齿轮，该第三齿轮通过第三固定轴与第四齿轮同轴连接在一起，通过风机依次带动第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮转动；在该第四齿轮另一端安装有发条盒，该发条盒的另一侧同轴安装有第五齿轮，所述第四齿轮经由发条盒带动第五齿轮转动；在该第五齿轮的另一侧垂直啮合连接有第六齿轮，该第六齿轮上接触连接有凹型部件，且该第六齿轮仅与凹型部件的一侧端臂接触连接在一起；该凹型部件的尾端连接有悬臂梁，用于将第六齿轮的转动转化为悬臂梁的振动。

所述第一固定轴尾部同轴套装有第一轴承，该第一轴承尾部同轴套装有连接套，该连接套的另一端与第二固定轴固装在一起。

所述第二固定轴通过第二轴承与第二齿轮同轴套装在一起。

所述第三齿轮下方安装有止逆板，该止逆板通过转动机构与下方支撑板连接在一起，所述转动机构优选为合页。

所述第六齿轮转动安装在第五固定轴上，该第五固定轴的另一端固装在第四固定轴上，该第四固定轴与第二固定轴垂直固装在一起。

所述凹型部件转动安装在第六固定轴上，该第六固定轴的另一端固装在第四固定轴上。

所述凹型部件的两个直角端分别通过两个拉簧第六固定轴连接在一起，用于将在第六齿轮作用下发送转动的凹型部件进行复位。

所述悬臂梁尾部还安装有配重块。

在本实施例中，如图1所示，本发明除了风车1部分会暴露在外，其余结构都在箱体中，箱体内部分布可根据具体情况适当调整，但不能影响性能，例如适当增加固定杆用以确保整体结构的稳定牢固，在实际安装过程中，需要考虑到风车旋转的因素，杜绝安全隐患，该装置一般后接DC-DC电路等，确保产生的电能进过处理能供元器件使用或者存储，因此需要考虑后接电路结构的问题，整体安装完成后进行测试工作，在有微风的情况下，测试整体结构是否满足使用要求，如果不符合要求，则需要拆开箱体查看内部结构，调整齿轮啮合情况等确保装置满足使用要求。

本发明的工作原理是：

本发明提出了一种将风能转换为齿轮转动动能，再通过齿轮啮合将动能传递到发条盒，储存为弹性势能，然后利用弹性势能释放变为动能带动齿轮旋转拨动悬臂梁的一端，引起悬臂梁的振动，振动使得压电材料发生形变继而产生电能，电能可以通过接入后续电路进行转换或者存储供元器件使用。

具体如下：首先通过图1中的风车1将空气中的微风能量接收，变为风车自身的旋转，风车后面带有第一齿轮3-1，风车本身通过第一固定轴2-1与第一轴承4配合确保风车能顺利带动第一齿轮3-1转动，第一轴承4通过连接套5与第三固定轴2-3刚性连接，起到支持的作用。风车后面的小的第一齿轮3-1与下面的大的第二齿轮啮合，因此风车转动将带动第一齿轮下面的大的第二齿轮水平转动，大的第二齿轮通过第二轴承6与第二固定轴连接，图1中大的第二齿轮带动其右下角小的第三齿轮竖直转动，由于齿数不同，右下角小的第三齿轮将转动较快，右下角小的第三齿轮配合有止逆板9，确保其只能沿着一个方向转动(因为发条盒)，然后通过第三固定轴带动发条盒8左边的第四齿轮转动，该第四齿轮与发条盒的一边连接，这样它在转动的过程中可以将能量存储在发条盒中，发条盒两端分别与固定在其两边的齿轮连接，由于两个齿轮是固定在同一个发条的不同端，所以当其中一个齿轮在受到外力挤压发条时，另外一个齿轮则会因为受到发条的驱动而运动。如此，发条在接收输入的冲击能量的同时也输出能量，从而驱动该能量收集器的能量释放部分，最终利用图1中悬臂梁13左端的凹形部件11将释放的能量转变成悬臂梁的振动，粘贴在悬臂梁上的压电片10将机械振动的能量转换成相同频率的电能。发条盒作为一个机械能缓冲器件，可以快速地将冲击能聚集起来，然后在受控的情况下缓慢释放，从而达到将压电振子的振动频率稳定在共振频率附近的目的。显而易见，在一次冲击中，第四齿轮转动位移越大发条存储的能量也就越多，最后转换成的电能也就越多。因此悬臂梁13右端有配重块，这样可以利用力矩关系将微小振动放大成为较大的悬臂梁振幅，可以增加压电材料电能输出，输出的电能可以利用现有成熟的电路结构将其存储或者转换利用。

本发明利用风的流动带动风车转动，转动经过传递变成振动能，在利用压电材料的正压电效应将振动转变为电能。利用风能产生振动，这种振动是一种波形的能量，包括不同频率上的多个峰值，每个峰值都可以看作是一次能量冲击，这种冲击将会对压电片产生作用，起到能量传递的作用，最终达到能量收集转换为电能供电子设备使用。利用这种转换方式有便于集成、结构简单等优点，一般来说压电式转换大多采用机械谐振器来实现，本发明结合风能、振动能与能量收集器的工作特点，采用风车带动齿轮旋转，旋转带动悬臂梁结构振动，振动使压电材料产生形变从而发出电能，并考虑利用接口电路等将产生的电能储存或者利用，给元器件供电。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。