一种用于高层建筑的雷电能量收集装置

技术领域

本申请涉及雷电能量收集技术领域，尤其涉及一种用于高层建筑的雷电能量收集装置。

背景技术

我国幅员辽阔，地形复杂多样，部分区域频发雷电，雷电是一种伴有闪电和雷鸣的放电现象。雷电一般产生于积雨云中，云中的电荷分布复杂，但总体而言云的上部带有正电荷，中部以及下部带有负电荷；因此云的上下部之间形成了一个电位差，当电位差达到一定程度以后就会产生放电现象。雷电的平均电流可以达到3万安培，最大电流可以达到30万安培，其电压约为1亿至10亿伏特，故对雷电电能进行开发利用具有重大的意义。在对雷电电能进行收集时，由于雷电发生瞬间有强大的能量，一般的电容器无法瞬间接纳如此多的电能，从而导致难以安全可靠地对雷电电能进行收集。

发明内容

本申请提供了一种用于高层建筑的雷电能量收集装置，解决了现有技术中难以安全可靠地对雷电电能进行收集的问题。

本申请提供了一种用于高层建筑的雷电能量收集装置，包括：

雷电电流监测单元，用于监测流经避雷线的雷电电流数据；

雷电能量收集单元，包括电能存储单元和电量监测单元，所述电能存储单元用于收集存储流经避雷线的雷电能量，所述电量监测单元用于监测电能存储单元的剩余电量；

雷电能量接地单元，用于将流经避雷线的雷电电流导入大地；

控制器，与雷电电流监测单元、雷电能量收集单元、雷电能量接地单元电连接，当雷电电流监测单元监测到雷电电流数据时，控制器控制雷电能量收集单元接入避雷线给电能存储单元充电，并断开雷电能量接地单元与避雷线的连接；当电量监测单元监测到电能存储单元的剩余电量高于预设值时，控制器控制雷电能量接地单元接入避雷线，将雷电能量导入大地，并控制雷电能量收集单元断开与避雷线的连接。

本申请提供的技术方案中，通过电量监测单元监测电能存储单元的剩余电量，并通过控制器来控制雷电能量收集单元和雷电能量接地单元接入或断开与避雷线的连接，既能有效利用雷电能量给电能存储单元充电，又可以将多余的雷电能量导入大地，避免损坏电能存储单元。

在某些实施方式中，所述雷电电流监测单元包括电流互感器和固定组件，所述电流互感器固定在避雷线外部，用于感应流经避雷线的雷电电流数据；所述固定组件包括对称安装在电流互感器外壳上下端面的两个夹环，所述夹环的端面沿周向均匀开设有若干个用于安装螺栓的通孔，通过螺栓连接上下两个夹环来夹紧固定电流互感器；所述电流互感器的外壳外径与各螺栓到夹环轴线的垂直距离相配，通过多个螺栓将电流互感器约束在与夹环同轴的位置；通过设置上下两个夹环方便夹紧固定电流互感器，将电流互感器固定在避雷线外部，从而稳定监测流经避雷线的雷电数据。

在某些实施方式中，所述夹环远离电流互感器一侧的端面安装有两个夹具，两个夹具对称安装在夹环的轴线两侧；所述夹具包括固定块，所述固定块的内侧面水平安装有导向轴，所述导向轴外部滑动套设有套筒，所述套筒远离固定块的一端设有夹块，两个夹块组合形成用于夹持固定避雷线的夹口；所述套筒与固定块之间设有弹簧，所述弹簧套在导向轴外部，用于推动套筒朝远离固定块的方向滑动；通过在夹环的端面安装两个夹具用于夹持固定避雷线，可以将避雷线固定在电流互感器的轴线位置，从而提高了电流互感器监测数据的准确性。

在某些实施方式中，所述电能存储单元包括可充电电池和电容器组，所述电容器组由多个电容器并联组成；所述电容器组与可充电电池连接，用于为可充电电池充电；所述电容器组与避雷线通过第一开关连接，所述第一开关与控制器连接；所述电量监测单元为电压表，所述电压表与电容器组并联，用于监测电容器组的电压数据；所述可充电电池连接有电量监测模块，用于监测可充电电池的剩余电量，所述电量监测模块与控制器连接；当雷电电流监测单元监测到雷电电流数据时，控制器控制第一开关导通，将避雷线中的雷电能量导入电容器组，对电容器组进行充电，并通过电压表监测电容器组的电压数据，当电容器组的电压值超过预设值后，再关断第一开关，停止给电容器组充电，避免电容器组过充损坏。

在某些实施方式中，所述可充电电池通过降压斩波变换电路并联在电容器组的两端，方便将电容器输出的电压转换成可直接对可充电电池进行充电的电压；且所述可充电电池与电容器组之间设有第二开关，所述第二开关与控制器连接；当电量监测模块监测到可充电电池的剩余电量高于预设值时，控制器关断第二开关，停止电容器组给可充电电池的充电，避免可充电电池过充损坏。

在某些实施方式中，所述电容器组的一端接地，且电容器组的两端并联有限流电阻，所述限流电阻串联有第三开关，所述第三开关与控制器连接；当可充电电池的剩余电量高于预设值，且电容器组内部还存储有电能时，可通过控制器控制第三开关导通，电容器组内的电流经限流电阻导入大地，限流电阻起到保护电路的作用。

在某些实施方式中，所述避雷线包括与避雷针连接的第一避雷线以及与大地连接的第二避雷线，所述电容器组通过第一开关与第一避雷线连接；所述雷电能量接地单元包括第四开关，所述第一避雷线与第二避雷线通过第四开关连接，所述第四开关与控制器连接；通过设置第一避雷线和第二避雷线，并将第一避雷线与电容器组通过第一开关连接，将第一避雷线与第二避雷线通过第四开关连接，方便切换避雷线与电容器组、大地的连接，提高了雷电能量收集的安全性。

在某些实施方式中，当所述电流互感器监测到雷电电流数据时，控制器控制第一开关导通给电容器组充电，并延时控制第四开关断开；当电压表监测到电容器组的电压超过预设值时，控制器控制第四开关导通，将雷电电流通过第二避雷线导入大地；并延时控制第一开关断开，停止给电容器组充电；通过这种延时控制策略，可以防止第一开关和第四开关同时断开，导致避雷线中的雷电能量无处释放，进而损坏第一开关和第四开关。

在某些实施方式中，所述第一开关和第四开关均采用多个MOSFET晶体管并联组成，采用多个MOSFET晶体管并联组成的开关可以对较大的雷电电流进行分流，使流过每个晶体管的电流减小，从而保证每个MOSFET晶体管都工作在安全电流区间。

在某些实施方式中，所述雷电能量收集单元和控制器安装在电磁屏蔽箱内，所述电磁屏蔽箱的外壳接地，防止雷电能量损坏上述电子元器件。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

本申请中附图是用于示出优选实施方式，便于本领域普通技术人员对各种其他的优点和益处清楚明了的认识，并不能认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同或同类型的部件。

图1为本申请一实施例中雷电能量收集装置的电路原理图；

图2为本申请一实施例中固定组件夹持固定避雷线的侧面结构示意图；

图3为本申请一实施例中固定组件的俯视图；

图标：1、控制器；2、电流互感器；3、夹环；4、螺栓；5、通孔；6、固定块；7、导向轴；8、套筒；9、夹块；10、弹簧；11、可充电电池；12、电容器组；13、第一开关；14、电压表；15、电量监测模块；16、第二开关；17、电感；18、二极管；19、限流电阻；20、第三开关；21、第一避雷线；22、第二避雷线；23、第四开关；24、第五开关；25、电磁屏蔽箱。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上(包括两个)，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，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申请实施例的限制。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

请参阅图1-图3，本申请实施例提供了一种用于高层建筑的雷电能量收集装置，包括：

雷电电流监测单元，用于监测流经避雷线的雷电电流数据；

雷电能量收集单元，包括电能存储单元和电量监测单元，所述电能存储单元用于收集存储流经避雷线的雷电能量，所述电量监测单元用于监测电能存储单元的剩余电量；

雷电能量接地单元，用于将流经避雷线的雷电电流导入大地；

控制器1，与雷电电流监测单元、雷电能量收集单元、雷电能量接地单元电连接，当雷电电流监测单元监测到雷电电流数据时，控制器1控制雷电能量收集单元接入避雷线给电能存储单元充电，并断开雷电能量接地单元与避雷线的连接；当电量监测单元监测到电能存储单元的剩余电量高于预设值时，控制器1控制雷电能量接地单元接入避雷线，将雷电能量导入大地，并控制雷电能量收集单元断开与避雷线的连接。

本申请实施例提供的技术方案中，通过电量监测单元监测电能存储单元的剩余电量，并通过控制器1来控制雷电能量收集单元和雷电能量接地单元接入或断开与避雷线的连接，既能有效利用雷电能量给电能存储单元充电，又可以将多余的雷电能量导入大地，避免损坏电能存储单元。

请继续参阅图2、图3，在一些实施例中，所述雷电电流监测单元包括电流互感器2和固定组件，所述电流互感器2固定在避雷线外部，用于感应流经避雷线的雷电电流数据；所述固定组件包括对称安装在电流互感器2外壳上下端面的两个夹环3，所述夹环3的端面沿周向均匀开设有若干个用于安装螺栓4的通孔5，通过螺栓4连接上下两个夹环3来夹紧固定电流互感器2；所述电流互感器2的外壳外径与各螺栓4到夹环3轴线的垂直距离相配，通过多个螺栓4将电流互感器2约束在与夹环3同轴的位置；通过设置上下两个夹环3方便夹紧固定电流互感器2，将电流互感器2固定在避雷线外部，从而稳定监测流经避雷线的雷电数据。

请继续参阅图2、图3，在一些实施例中，所述夹环3远离电流互感器2一侧的端面安装有两个夹具，两个夹具对称安装在夹环3的轴线两侧；所述夹具包括固定块6，所述固定块6的内侧面水平安装有导向轴7，所述导向轴7外部滑动套设有套筒8，所述套筒8远离固定块6的一端设有夹块9，两个夹块9组合形成用于夹持固定避雷线的夹口；所述套筒8与固定块6之间设有弹簧10，所述弹簧10套在导向轴7外部，用于推动套筒8朝远离固定块6的方向滑动；通过在夹环3的端面安装两个夹具用于夹持固定避雷线，可以将避雷线固定在电流互感器2的轴线位置，从而提高了电流互感器2监测数据的准确性。

在一具体实施方式中，所述夹块9的形状可以为与避雷线表面轮廓相配的弧面，也可以设计为V字形，具体形状可以根据实际情况灵活调整。

在一具体实施方式中，所述夹块9采用绝缘材质(如聚四氟乙烯材料)制成。

请继续参阅图1，在一些实施例中，所述电能存储单元包括可充电电池11和电容器组12，所述电容器组12由多个电容器并联组成；通过多个电容器并联可以增加电容器组12的电容量，以实现电容器组12在吸收巨大的雷电能量时，可以维持较低的电压，保障雷电能量收集的安全性；所述电容器组12与可充电电池11连接，用于为可充电电池11充电；所述电容器组12与避雷线通过第一开关13连接，所述第一开关13与控制器1连接；所述电量监测单元为电压表14，所述电压表14与电容器组12并联，用于监测电容器组12的电压数据；所述可充电电池11连接有电量监测模块15，用于监测可充电电池11的剩余电量，所述电量监测模块15与控制器1连接；当雷电电流监测单元监测到雷电电流数据时，控制器1控制第一开关13导通，将避雷线中的雷电能量导入电容器组12，对电容器组12进行充电，并通过电压表14监测电容器组12的电压数据，当电容器组12的电压值超过预设值后，再关断第一开关13，停止给电容器组12充电，避免电容器组12过充损坏。

请继续参阅图1，在一些实施例中，所述可充电电池11通过降压斩波变换电路并联在电容器组12的两端，方便将电容器输出的电压转换成可直接对可充电电池11进行充电的电压；且所述可充电电池11与电容器组12之间设有第二开关16，所述第二开关16与控制器1连接；当电量监测模块15监测到可充电电池11的剩余电量高于预设值时，控制器1关断第二开关16，停止电容器组12给可充电电池11的充电，避免可充电电池11过充损坏。

请继续参阅图1，在一具体实施方式中，所述降压斩波变换电路由串联的二极管18和电感17构成，电容器组12输出的电压经过降压斩波变换电路降压后输送给可充电电池11储能。

请继续参阅图1，在一些实施例中，所述电容器组12的一端接地，且电容器组12的两端并联有限流电阻19，所述限流电阻19串联有第三开关20，所述第三开关20与控制器1连接；当可充电电池11的剩余电量高于预设值，且电容器组12内部还存储有电能时，可通过控制器1控制第三开关20导通，电容器组12内的电流经限流电阻19导入大地，限流电阻19起到保护第三开关20的作用，防止电容器组12在接地过程中电流过大，导致第三开关20损坏；当可充电电池11中充满电时，若电容器组12内部还存储有电荷会存在一定的安全隐患，因此，本申请通过设置第三开关20和限流电阻19，可以将电容器组12内残余的电荷释放到大地上，保障了系统的安全运行；根据电路零输入相应规律，可计算得到电容器组12对地完全放电，使电容器组12两端电压趋于0所需要经历的时间为：t＝5τ；

其中，时间常数τ＝RC

C

其中，n为电容器组12中并联的电容器个数。

请继续参阅图1，在一些实施例中，所述避雷线包括与避雷针连接的第一避雷线21以及与大地连接的第二避雷线22，所述电容器组12通过第一开关13与第一避雷线21连接；所述雷电能量接地单元包括第四开关23，所述第一避雷线21与第二避雷线22通过第四开关23连接，所述第四开关23与控制器1连接；通过设置第一避雷线21和第二避雷线22，并将第一避雷线21与电容器组12通过第一开关13连接，将第一避雷线21与第二避雷线22通过第四开关23连接，方便切换避雷线与电容器组12、大地的连接，提高了雷电能量收集的安全性。

在一些实施例中，当所述电流互感器2监测到雷电电流数据时，控制器1控制第一开关13导通给电容器组12充电，并延时控制第四开关23断开；当电压表14监测到电容器组12的电压超过预设值时，控制器1控制第四开关23导通，将雷电电流通过第二避雷线22导入大地；并延时控制第一开关13断开，停止给电容器组12充电；通过这种延时控制策略，可以防止第一开关13和第四开关23同时断开，导致避雷线中的雷电能量无处释放，进而损坏第一开关13和第四开关23。

请继续参阅图1，在一些实施例中，所述第一开关13和第四开关23均采用多个MOSFET晶体管并联组成，采用多个MOSFET晶体管并联组成的开关可以对较大的雷电电流进行分流，使流过每个晶体管的电流减小，从而保证每个MOSFET晶体管都工作在安全电流区间；所述第二开关16和第三开关20均采用单个的MOSFET晶体管，MOSFET晶体管能够在10～100ns时间内实现电路的通断，而标准雷电流波的半峰时间在50μs左右，采用MOSFET晶体管作为开关可以保证在收集雷电能量时具备足够的反应灵敏度。

请继续参阅图1，在一具体实施方式中，所述可充电电池11的输出端设有第五开关24，所述第五开关24与负载连接，用于控制可充电电池11与负载的通断电；所述第五开关24可采用MOSFET晶体管。

请继续参阅图1，在一些实施例中，所述雷电能量收集单元和控制器1安装在电磁屏蔽箱25内，所述电磁屏蔽箱25的外壳接地，防止雷电能量损坏上述电子元器件。

本实施例的雷电能量收集装置的工作过程如下：

当发生雷电现象时，避雷针将雷电能量引入第一避雷线21，电流互感器2监测到雷电电流数据，控制器1可记录雷电次数和雷电电流大小；然后，控制器1先控制第一开关13导通，将第一避雷线21上的雷电电流引入电容器组12进行充电，再延时100ns控制第四开关23断开，避免雷电能量导入大地造成浪费；在对电容器组12进行充电的过程中，通过电压表14实时监测电容器组12的电压数据，当监测到电容器组12两端的电压达到额定电压的90％时，控制器1控制器1第四开关23先导通，将第一避雷线21与第二避雷线22接通，再延时100ns控制第一开关13断开，将无法继续吸收的雷电能量通过第二避雷线22导入大地，避免电容器组12过充损坏。

当电量监测模块15监测到可充电电池11的剩余电量低于预设值时，控制器1控制第二开关16导通，释放电容器组12存储的电荷用于给可充电电池11充电；当电量监测模块15监测到可充电电池11的剩余电量高于预设值时，控制器1控制第二开关16断开，停止给可充电电池11充电，避免电池过充损坏。

当可充电电池11充满电后，控制器1控制第三开关20导通，将电容器组12上残余的电荷导入大地，避免电容器组12带电存在安全隐患。

当可充电电池11需要给负载供电时，控制器1控制第五开关24导通，可充电电池11与负载连通，给负载供电。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在矛盾冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。