本發(fā)明涉及能量收集設備，尤其涉及一種面向變電站的復合式振動能收集裝置。

背景技術：

1、隨著新型數(shù)字化、智能化電力系統(tǒng)建設的推進，亟需建設更加穩(wěn)定、安全、大容量的信息網(wǎng)絡以支撐海量數(shù)據(jù)的采集、傳輸及分析。傳感器作為電力系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集終端，是智能電網(wǎng)的感知神經(jīng)末梢，對整個電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定具有重要作用。當前，傳感器被廣泛用于發(fā)電機組、輸電線路、高壓直流換流閥、智能變電站、儲能裝置等全鏈條關鍵設備的運行狀態(tài)監(jiān)測及診斷，是實現(xiàn)設備廣域互聯(lián)、狀態(tài)深度感知和風險主動預警的重要環(huán)節(jié)。

2、作為智能電網(wǎng)的關鍵組成部分，變電站在電能的輸送、變換和分配中發(fā)揮著重要作用。監(jiān)測其運行狀態(tài)對于保證整個電力系統(tǒng)的安全可靠至關重要。傳統(tǒng)的變電站傳感器大多依靠化學電池供電。然而，電池供能模式因容量和壽命有限，需要定期維護或更換，從而增加了經(jīng)濟成本，成為電力設備廣泛部署傳感器及節(jié)點的主要瓶頸問題。考慮到變壓器中因交變磁場而產(chǎn)生的周期性振動，采用能量收集裝置將此振動能量轉化為傳感器工作所需的能量，有望成為解決無線傳感器及節(jié)點全天候自供能問題的可行方案。

3、振動能量收集技術通過振動能量收集裝置將環(huán)境中的機械振動能轉換為電能。振動能量收集器主要由三部分組成：拾振模塊、換能模塊和儲能模塊。拾振模塊將外部環(huán)境的振動能轉換為裝置內(nèi)部結構的動能；換能模塊將內(nèi)部結構的動能轉換為電能；儲能模塊用于儲存轉換后的電能。在變壓器主頻為100hz的振動環(huán)境下通常采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)作為拾振模塊。通過調(diào)整彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率，使其與激勵頻率匹配，可以使俘能效率達到最大。換能模塊會在質(zhì)量塊的激勵下將機械能轉化為電能。根據(jù)換能原理的不同，振動能量收集裝置主要分為電磁式、壓電式和摩擦電式。壓電式振動能量收集器(peng)利用壓電材料的正壓電效應產(chǎn)生電能，具有結構簡單、可由mems工藝制造、無電磁干擾等優(yōu)點，但其輸出功率較低且材料易斷裂。電磁式振動能量收集器(emg)基于法拉第電磁感應定律，通過線圈中的磁通量變化產(chǎn)生感應電動勢，具有較好的可靠性和較高的輸出功率。但在小型器件和低振幅的應用場景中，輸出功率較低，并且較低的輸出電壓增加了能量儲存難度。摩擦電式振動能量收集器(teng)具有結構靈活、成本低廉、材料易制備等特點，輸出高電壓低電流，降低了能量儲存難度，但存在輸出功率較低及穩(wěn)定性不足等問題。

4、變電站場景中的振動加速度通常較低，限制了能量收集裝置內(nèi)部質(zhì)量塊的最大振幅。由于換能模塊的輸出性能與質(zhì)量塊的激勵振幅有關，這將導致能量收集裝置的輸出性能下降。此外，現(xiàn)有變電站振動能收集裝置采用單一的機電耦合換能機制，僅使用電磁轉換、壓電轉換或摩擦發(fā)電中的一種，可能導致輸出功率密度不足。同時，單一換能模塊的電學信號特性也會影響能量儲存效率。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術不足，本發(fā)明的目的在于提供一種面向變電站的復合式振動能收集裝置。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一實施例提供的技術方案如下：

3、一種面向變電站的復合式振動能收集裝置，包括：

4、外殼；

5、拾振單元，所述拾振單元包括基板、連接于所述基板上的多個下彈簧、連接于多個所述下彈簧的第一質(zhì)量塊、連接于所述第一質(zhì)量塊的多個上彈簧以及連接于多個所述上彈簧的第二質(zhì)量塊，所述基板連接于所述外殼的下部；

6、電磁發(fā)電機構，所述電磁發(fā)電機構包括磁鐵基座、至少一個電磁發(fā)電單元，所述磁鐵基座連接于所述外殼的上部，所述電磁發(fā)電單元包括磁體、設置于所述磁體外的線圈單元，所述磁體連接于所述磁鐵基座，所述線圈單元限位于所述第二質(zhì)量塊；

7、納米摩擦發(fā)電機構，所述納米摩擦發(fā)電機構包括兩個納米摩擦發(fā)電單元，其中一個所述納米摩擦發(fā)電單元連接于所述基板與第一質(zhì)量塊之間，另一個所述納米摩擦發(fā)電單元連接于所述第一質(zhì)量塊與第二質(zhì)量塊之間。

8、作為本發(fā)明的進一步改進，所述磁鐵基座包括承載板、連接于所述承載板的圓柱體，所述承載板連接于所述外殼的上部，所述磁體固定于所述圓柱體。

9、作為本發(fā)明的進一步改進，所述線圈單元包括串聯(lián)反接的兩個線圈，兩個所述線圈套設于所述磁體外。

10、作為本發(fā)明的進一步改進，兩個所述線圈的接觸平面與所述磁體的中心平面重合。

11、作為本發(fā)明的進一步改進，所述電磁發(fā)電單元的數(shù)量為兩個，兩個所述磁體的磁極方向相反，兩個所述線圈單元串聯(lián)連接。

12、作為本發(fā)明的進一步改進，每個所述磁體包括層疊設置的四個磁鐵片，兩個所述磁體之間設置有間隔塊。

13、作為本發(fā)明的進一步改進，所述第二質(zhì)量塊呈圓筒形，所述第二質(zhì)量塊的內(nèi)壁下部設置有環(huán)形凸起。

14、作為本發(fā)明的進一步改進，所述基板的上側設置有多個第一定位槽，所述第一質(zhì)量塊的上側、下側均設置有第二定位槽，所述第二質(zhì)量塊的外部設置有多個凸部，每個所述凸部的下側設置有第三定位槽。

15、作為本發(fā)明的進一步改進，所述外殼的下部內(nèi)設置有多個第一凸塊，所述基板連接于多個所述第一凸塊，所述外殼的上部內(nèi)設置有多個第二凸塊，所述磁鐵基座連接于多個所述第二凸塊。

16、作為本發(fā)明的進一步改進，所述納米摩擦發(fā)電單元包括交叉折疊的第一摩擦紙條與第二摩擦紙條，所述第一摩擦紙條包括第一導電織物、設置在所述第一導電織物相對兩面的兩個fep薄膜，所述第二摩擦紙條包括連接為一體的兩個第二導電織物。

17、本發(fā)明的有益效果是：

18、(1)本發(fā)明的收集裝置能夠有效收集變壓器外殼的振動能并轉化為電能，為變壓器無線傳感節(jié)點供電。

19、(2)該裝置能夠適應變壓器外殼的低加速度振動場景，有效放大內(nèi)部質(zhì)量塊的運動振幅，提高電磁發(fā)電和摩擦發(fā)電的發(fā)電效率。

20、(3)本發(fā)明的電磁發(fā)電機構的巧妙布局增強了電磁輸出，并有效屏蔽了外部磁場干擾；納米摩擦發(fā)電單元的摩擦材料之間的間隙較小，使得對微幅振動的響應更加靈敏，提高對微幅振動的發(fā)電效率，此外，更大的摩擦材料接觸面積將大幅提高發(fā)電單元在單位體積內(nèi)的發(fā)電效率。

21、(4)該裝置采用電磁發(fā)電和納米摩擦發(fā)電復合方式，能夠將收集的動能更高效地轉化為電能，不僅能夠提高輸出功率密度，還能實現(xiàn)電磁的高電流信號和摩擦電的高電壓信號互補，從而提高了能量儲存效率。

22、(5)本發(fā)明裝置亦可用于檢測變壓器外殼的運動加速情況和運動平穩(wěn)程度，從而得知變壓器外殼的加速度和工作穩(wěn)定性。

技術特征：

1.一種面向變電站的復合式振動能收集裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的面向變電站的復合式振動能收集裝置，其特征在于，所述磁鐵基座包括承載板、連接于所述承載板的圓柱體，所述承載板連接于所述外殼的上部，所述磁體固定于所述圓柱體。

3.根據(jù)權利要求1或2所述的面向變電站的復合式振動能收集裝置，其特征在于，所述線圈單元包括串聯(lián)反接的兩個線圈，兩個所述線圈套設于所述磁體外。

4.根據(jù)權利要求3所述的面向變電站的復合式振動能收集裝置，其特征在于，兩個所述線圈的接觸平面與所述磁體的中心平面重合。

5.根據(jù)權利要求3所述的面向變電站的復合式振動能收集裝置，其特征在于，所述電磁發(fā)電單元的數(shù)量為兩個，兩個所述磁體的磁極方向相反，兩個所述線圈單元串聯(lián)連接。

6.根據(jù)權利要求5所述的面向變電站的復合式振動能收集裝置，其特征在于，每個所述磁體包括層疊設置的四個磁鐵片，兩個所述磁體之間設置有間隔塊。

7.根據(jù)權利要求1所述的面向變電站的復合式振動能收集裝置，其特征在于，所述第二質(zhì)量塊呈圓筒形，所述第二質(zhì)量塊的內(nèi)壁下部設置有環(huán)形凸起。

8.根據(jù)權利要求1所述的面向變電站的復合式振動能收集裝置，其特征在于，所述基板的上側設置有多個第一定位槽，所述第一質(zhì)量塊的上側、下側均設置有第二定位槽，所述第二質(zhì)量塊的外部設置有多個凸部，每個所述凸部的下側設置有第三定位槽。

9.根據(jù)權利要求1所述的面向變電站的復合式振動能收集裝置，其特征在于，所述外殼的下部內(nèi)設置有多個第一凸塊，所述基板連接于多個所述第一凸塊，所述外殼的上部內(nèi)設置有多個第二凸塊，所述磁鐵基座連接于多個所述第二凸塊。

10.根據(jù)權利要求1所述的面向變電站的復合式振動能收集裝置，其特征在于，所述納米摩擦發(fā)電單元包括交叉折疊的第一摩擦紙條與第二摩擦紙條，所述第一摩擦紙條包括第一導電織物、設置在所述第一導電織物相對兩面的兩個fep薄膜，所述第二摩擦紙條包括連接為一體的兩個第二導電織物。

技術總結
本發(fā)明公開了一種面向變電站的復合式振動能收集裝置，包括：外殼；拾振單元，包括基板、連接于基板上的多個下彈簧、連接于多個下彈簧的第一質(zhì)量塊、連接于第一質(zhì)量塊的多個上彈簧以及連接于多個上彈簧的第二質(zhì)量塊，基板連接于外殼的下部；電磁發(fā)電機構，包括磁鐵基座、至少一個電磁發(fā)電單元，磁鐵基座連接于外殼的上部，電磁發(fā)電單元包括磁體、設置于磁體外的線圈單元，磁體連接于磁鐵基座，線圈單元限位于第二質(zhì)量塊；納米摩擦發(fā)電機構，包括兩個納米摩擦發(fā)電單元，兩個納米摩擦發(fā)電單元分別連接于基板與第一質(zhì)量塊之間、第一質(zhì)量塊與第二質(zhì)量塊之間。本發(fā)明能夠提高提高電磁發(fā)電和摩擦發(fā)電的發(fā)電效率，提高能量儲存效率，為無線傳感器供電。

技術研發(fā)人員：劉會聰,王梓兆,梅明其,李振明,劉銘揚,劉偉,于百泉,路永玲,王真
受保護的技術使用者：蘇州大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/10