本發(fā)明涉及輸電桿塔在線監(jiān)測領(lǐng)域以及振動(dòng)取能領(lǐng)域，具體為一種應(yīng)用于輸電桿塔上的小功耗設(shè)備的諧振取能裝置。

背景技術(shù)：

隨著電網(wǎng)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和人工智能的發(fā)展需要，桿塔上的狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備越來越多，包括傳感器、通訊機(jī)在內(nèi)的眾多電子產(chǎn)品均需要充足而穩(wěn)定的電源供應(yīng)。因此需要利用其周圍的各種環(huán)境能源，引進(jìn)新型的供電方式(振動(dòng)能)。

自然界各種諧振現(xiàn)象中儲存的能量和輸出要比其他類型的振動(dòng)更為高效可觀，這在輸電桿塔上尤為明顯。由于自然頻率以及風(fēng)勵(lì)振動(dòng)，輸電桿塔上每時(shí)每刻都有不停歇的微小振動(dòng)存在。有關(guān)共振(諧振)的研究，多集中于對其危害的預(yù)防，而利用諧振對能量的放大和儲存利用方面，則鮮有相關(guān)研究。目前，光伏板和風(fēng)機(jī)在運(yùn)行當(dāng)中存在嚴(yán)重的蓄電短板和天氣依賴性，此外兩者的壽命和可靠性也比較差。與之比較，振動(dòng)取能裝置則能夠全天候穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)能量儲存在振動(dòng)系統(tǒng)中，無需傳統(tǒng)儲能電池，因此比光伏板，風(fēng)機(jī)等傳統(tǒng)塔載供能設(shè)備更可靠高效。另外，這套裝置亦可應(yīng)用于移動(dòng)通訊信號塔或其他需要獨(dú)立供電的振動(dòng)環(huán)境中，使之應(yīng)用范圍大大增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，提出一種桿塔振動(dòng)(諧振)取能的相關(guān)裝置。該方法包括振動(dòng)模型(含多質(zhì)量塊2耦合結(jié)構(gòu))，磁路設(shè)計(jì)的相關(guān)理論。此外，也包含了諧振取能電路的設(shè)計(jì)。本發(fā)明為一種桿塔諧振取能裝置，利用電磁感應(yīng)原理，把具有一定頻率的桿塔振動(dòng)產(chǎn)生的能量高效利用。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種桿塔諧振取能裝置，包括安裝在輸電桿塔上的全封閉外殼、設(shè)置在所述外殼內(nèi)的簡諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)、將簡諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能輸出的取能機(jī)構(gòu)，所述簡諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)隨輸電桿塔同步振動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述的簡諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)包括至少一個(gè)質(zhì)量塊、用于約束所述質(zhì)量塊在一定范圍內(nèi)按特定方向簡諧振動(dòng)的柔性約束機(jī)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述的柔性約束機(jī)構(gòu)包括連接于所述質(zhì)量塊與外殼之間的彈性件，所述彈性件在平衡狀態(tài)下使質(zhì)量塊靜置于所述外殼中部，在同步振動(dòng)狀態(tài)下使質(zhì)量塊在外殼內(nèi)按一定頻率往復(fù)振動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述的彈性件采用拉簧結(jié)構(gòu)，所述拉簧結(jié)構(gòu)對稱的豎直連接于質(zhì)量塊與外殼的內(nèi)壁之間。

進(jìn)一步地，所述的彈性件采用彈片結(jié)構(gòu)，所述彈片結(jié)構(gòu)對稱的豎直連接于質(zhì)量塊與外殼的內(nèi)壁之間。

進(jìn)一步地，所述的取能機(jī)構(gòu)包括用于將簡諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置、以及將所述電能調(diào)波整流后向外輸出的調(diào)節(jié)電路。

進(jìn)一步地，所述的能量轉(zhuǎn)換裝置包括左右連接合并起來形成閉環(huán)的軟鐵磁路、對稱固定在所述軟鐵磁路內(nèi)側(cè)的感應(yīng)線圈、對稱設(shè)置在所述質(zhì)量塊水平兩端且在質(zhì)量塊振動(dòng)時(shí)與在感應(yīng)線圈內(nèi)圈相對運(yùn)動(dòng)的永磁結(jié)構(gòu)，所述的永磁結(jié)構(gòu)的磁極設(shè)置有軟鐵芯。

進(jìn)一步地，所述的永磁結(jié)構(gòu)采用銣鐵硼強(qiáng)磁。

進(jìn)一步地，所述的調(diào)節(jié)電路包括與所述能量轉(zhuǎn)換裝置電路連接的RLC諧振電路和整流電路，所述RLC諧振電路用于將感應(yīng)電能生成特定震蕩波形，所述整流電路用于將特定震蕩波形的電能調(diào)整為直流電能輸出。

進(jìn)一步地，所述的全封閉外殼采用對外隔磁、對內(nèi)導(dǎo)磁材料。能夠有效隔離內(nèi)外自然環(huán)境及磁場，另外能夠起到磁路的作用。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果包括：

1、能夠通過調(diào)節(jié)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，包括勁度系數(shù)和質(zhì)量等進(jìn)行頻率適應(yīng)，能夠應(yīng)用于不同振動(dòng)頻率的環(huán)境中；

2、外殼全封閉，不僅可以隔離內(nèi)外磁場，使內(nèi)部磁路設(shè)計(jì)更加高效，同時(shí)隔離外部自然環(huán)境，內(nèi)部可真空設(shè)計(jì)，具有極佳的可靠性；

3、裝置可放大縮小以適用于不同環(huán)境，原材料均為工藝成熟的工業(yè)產(chǎn)品，因此具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

4、基于該裝置的原理，此單質(zhì)量塊諧振系統(tǒng)或多質(zhì)量塊耦合系統(tǒng)具有很廣闊的應(yīng)用場景，能夠?qū)崿F(xiàn)全向多頻高效取儲能。

5、該裝置能夠在測試的輸電桿塔上實(shí)現(xiàn)10mW以上的穩(wěn)定功率輸出，且磁路的改進(jìn)空間較大，能夠大大提高其輸出功率。

附圖說明

圖1拉簧-永磁振動(dòng)模型的最簡單形式示意圖。

圖2是基于拉簧-永磁振動(dòng)模型的諧振取能方法示意圖。

圖3是RLC諧振電路示意圖。

圖4是全封閉外殼示意圖。

圖5是安裝實(shí)例。

圖中所示為：1為拉簧結(jié)構(gòu)，2為質(zhì)量塊，3為永磁結(jié)構(gòu)，4為感應(yīng)線圈，5為軟鐵磁路，6-取能裝置，7-輸電桿塔，8-外殼。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

一種桿塔諧振取能裝置，包括安裝在輸電桿塔7上的全封閉外殼8、設(shè)置在所述外殼8內(nèi)的簡諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)、將簡諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能輸出的取能機(jī)構(gòu)，所述簡諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)隨輸電桿塔7同步振動(dòng)。

具體而言，在發(fā)明另一實(shí)施例中，所述的簡諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)包括至少一個(gè)質(zhì)量塊2、用于約束所述質(zhì)量塊2在一定范圍內(nèi)按特定方向簡諧振動(dòng)的柔性約束機(jī)構(gòu)。

具體而言，在發(fā)明另一實(shí)施例中，所述的柔性約束機(jī)構(gòu)包括連接于所述質(zhì)量塊2與外殼8之間的彈性件，所述彈性件在平衡狀態(tài)下使質(zhì)量塊2靜置于所述外殼8中部，在同步振動(dòng)狀態(tài)下使質(zhì)量塊2在外殼8內(nèi)按一定振幅及頻率水平往復(fù)振動(dòng)。

具體而言，如圖1所示，在發(fā)明另一實(shí)施例中，所述的彈性件采用304不銹鋼的拉簧結(jié)構(gòu)1，所述拉簧結(jié)構(gòu)1對稱的豎直連接于質(zhì)量塊2與外殼8的內(nèi)壁之間。

具體而言，在發(fā)明另一實(shí)施例中，所述的彈性件采用彈片結(jié)構(gòu)，所述彈片結(jié)構(gòu)對稱的豎直連接于質(zhì)量塊2與外殼8的內(nèi)壁之間。

另外，所述的柔性約束機(jī)構(gòu)亦可用同性永磁鐵代替拉簧結(jié)構(gòu)1對質(zhì)量塊2進(jìn)行約束。

具體而言，在發(fā)明另一實(shí)施例中，所述的取能機(jī)構(gòu)包括用于將簡諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置、以及將所述電能調(diào)波整流后向外輸出的調(diào)節(jié)電路。

具體而言，如圖2所示，在發(fā)明另一實(shí)施例中，所述的能量轉(zhuǎn)換裝置包括左右連接合并起來形成閉環(huán)的軟鐵磁路5、對稱固定在所述軟鐵磁路5內(nèi)側(cè)的感應(yīng)線圈4、對稱設(shè)置在所述質(zhì)量塊2水平兩端且在質(zhì)量塊2振動(dòng)時(shí)與在感應(yīng)線圈4內(nèi)圈相對運(yùn)動(dòng)的永磁結(jié)構(gòu)3，所述的永磁結(jié)構(gòu)3的磁極設(shè)置有軟鐵芯?？梢钥闯?，所述永磁結(jié)構(gòu)3安裝在質(zhì)量塊2水平左右兩側(cè)而感應(yīng)線圈4安裝在軟鐵磁路5和永磁結(jié)構(gòu)3之間。感應(yīng)線圈4和軟鐵磁路5因應(yīng)永磁結(jié)構(gòu)3運(yùn)動(dòng)方向和位置而確定方向；軟鐵磁路5用于改善氣隙，可采用軋硅鋼管(條)，包括各種能夠提高磁場能量利用率的磁路設(shè)計(jì)。

具體而言，在發(fā)明另一實(shí)施例中，所述的永磁結(jié)構(gòu)3采用柱狀銣鐵硼強(qiáng)磁，同時(shí)，所述永磁結(jié)構(gòu)3種類為強(qiáng)永磁但不限定為銣鐵硼強(qiáng)磁。

具體而言，如圖3所示，在發(fā)明另一實(shí)施例中，所述的調(diào)節(jié)電路包括與所述能量轉(zhuǎn)換裝置電路連接的RLC諧振電路和整流電路，所述RLC諧振電路用于將感應(yīng)電能生成特定震蕩波形，所述整流電路用于將特定震蕩波形的電能調(diào)整為直流電能輸出。

具體而言，如圖4所示，在發(fā)明另一實(shí)施例中，所述的全封閉外殼8采用對外隔磁，對內(nèi)導(dǎo)磁材料。能夠有效隔離內(nèi)外自然環(huán)境及磁場，另外能夠起到磁路的作用。

下面以拉簧結(jié)構(gòu)1為例介紹其取能裝置的工作原理

如圖1和圖2所示，取能裝置包括質(zhì)量塊2、磁路、感應(yīng)線圈4以及電路，外殼8(導(dǎo)磁材料)安裝在輸電桿塔7上的橫擔(dān)或者其他振動(dòng)較明顯的位置，在安裝位置,固定后(如圖5所示)，便能夠迅速以安裝位置的頻率進(jìn)行諧振，當(dāng)質(zhì)量塊2的固有頻率與環(huán)境振動(dòng)頻率一致或接近時(shí)，質(zhì)量塊2的振動(dòng)幅值便會達(dá)到有阻尼下的最大值，因此便能夠把最大的能量儲存為機(jī)械能，同時(shí)對用電設(shè)備進(jìn)行供電。由于振動(dòng)能量在任何時(shí)刻都將存在，故只要配合好頻率和用電功率等參數(shù)，便可以為用電器長久穩(wěn)定地供電。

永磁結(jié)構(gòu)3因此以一定頻率，最大幅值相對感應(yīng)線圈4運(yùn)動(dòng)；根據(jù)電磁感應(yīng)原理：

e(t)＝-d(φ)/dt

輸出相應(yīng)頻率的交流電；進(jìn)一步地，利用諧振電路對輸出進(jìn)行處理,如下式所示：

$p_{0}f=\frac{U^2}{R}$

最終使感生的電能儲存在諧振的電路(如圖3)和諧振的機(jī)械質(zhì)量塊2當(dāng)中，當(dāng)有負(fù)載的時(shí)候，便可以為負(fù)載進(jìn)行供電。

通過設(shè)計(jì)質(zhì)量塊2的質(zhì)量和拉簧結(jié)構(gòu)1的勁度系數(shù)使其固有頻率與實(shí)測到得的桿塔普遍振動(dòng)頻率相符，有如下公式：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}$

在本實(shí)施例中(圖4及圖5)，得到輸電桿塔7振動(dòng)頻率以及振動(dòng)系統(tǒng)和電路的設(shè)計(jì)頻率均為f＝2.7Hz；選取拉簧結(jié)構(gòu)1勁度系數(shù)分別196N/m，135N/m，質(zhì)量塊2的質(zhì)量1.1kg。輸出功率為15mW。

在具有一定振動(dòng)頻率范圍的環(huán)境(輸電桿塔7)中，簡諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠迅速與環(huán)境的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行耦合從而達(dá)到共振(諧振)狀態(tài)。因此，該方法原理簡單，實(shí)用性強(qiáng)。

相似地，在輸電桿塔7上，當(dāng)單質(zhì)量塊2或者多質(zhì)量塊2耦合系統(tǒng)的固有頻率與輸電桿塔7的各向振動(dòng)頻率一致或接近時(shí)，簡諧振動(dòng)機(jī)構(gòu)中能夠儲存的機(jī)械能便會達(dá)到最大，只要配合好各質(zhì)量塊2的振動(dòng)模式(包括方向和頻率)與輸電桿塔7上設(shè)備的功率等參數(shù)，便可以為輸電桿塔7上的小功率在線監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定長久的供電。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。