一种摩擦电式架空输电线路风致振动能量收集装置及其自驱动系统的制作方法

1.本发明属于微纳能源领域，涉及一种摩擦电式架空输电线路风致振动能量收集装置及其自驱动系统。


背景技术：

2.新型智能电网对信息感知的深度、广度、密度、频度和精度提出了更高要求，致力于将传感技术、信息技术和自动控制技术等与电网基础设施进行有机融合，实现电网发、输、配、用、储等环节的信息互联互通和状态全息感知。因此，大量分布式传感器被逐渐应用于电网运行状态监测中，对系统内各个环节的电气量、状态量、环境量及行为量进行全面监控，形成能源互联网底层感知基础设施。其中，输电网络遍布各种复杂环境中，需要通过对状态量监测，实时感知各种状态指示标识，确保电力系统可靠、稳定的运行。通过传统方式对这些大量分布式传感器的供能无法做到长期供能效果。通过在周围环境中寻求可以利用的能量，并有效地转换成电能是一种可行的解决思路。其中，导线振动普遍存在于架空输电线路中，当导线受到横向层流风的作用时，背风侧产生的卡门旋涡极易使得导线发生上下交变的微振动，这些冗余、杂散、随机、微小的振动能量有希望被收集并进一步转化为可被利用的电能。为此，通过一种振动能量收集技术为支撑的新型微纳能源供能技术，对现有的分布式感知终端供能技术进行有效补充，具有极为重要的应用价值。
3.摩擦纳米发电机(teng)基于摩擦起电原理和静电感应原理的耦合，使其具备了将机械能转化成电能的能力，为环境中微小、冗余、杂散能源的收集带来新途径。其原理是两种具有电负性差异的材料其表面通过周期性的接触分离，能够直接将周围环境中的冗余机械能转换为电能。teng通常以接触分离的工作模式来收集振动能量，但传统器件的转换效率和电能输出仍有待提升，并需要进一步构建完备的自驱动系统，以应对架空输电线路中广泛的微功耗分布式传感单元的能量供给问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种摩擦电式架空输电线路风致振动能量收集装置及其自驱动系统，通过收集振动能量解决线路上分布式传感单元的供能问题。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.方案一、一种摩擦电式架空输电线路风致振动能量收集装置，该装置包括螺旋结构teng、质量块和运动导轨。其中质量块与螺旋结构teng连接；在质量块中心处设有通孔，运动导轨从通孔插入并穿过螺旋结构teng，运动导轨可辅助质量块做垂直方向的运动，在振动的激励下带动螺旋结构teng发生接触分离以产生电能。
7.可选地，螺旋结构teng包括螺旋基体、第一电极、第二电极和薄膜；第一电极和第二电极分别贴附在螺旋基体的螺旋层的上表面和下表面；薄膜贴附在第一电极的表面，且与第二电极间存在间隙。薄膜与第二电极通过接触产生摩擦电荷。其中螺旋基体的制备方
式为：首先将有机玻璃切割为多个圆环，且圆环具有开口；再依次连接圆环的开口端形成立体螺旋式结构，即得到螺旋基体；所述螺旋基体的螺旋层之间设置间隙以供电极和薄膜的贴附。
8.可选地，第一电极和第二电极为金属层，金属层选择包括但不限于以下材料：
9.金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒，合金包括铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金和钽合金等。
10.可选地，所述薄膜为聚合物薄膜，其选择包括但不限于以下材料：
11.聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素、天然橡胶、乙基纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、人造纤维、纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚和聚对苯二甲酸乙二醇酯等。
12.聚合物薄膜的厚度不低于10μm。
13.方案二、一种架空输电线路风致振动能量自驱动系统，该系统包括能量管理电路、壳体以及方案一中所述的收集装置；其中能量管理电路与收集装置中的螺旋结构teng连接，用于将螺旋结构teng产生的电能输送至电路微功耗负载；壳体用于收集装置和能量管理电路的整体封装。
14.可选地，能量管理电路包括整流桥、储能电容和稳压器。其中整流桥用于将螺旋结构teng产生的交流电能转化为直流电能；储能电容用于存储直流电能；稳压器用于将直流电能稳定的输出至微功耗负载。
15.可选地，壳体包括顶板、底板和空心圆柱体；顶板和底板分别在所述空心圆柱体两端；底板上设置螺旋结构teng。
16.本发明的有益效果在于：本系统能够高效收集架空输电线路振动能量并转换为传感单元可利用的电能，用以维持电力系统架空输电线路分布式传感单元的无源化工作。
17.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
18.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
19.图1为能量收集装置结构示意图；
20.图2为螺旋结构teng结构示意图；
21.图3为螺旋结构teng工作原理示意图；
22.图4为能量管理电路结构示意图。
23.附图标记：1-螺旋结构teng；2-质量块；3-运动导轨；4-壳体；11-螺旋层；12-电极；13-聚合物薄膜。
具体实施方式
24.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
25.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
26.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。
27.本发明为实现对输电线路中环境量(风力、风向、温度、湿度、降雨量等)和导线状态量(振动、弧垂、拉力、风偏、导线温度)等微功耗(10μw-10mw)分布式传感单元功能，提出一种如图1～图4所示的输电线路风致振动能量自驱动系统，包括能量收集装置、能量管理电路和壳体。
28.如图1所示为摩擦电式振动能量收集装置及壳体的结构示意图，摩擦电式振动能量收集装置主要由螺旋结构teng1和助动部件两部分组成。助动部件包括质量块2和运动导轨3，质量块2的下表面与螺旋结构teng1顶端相连接，在外部振动激励时，质量块2在基准面的相对位移会带动teng发生接触分离。运动导轨3位于质量块2中心通孔确保质量块2在竖直振动方向上的稳定工作。壳体4由圆柱形空心圆管壳体和圆形顶、底板构成圆筒形密闭式空间，避免内部的器件受到外界复杂自然环境的扰动。
29.图2所示为螺旋结构teng1结构示意图，螺旋结构teng1的螺旋基体中螺旋层11的上、下表面分别粘连一层金属层作为第一、第二电极。其中，第一、第二电极连续不间断地贴附在螺旋层11上，且第一电极表面贴附聚合物薄膜13，并与第二电极构成接触分离式teng，其中第二电极与聚合物薄膜13间存在间隙。
30.图3所示为螺旋结构teng1的工作原理，在振动激励的作用下，质量块2带动螺旋结构teng1中第二电极与聚合物薄膜13形成物理接触，此阶段由于摩擦材料对电荷亲和性的差异，使得两摩擦层带有等量异号电荷，如图3中的(i)部分所示。当激励被释放，两摩擦层开始彼此分离产生电势差，第一、第二电极之间将在外部电路形成电荷移动，如图3中的(ii)部分所示。其电荷转移一直持续到最大分离位置，如图3中的(iii)部分所示。当两摩擦
层再次趋于接触时，电势差逐渐减小至零，此时电荷发生回流，如图3中的(iv)部分所示。根据周期循环下的接触分离，teng产生交流的电流脉冲信号对外部输出电能。
31.图4所示为自驱动系统的能量管理电路结构图，将摩擦电式振动能量收集装置的输出端口(即第一电极、第二电极)接入图4所示的能量管理电路，通过整流桥模块将收集的交流电能转换成直流形式，并对储能电容c进行充电。存储的电能输送至稳压器u0的端口a，并从端口c输出稳定的直流电压，满足对各种供能需求下的微功耗传感单元的能量供给。
32.其中，整流桥的选择包括但不限于以下型号：kbpc1010、4gbj1006、gbp208、br1010、gbu610、gbj1010、rs607、kbu810和db107等整流模块。储能电容的选择包括但不限于以下电容值：10μf、22μf、33μf、47μf、100μf、220μf、330μf、470μf和1000μf等。稳压器的选择包括但不限于以下型号：l7805、l7806、l7808、l7809、l7810、l7812和l7815等。
33.本实施例中还提供了各模块的制备方法，首先说明的是摩擦电式振动能量收集装置的制备方法；
34.摩擦电式振动能量收集装置的制备主要包括螺旋结构teng和助动部件。螺旋结构teng的骨架采用有机玻璃材质，利用激光切割机将厚度为1mm的有机玻璃板切割成外径为8cm，内径为6cm的开口圆环，6个相同的圆环其开口端比邻粘连构成立体螺旋式结构，螺旋层与层之间保留2mm间隙。其后，将厚度为50μm的金属层用酒精和纯水洗净并放入烘箱干燥，并通过黏合剂充分地贴附在螺旋层的上、下表面，形成第一、第二电极。最后，将厚度为500μm的聚合物薄膜同样在进行洗净、干燥处理后通过导电胶贴附在第一电极的上表面。
35.助动部件的质量块选用直径为6cm的实心重物，并在重物中心位置切割出直径为2cm的通孔。其次，运动导轨的制作是将直径为2cm的亚克力圆棒切割成高度为8cm的圆柱。重物下表面与螺旋结构teng1的顶端粘连，二者保持竖直方向对齐。圆柱穿过重物中心通孔作为重物竖直方向的运动导轨。
36.相应的，能量管理电路的设计主要包括整流桥模块、储能电容和稳压器模块。整流桥模块将teng输出的周期交流电能转换为直流电能后对储能电容持续充电，存储的电能经稳压器模块输出稳定的直流电压。
37.相应的，壳体为防尘、防水的密闭结构，对摩擦电式振动能量收集装置和能量管理电路进行封装。外壳采用不透光材质，封装等级满足防尘、防水、防震、抗老化等工程技术要求。
38.至此，完成了振动能量自驱动系统的构建，使得该系统能够通过螺旋的摩擦电式振动能量收集装置高效收集架空输电线路振动能量并转化为电能，经能量管理电路输出用于微功耗传感单元，满足对架空输电线路分布式传感单元的供能需求。
39.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种摩擦电式架空输电线路风致振动能量收集装置，其特征在于：该装置包括螺旋结构teng、质量块和运动导轨；所述质量块与螺旋结构teng连接；在所述质量块中心处设有通孔，运动导轨从所述通孔插入并穿过螺旋结构teng的通孔，运动导轨用以辅助质量块做垂直方向的运动。2.根据权利要求1所述的收集装置，其特征在于：所述螺旋结构teng包括螺旋基体、第一电极、第二电极和薄膜；所述第一电极和第二电极分别贴附在所述螺旋基体的螺旋层的上表面和下表面；所述薄膜贴附在第一电极的表面，且与第二电极间存在间隙。3.根据权利要求2所述的收集装置，其特征在于：所述螺旋基体的制备方式为：首先将有机玻璃切割为多个圆环，且圆环具有开口；再依次连接圆环的开口端形成立体螺旋式结构，即得到螺旋基体；所述螺旋基体的螺旋层之间设置间隙以供电极和薄膜的贴附。4.一种架空输电线路风致振动能量自驱动系统，其特征在于：该系统包括能量管理电路、壳体以及权利要求1～3中任一项所述的收集装置；所述能量管理电路与所述收集装置中的螺旋结构teng连接，用于将螺旋结构teng产生的电能输送至电路微功耗负载；所述壳体用于收集装置和能量管理电路的整体封装。5.根据权利要求4所述的自驱动系统，其特征在于：所述能量管理电路包括整流桥、储能电容和稳压器；所述整流桥用于将螺旋结构teng产生的交流电能转化为直流电能；所述储能电容用于存储直流电能；所述稳压器用于将直流电能稳定的输出至微功耗负载。6.根据权利要求4所述的自驱动系统，其特征在于：所述壳体包括顶板、底板和空心圆柱体；所述顶板和底板分别在所述空心圆柱体两端；所述底板上设置螺旋结构teng。

技术总结
本发明涉及一种摩擦电式架空输电线路风致振动能量收集装置及其自驱动系统，属于微纳能源领域。振动能量收集装置包括螺旋结构TENG、质量块和运动导轨。其中质量块与螺旋结构TENG连接；在质量块中心处设有通孔，运动导轨从通孔插入并穿过螺旋结构TENG，运动导轨可辅助质量块做垂直方向的运动，在振动的激励下带动螺旋结构TENG发生接触分离以产生电能。其中自驱动系统包括能量管理电路、壳体以及收集装置；其中能量管理电路与螺旋结构TENG连接，用于将螺旋结构TENG产生的电能输送至电路微功耗负载；壳体用于收集装置和能量管理电路的整体封装。本发明可收集输电线路振动能量并转换为电能，维持分布式传感单元的工作。维持分布式传感单元的工作。维持分布式传感单元的工作。


技术研发人员：冯运 王季宇 吴寒 刘凡 张宗喜 刘睿 谢茜 廖文龙 骆欣瑜 龙震泽
受保护的技术使用者：国网四川省电力公司电力科学研究院
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/8