一种基于摩擦纳米发电机式四分裂间隔棒能量收集装置

本发明属于风能摩擦纳米发电机领域，具体地涉及一种基于摩擦纳米发电机四分裂间隔棒的风能收集装置。

背景技术：

1、架空输电线路舞动是一种空气动力不稳定现象，是不均匀覆冰导线在风力的作用下而引起的一种低频率（约为0.1～3hz）、大振幅（约为导线直径的20～300多倍）的自激振动现象。舞动产生的危害是多方面的，通常导致线路闪络、跳闸，甚至发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，杆塔螺栓松动、脱落、

2、摩擦纳米发电机（teng）是一种基于接触带电和静电感应耦合效应的能量采集装置，由于teng的成本低、重量轻和能量转换率高的特点，teng用于各种环境为低功耗传感器供电。由于teng在低频运动情况下发电性能好的特点，并且输电线路风致振动的情况下，其运动特点是低频率、大振幅，所以teng在这种环境可以达到最大发电效果。由于输电线路属于重要能源输送线路，以至于所设计teng不能为输电线运行带来负担。并且teng所发出的高电压对传感器寿命及运行有很大的影响，也需要一种电源管理电路，能够将teng输出的高电压转换为传感器可以使用的电能的电源管理电路。

技术实现思路

1、本发明为了解决输电线路在因风致振动，覆冰坠落而产生舞动能量无法收集以及teng所发出的高电压无法直接被商用传感器所直接利用的情况下，实施提供一种基于摩擦纳米发电机式四分裂间隔棒能量收集装置，该能量收集装置能够通过不同的配重、频率和振幅来收集输电线路舞动能量。并且降低摩擦纳米发电机的高噪声输出电压，设计了一款防自激震荡电源管理电路

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于摩擦纳米发电机式四分裂间隔棒能量收集装置（a0-teng）如图1所示。包括连接板1、四分裂间隔棒2、弹簧3、导轨4、滑块5、活动配重盒6、配重7以及独立层式摩擦纳米发电机8，如图2所示包括输电线路穿线孔9,由于a0-teng是由两个2组成，所以输电线路穿过9，a0-teng就会固定在输电线路上，由于输电线路舞动运动轨迹是类是椭圆形，垂直方向运动位移大，所以受垂直运动激励，3、4、5、6与7的共同作用上下运动，带动8进行发电。

4、进一步地，a0-teng的独立层式摩擦纳米发电机8组成如图3所示，包括铜电极10、二号铜电极11、聚全氟乙丙烯薄膜14以及聚酰亚胺15。10与11这此种排列方式构成了差值电极，每一对电极之间相互间隔1 mm。14与13相互粘黏在一起，由于13在材料中的特性偏向电正性，14在材料中的特性偏向电负性。所以13与14相互粘黏在一起与10、11就会产生更多的位移电流相对于14或者13自己本身与10、11相互摩擦。

5、进一步地，a0-teng的独立层式摩擦纳米发电机8被3、4、5、6与7的共同作用上下运动时电流时电流方向轨迹图，如图4所示包括状态ⅰ、ⅱ、ⅲ以及ⅳ，当外界没有激励的情况下状态为ⅰ，两个电极之间没有位移电流的产生，当外部激励产生，14与13的粘黏组合体向下运动，此时10感应出了电荷，由于运动的原因11的感应电荷数量减少，使状态ⅰ与ⅱ的10产生了电势差，同样状态ⅰ、ⅱ的11也产生了电势差，使导线之间产生了位移电流，电流表指针发生了变化。当位移到ⅲ、ⅳ状态时，同样的原理使电流表产生了指针移动，导线产生了位移电流。状态ⅰ、ⅱ、ⅲ以及ⅳ为一个运动周期，产生一个周期的正弦波的电压信号。

6、进一步地，由于teng这种能量收集方式所发出的电，是一种高电压、低电流以及大阻抗内阻的电能，并不能被为商用传感器直接使用，所以需要一种电源管理电路，为商用传感器供电，如图5所示，防自激震荡电源管理电路包括防自激震荡电路15、全桥整流电路16、阻抗匹配电路17以及接地装置18。15与16之间以串联的方式相互连接，16与17相互之间并联连接，18直接串联在16上。

7、进一步地，防自激震荡电源管理电路与teng中铜电极的连接方式如图6所示，将11与15相互之间串联，16与10之间相互串联，通过这种连接方式可以将teng产生的高电压、低电流以及大阻抗的正弦交流电转换成为商用传感器可以使用的直流稳定电能。

8、进一步地，摩擦纳米发电机式四分裂间隔棒能量收集装置（a0-teng）样机，的制备方法，如下：

9、步骤(1)，5 mm厚亚克力板、0.1mm厚铜箔、1 mm聚酰亚胺薄膜、0.1 mm带胶粘的聚全氟乙丙烯薄膜、拉伸弹簧、配重块、导轨、滑块、内六角螺杆以及螺母材料准备。

10、步骤(2)，使用autocad 2020软件绘制出1、2、6、9、10与11的形状。

11、步骤(3)，使用激光切割机用5 mm厚亚克力板切割出1、2、6、9、10与11的形状。

12、步骤(4)，将0.1mm厚铜箔贴在10与11上，用美工刀将多余部分切割出来。

13、步骤(5)，使用亚克力胶将切割出来的1、2、6、9、10与11粘黏在一起。

14、步骤(6)，将14与13粘黏在一起固定在6上。

15、步骤(7)，将3一段固定在1上另一端固定在6上。

16、步骤(8)，将7放入6中。

17、综上所述，本文介绍了一种基于摩擦纳米发电机式四分裂间隔棒能量收集装置（ao-teng）和电源管理电路。该摩擦纳米发电机能够在输电线路低频大振幅的振动情况下成功发电。同时，本文还介绍了电源管理电路，以实现teng输出电压的降低，避免对商用传感器的损坏。ao-teng的整体使用弹簧配重块，带动发电单元在差值电极上进行上下运动以发电。在理论和实验上，我们研究了teng发电量与所施加的加速度和振幅之间的关系，并建立了直线电机模拟平台。经验证，在300克配重、2.0赫兹振动频率和80毫米振幅的运动情况下，ao-teng表现最佳。通过电源管理电路对teng输出电能的调节，我们成功地将输出的电能转换为可以为商用传感器使用的电能，并成功点亮温度计、湿度计、小型计算器和小型风速传感器。本文的研究不仅为teng在智慧电网上的使用提供了可行性的解决方案，还为智慧电网的推进提供了技术支持。

技术特征：

1.一种基于摩擦纳米发电机式四分裂间隔棒能量收集装置（ao-teng）和电源管理电路。该摩擦纳米发电机能够在输电线路低频大振幅的振动情况下成功发电。同时，本文还介绍了电源管理电路，以实现teng输出电压的降低，避免对商用传感器的损坏。ao-teng的整体使用弹簧配重块，带动发电单元在差值电极上进行上下运动以发电。在理论和实验上，我们研究了teng发电量与所施加的加速度和振幅之间的关系，并建立了直线电机模拟平台。经验证，在300克配重、2.0赫兹振动频率和80毫米振幅的运动情况下，ao-teng表现最佳。通过电源管理电路对teng输出电能的调节，我们成功地将输出的电能转换为可以为商用传感器使用的电能，并成功点亮温度计、湿度计、小型计算器和小型风速传感器。本文的研究不仅为teng在智慧电网上的使用提供了可行性的解决方案，还为智慧电网的推进提供了技术支持。

2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的输电线舞动能量收集装置，其特征是，输电线舞动能的摩擦纳米发电机(ao-teng)，为一种独立层工作模式的摩擦纳米发电机。

3.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机的输电线舞动能量收集装置，其特征是，输电线舞动能的摩擦纳米发电机(ao-teng)，其结构为四分裂间隔棒结构粘贴铜箔，发电结构另一侧由1 mm聚酰亚胺薄膜、0.1 mm带胶粘的聚全氟乙丙烯薄膜相互粘黏形成的组合体，放置在铜箔的上，受外部激励，在上表面上上下运动发电。

4.根据权利要求3所述的基于摩擦纳米发电机的输电线舞动能量收集装置，其特征是，输电线舞动能的摩擦纳米发电机(ao-teng)的制备方法，包含以下步骤，步骤(1)，5 mm厚亚克力板、0.1mm厚铜箔、1 mm聚酰亚胺薄膜、0.1 mm带胶粘的聚全氟乙丙烯薄膜、拉伸弹簧、配重块、导轨、滑块、内六角螺杆以及螺母材料准备，

5.根据权利要求4所述的基于摩擦纳米发电机的输电线舞动能量收集装置，其特征是，输电线舞动能的摩擦纳米发电机(ao-teng)，为一种独立层工作模式的摩擦纳米发电机。

6.根据权利要求5所述的基于摩擦纳米发电机的输电线舞动能量收集装置，其特征是，输电线舞动能的摩擦纳米发电机(ao-teng)，输电线路穿过2中9固定在线路上，受到风致振动与覆冰坠落可将外部激励传到摩擦纳米发电机进行发电。

技术总结
本发明公开了一种基于摩擦纳米发电机式四分裂间隔棒能量收集装置。该能量收集装置能够将输电线路因风致振动，覆冰坠落而产生舞动能量收集功能。并且设计了一款防自激震荡电源管理电路，可将能量收集装置产生的电能处理，转换成商用传感器适用的电能质量。摩擦纳米发电机式四分裂间隔棒能量收集装置本体包括：四分裂间隔棒、独立层式摩擦纳米发电机、弹簧、配重块、连接板以及配重盒。防自激震荡电源管理电路包括：防自激震荡电路、全桥整流电路以及阻抗匹配电路。二者结合可以将输电线路舞动能量转换为电能，并且为商用传感器供电。

技术研发人员：赵靖,张毅,郑瑞防,卢晓晖,于鑫,姜长泓
受保护的技术使用者：长春工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16