一种基于压电－电磁效应的发电系统

本发明涉及发电装置技术领域，尤其涉及一种基于压电－电磁效应的发电系统。

背景技术：

随着人类社会对能源的需求不断提高，能源短缺已经成为世界各国共同面临的难题。目前，世界各国学者在环境能量捕获领域做了大量的研究，并且取得了可喜的成果，在雨量充沛地区，降雨所蕴含的巨大的动能，如果可以被有效利用，将成为一种新型绿色能源。从我国的降水量空间分布来看，东南沿海地区的降雨量大，利用降雨发电潜力巨大。此外，利用降雨发电还能弥补目前主流的光伏发电设施在阴雨天发电量不足的缺陷。

如申请号为cn201210249090.9的中国发明专利，名称为双稳态双悬臂梁压电发电装置，利用压电材料的正压电效应将周围环境中的振动动能转化成可利用的电能，同理也可以将雨滴下落的动能进行俘获并利用其发电。

因此，亟需一种能量转换系统，可能对降雨量充沛地区的雨水进行充分利用并将其转化为电能。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种基于压电－电磁效应的发电系统，解决现有技术中可能缺乏将雨水中的能量转化为电能以实现能源高效利用的装置的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种基于压电－电磁效应的发电系统，包括：

至少一个第一发电组件，用于利用雨滴下落时产生的动能进行发电；

集水组件，包括至少一个集水管和第一管道，所述集水管用于收集雨水，所述第一管道的进液端与所述集水管的出液端相连通；

第二发电组件，所述第二发电组件的进液端与所述第一管道的出液端相连通，用于利用流经所述第二发电组件的雨水进行发电。

进一步的，所述基于压电－电磁效应的发电系统还包括箱体，所述箱体的内部空心且顶部开口，所述第一发电组件内置于所述箱体，所述第一发电组件包括第一支撑板、悬臂梁及至少一个压电片，所述第一支撑板连接于所述箱体的内壁，所述悬臂梁水平设置且其一端连接于所述第一支撑板，所述悬臂梁与所述箱体的底部内壁间隔设置，所述压电片连接于所述悬臂梁并沿所述悬臂梁的长度方向设置。

进一步的，所述第一发电组件还包括第二支撑板、第一磁体及第二磁体，所述第二支撑板连接于所述箱体的内壁并与所述悬臂梁的另一端间隔设置，所述第一磁体连接于所述悬臂梁的另一端，所述第二磁体相对所述第一磁体设置并连接于所述第二支撑板，所述第二磁体与所述第一磁体的相对侧的磁极反向设置，用于驱动所述第一磁体和所述悬臂梁的另一端沿垂直所述悬臂梁的方向运动。

进一步的，所述箱体的底部开设有至少一个集水孔，所述集水管与所述集水孔一一对应设置，所述集水管的一端插设于所述集水孔，所述集水组件还包括至少一个过滤件，所述过滤件与所述集水管一一对应设置并内置于所述集水管的一端。

进一步的，所述集水管的一端的内壁沿所述集水管的轴线开设有环形凹槽，所述集水管的一端的外壁还开设有外螺纹，所述过滤件还包括滤袋、支撑架及环形端盖，所述滤袋内置于所述环形凹槽且其开口端可拆卸连接于所述集水管的另一端，所述支撑架可拆卸内置于所述滤袋的开口端并抵接于所述环形凹槽的底部，所述环形端盖开设有内螺纹，所述环形端盖螺纹连接于所述集水管的一端的外螺纹并将所述滤袋和所述支撑架限位于所述环形凹槽。

进一步的，所述集水组件还包括至少一个第二管道，所述第二管道与所述集水管一一对应设置，所述第二管道的进液端与所述集水管相连通，所述第二管道的出液端与下水道相连通。

进一步的，所述第二发电组件包括至少一个水轮机，所述水轮机与所述第一管道的出液端相连通。

进一步的，所述第二发电组件还包括水箱，所述水箱与所述水轮机的出液端相连通。

进一步的，所述基于压电－电磁效应的发电系统还包括控制组件，所述控制组件与所述第一发电组件和所述第二发电组件均电连接，用于实现所述第一发电组件和所述第二发电组件的智能控制。

进一步的，所述基于压电－电磁效应的发电系统还包括蓄电池。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：在雨量充沛的地区铺设至少一个第一发电组件，用于俘获雨水下落的动能并利用其发电，集水组件的集水管对下落后的雨水进行收集，用于形成一股稳定的水流，汇集后的雨水沿第一管道流入第二发电组件，用于将收集后雨水形成二次动能，且第二发电组件将再次利用其发电，这样的设置将从自然降雨中俘获能量，以雨滴压电发电为核心，并对雨水进行收集并二次利用并将其转化为电能，可能解决现有技术中缺乏将雨水中的能量转化为电能以实现能源高效利用的装置的技术问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于压电－电磁效应的发电系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的第一发电组件的布置示意图；

图3是本发明实施例提供的第一发电组件的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的集水管、第一管道及第二管道的布置示意图；

图5是本发明实施例提供的过滤件的结构示意图；

图6是图5中a处的局部放大示意图；

图7是本发明实施例提供的第一管道、水轮机及水箱的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参阅图1、图2，本发明提供了一种基于压电－电磁效应的发电系统，其用于将雨量充沛的地区的雨水进行收集并将雨水产生的动能转换为电能以用于民生的能源利用，具体的，所述发电系统包括：至少一个第一发电组件1、集水组件2及第二发电组件3，第一发电组件1用于利用雨滴下落时产生的动能进行发电，集水组件2包括至少一个集水管21和第一管道22，集水管21用于收集雨水，第一管道22的进液端与集水管21的出液端相连通，第二发电组件3的进液端与第一管道22的出液端相连通，用于利用流经第二发电组件3的雨水进行发电。

进一步地，为了便于雨水的收集和利用，本实施例提供的发电系统优选设置在较高处，如高楼的顶部、山顶、各类建筑物4的顶部等，为了进一步说明方便，以下的使用场景均以将发电系统设置在建筑物4顶部为例进行说明。

进一步地，可以理解为，第一发电组件1铺设与建筑物4的顶部，用于捕捉和收集雨滴下落时产生的动能，并用于利用流经第二发电组件3的雨水进行发电，集水组件2用于将流经第一发电组件1的雨水进行收集并形成稳定的水流沿第一管道22排出，第一管道22沿建筑物4的高度方向设置，用于形成高度差并形成动能和势能，具有动能的雨水流经第二发电组件3，用于将雨水流经第一管道22产生二次动能，并利用下落时产生的二次动能进行发电。

进一步地，本发明第一发电组件1的数量可以为一个、两个、三个、四个或者多个，如图2所示，多个第一发电组件1均匀的排列，且集水管21铺设于第一发电组件1的下方，对雨水进行收集和汇流，流经第一管道22用于形成相对稳定的水流，并沿第一管道22的出水端排出。

如图2、图3所示，基于压电－电磁效应的发电系统还包括箱体5，箱体5的内部空心且顶部开口，第一发电组件1内置于箱体5，第一发电组件1包括第一支撑板11、悬臂梁12及至少一个压电片13，第一支撑板11连接于箱体5的内壁，悬臂梁12水平设置且其一端连接于第一支撑板11，悬臂梁12与箱体5的底部内壁间隔设置，压电片13连接于悬臂梁12并沿悬臂梁12的长度方向设置。

进一步地，可以理解为，如图3所示，第一支撑板11、悬臂梁12及至少一个压电片13组成一个最小的第一发电组件1单元，多个第一发电组件1按如图2所示的布局方式设置，均匀地内置于箱体5并连接于箱体5的内壁。

进一步地，本发明中一个第一发电组件1包括两个压电片13，两个压电片13分别连接于悬臂梁12的上下侧面并沿悬臂梁12的长度方向设置，雨水下落滴在悬臂梁12上，引起悬臂梁12的另一端振动，并带动压电片13共振，由于压电片13的正压电效应，可以将周围环境中的振动动能转化成可利用的电能，从而实现对雨水的动能的利用并将其转化为电能。

进一步地，为了达到更好的效果，悬臂梁12的材料应该选用具有强度和韧性的材料，如铝、铜和单晶硅等材料，压电材料为现有技术，结构简单、绿色环保、能量密度大、无电磁干扰且易于加工和实现微型化、集成化，具有明显优势，可以选用pzt和pvdf，此处不作过多阐述。

进一步地，悬臂梁12上设有电机和导线，用于对转化后的电能进行收集，并传递至电能存储设备，用于下一步的处理。

如图2、图3所示，第一发电组件1还包括第二支撑板14、第一磁体15及第二磁体16，第二支撑板14连接于箱体5的内壁并与悬臂梁12的另一端间隔设置，第一磁体15连接于悬臂梁12的另一端，第二磁体16相对第一磁体15设置并连接于第二支撑板14，第二磁体16与第一磁体15的相对侧的磁极反向设置，用于驱动第一磁体15和悬臂梁12的另一端沿垂直悬臂梁12的方向运动。

进一步地，第一磁体15与第二磁体16分别固定连接于悬臂梁12的自由端和第二支撑板14，第一磁体15和第二磁体16之间始终具有相互排斥的排斥力，使得第一磁体15始终具有沿垂直悬臂梁12的方向运动的趋势。

进一步地，可以理解为，当悬臂梁12发生振动后，第一磁体15和第二磁体16的排斥力可以对悬臂梁12的振幅、时间等进行扩大，从而持续带动悬臂梁12表面的压电材料产生形变，进而产生电能。

如图4所示，箱体5的底部开设有至少一个集水孔，集水管21与集水孔一一对应设置，集水管21的一端插设于集水孔，集水组件2还包括至少一个过滤件23，过滤件23与集水管21一一对应设置并内置于集水管21的一端。

进一步地，本发明中集水孔的数量可以为一个、两个、三个、四个或者多个，具体的，此处的数量为八个集水孔，集水管21和过滤件23的数量分别与集水孔对应设置，八个集水孔均匀地沿箱体5的底部的周向设置并与箱体5的内部相连通。

进一步地，可以理解为，集水管21相对箱体5的底部的平面倾斜设置，多个集水管21均与第一水管相连通，用于将箱体5内部的水进行收集和汇集，并形成一股稳定的水流，过滤件23设置于箱体5与集水管21之间，用于对杂质和树叶等进行过滤，避免堵塞。

如图5、图6所示，集水管21的一端的内壁沿集水管21的轴线开设有环形凹槽211，集水管21的一端的外壁还开设有外螺纹，过滤件23还包括滤袋231、支撑架232及环形端盖233，滤袋231内置于环形凹槽211且其开口端可拆卸连接于集水管21的另一端，支撑架232可拆卸内置于滤袋231的开口端并抵接于环形凹槽211的底部，环形端盖233开设有内螺纹，环形端盖233螺纹连接于集水管21的一端的外螺纹并将滤袋231和支撑架232限位于环形凹槽211。

进一步地，滤袋231和支撑架232可拆卸内置于集水管21的环形凹槽211，环形端盖233螺纹连接于集水管21，支撑架232的作用是将滤袋231进行撑开并配合环形凹槽211将滤袋231限位于环形凹槽211内，对杂质和树叶等进行过滤，此处还可以用其他可拆卸的结构进行代替，此处不作过多阐述。

如图4所示，集水组件2还包括至少一个第二管道24，第二管道24与集水管21一一对应设置，第二管道24的进液端与集水管21相连通，第二管道24的出液端与建筑物4的下水道相连通。

进一步地，可以理解为，第二管道24与集水管21一一对应设置并与集水管21相连通，第二管道24设有阀门，用于在雨季高峰期对流经集水管21的雨水进行分流起到疏水的作用，防止因第一管道22的流量有限导致雨水在箱体5内堵塞，影响第一发电组件1的正常运行。

如图7所示，第二发电组件3包括至少一个水轮机31，水轮机31与第一管道22的出液端相连通。

进一步地，此处水轮机31为现有技术，具体的，本发明采用贯流式水轮发电机，四个贯流式水轮发电机串联并组成发电机组，雨水沿第一管道22流动并依次流经四个贯流式水轮发电机。

进一步地，水流经引导后进入水轮机31蜗壳，初步形成环流，再经座环固定导叶分流后均匀地进入活动导叶，活动导叶开度的大小调节转轮的水流量，转轮在水的压力和速度作用下旋转，把水能(动能、势能)转换成机械能，转轮出口水流通过尾水管排出，水轮机31大轴把转轮的转动力矩传给与水轮机31大轴连接的发电机转子，并带动发电机转子转动，当发电机转子绕组中通以直流电，形成磁场同时由转子旋转而产生旋转磁场。

进一步地，发电机定子绕组因切割转子的旋转磁场，而在发电机三相定子绕组中产生交变感应电势。当发电机三相定子绕组输出回路接负载时就产生交变三相电流，此交变电流产生的磁场在发电机定子、转子形成旋转磁场，并且定子绕组产生的旋转磁场与发电机转子的旋转磁场同向、同速，当发电机转子磁极对数p一定时，发电机的转速n与电势的频率f有严格不变的关系，即同步关系，f＝p*n/60；其中f为同步发电机电势的频率(hz)；p为同步发电机的磁极对数；n为同步发电机转子的转速(r/min)。

如图7所示，第二发电组件3还包括水箱32，水箱32与水轮机31的出液端相连通。

进一步地，水箱32的作用是对发电后的雨水进行收集并进行储存，方便后续得使用。

如图1所示，基于压电－电磁效应的发电系统还包括控制组件6，控制组件6连接于建筑物4并均与第一发电组件1和第二发电组件3电连接，用于控制和存储第一发电组件1和第二发电组件3的电能。

进一步地，系统的控制组件采用lt4320理想整流桥，减少过程损耗，提高能量利用效率。升压充电电路为了保证充电效率，采用到达电压阈值后升压的思路进行充电，在降雨量不大的情况下也可以保证较高的充电效率。电量分配智能控制在单片机的程序设计中采用对应hal库对电池电量进行测量，达到采集实时电量的目的。同时通过无线wifi模块和无线通信模块等搭配手机app实现对楼层监测设备的控制，从而起到分配和调整楼层中电量的作用。

进一步地，控制组件6的模块的程序设计采用stm32f103c8t6作为中心控制器，模块会根据来自控制器给出的信息命令进行导通和断开操作。

如图1所示，本发明还包括蓄电池7，蓄电池7采用浮充电法，即间歇使用的蓄电池7充电方式，这种充电方式可以减少蓄电池7的析气率，防止过度充电。同时由于蓄电池7在对设备放电瞬间会有较大电流，这种方式则有助于镇静电源系统的电压，使得用电设备正常工作。定期的均衡充电用以解决充电时充不足的现象，延长电池使用寿命。设计了一种基于动力ups的过充方案，这种方案可以有效保证每只电池都能充满电，并且会对整组的额定电压进行判定。

本发明的具体工作流程，建筑物4的顶部均匀地铺设有第一发电组件1，第一发电组件1包括悬梁臂和压电材料套，用于吸收和俘获雨滴下落的动能，并将动能转化为电能和电磁能，第一发电组件1的下方设有有集水组件2，雨滴流经第一发电组件1后，经集水管21进行汇流并沿第一管道22的设置方向流动，水轮机31设置于建筑物4的底部并与第一管道22相连通，用于形成高度差使得雨水产生动能，用于驱动水轮机31发电，并最终对雨水进行收集。

使用人员在使用时，只需将本系统的第一发电组件1铺设于建筑物4的顶部，且将集水组件2设置于第一发电组件1的下方，将第二发电组件3设置于建筑物4的底部，并将第一管道22与水轮机31相连通即可。

这样以雨滴压电发电为核心，结合雨水收集和汇流发电，利用建筑物4的顶部和底部的高度差，对雨水的能量进行二次利用，可能解决现有技术中亟需一种能量转换系统，可能对降雨量充沛地区的雨水进行充分利用并将其转化为电能的技术问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。