一种双转子耦合式高速铁路风能俘获系统及方法

本发明涉及高速铁路风能利用，具体涉及一种双转子耦合式高速铁路风能俘获系统及方法。

背景技术：

1、铁路沿线存在有大量的风能，例如自然风和列车风，其因无处不在的分布特征引起诸多的学术关注。当高速列车高速运行时，车体周围的空气因粘度而被拖曳并形成滑流，从而形成列车风。铁路环境风能可以一直存在，意味着铁路环境的风能俘获可以成为现实。目前基于高速铁路混合式风能俘获系统关键技术研究，尚存在以下几个关键问题：(1)为保障高速列车的安全运行，风能俘获装置的安装位置有着严格的国家安全标准；(2)传统单转子风能俘获系统不能有效的将风能进行转化及利用；(3)在低风速条件下，单一发电形式能量密度较低，能量输出效率也较低。

2、现有技术中，常用的风能俘获装置包括电磁风能俘获装置、压电式风能俘获装置，其中，电磁风能俘获装置利用电磁感应原理将在风能驱动作用下产生的机械运动通过磁铁和线圈相对位置的变化转换为电能。

3、在电磁式风能俘获装置中，线圈在由磁铁产生的磁场中的振荡或旋转运动产生电能。然而产生的电压较低且不稳定，需要设计能量管理电路。为了收集更多的能量，可以通过改变磁铁强度、线圈匝数、改变质量或者改变线圈直径来实现更高的电能输出。因此，电磁式风能俘获装置受装置大小限制。

4、压电式风能俘获技术将来自环境中的风能通过一定的机械结构转化为机械振动能，然后通过压电材料的正压电效应将机械振动能转化为电能。压电发电装置结构简单、加工容易，比较适合小功率电器设备供电。根据结构形式分类，压电式风能俘获装置可以分为涡激、驰振、扑动、尾流振荡和共振五类。压电式风能俘获装置只有当风速超过临界风速时，才能产生更高的电能输出。

5、除了单一的压电式风能俘获技术和电磁式风能俘获技术外，将压电效应、电磁感应效应、摩擦纳米发电效应等结合起来，通过设计复合式风能俘获机构，以克服单一原理发电装置输出功率和能量密度低的缺点。但现有的混合式风能俘获装置仅实现了在单个装置上实现多发电原理的形式，未考虑通过特殊的机械结构实现多发电形式的最佳电能产出。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种双转子耦合式高速铁路风能俘获系统及方法，改变了传统单转子发电形式，采用双转子耦合式的发电方式，通过设置的导电滑环实现双转子的电磁发电增效功能，并结合压电发电，能够对高速铁路风场的有效风能俘获，实现最佳电能输出。

2、本发明的技术方案如下：

3、在本发明的第一方面，提供了一种双转子耦合式高速铁路风能俘获系统，其特征在于，包括风力驱动机构、锥齿轮换向机构、压电发电机构、电磁发电增效机构和能量管理电路；所述风力驱动机构通过锥齿轮换向机构与压电发电机构相连，所述压电发电机构的压电拍打装置作用于压电片进行发电；所述电磁发电增效机构和压电发电机构均与能量管理电路进行电连接，以输出稳定的电能。

4、在本发明的一些实施方式中，所述风力驱动机构包括上转子和下转子，所述上转子和下转子同轴反向设置，且分别通过轴承安装在杆件上。

5、在本发明的一些实施方式中，所述锥齿轮换向机构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮，所述第一锥齿轮设置在上转子所在的杆件上，所述第二锥齿轮和第三锥齿轮均与第一锥齿轮相啮合。

6、在本发明的一些实施方式中，所述第二锥齿轮和第三锥齿轮均通过杆件与压电拍打装置相连。

7、在本发明的一些实施方式中，所述电磁发电增效机构包括线圈和磁铁，所述线圈安装在线圈圆盘上，所述线圈圆盘通过导电滑环安装在上转子所在的杆件上，所述磁铁安装在磁铁圆盘上，所述磁铁圆盘通过止推轴承安装在下转子所在的杆件上。

8、在本发明的一些实施方式中，所述上转子和下转子之间设置壳体，所述锥齿轮换向机构、压电发电机构和电磁发电增效机构均设置在壳体内。

9、在本发明的一些实施方式中，所述能量管理电路包括并联设置的超极电容和电压控制电路，所述电压控制电路包括并联设置的升压模块、降压模块和电压处理器，所述升压模块与电磁发电增效机构进行电连接，所述降压模块与压电发电机构进行电连接。

10、在本发明的一些实施方式中，所述电磁发电增效机构和压电发电机构分别与整流桥相连，通过整流桥整流后分别经过升压模块和降压模块处理与稳压模块相连。

11、在本发明的一些实施方式中，风力驱动机构采用双转子结构，转子叶片为s型。

12、在本发明的第二方面，提供了一种双转子耦合式高速铁路风能俘获方法，包括：

13、高速铁路风能驱动风力驱动机构旋转，通过锥齿轮转换机构将动力传送给压电发电机构的压电拍打装置并作用于压电片进行发电；

14、同时，风力驱动机构驱动电磁发电增效机构的铁磁圆盘和线圈圆盘反向旋转进行发电；

15、压电发电机构和电磁发电增效机构产生的电能通过能量管理电路进行电压控制，实现电能稳定输出。

16、本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

17、(1)本发明提供的双转子耦合式风能俘获系统，将压电发电模块和电磁发电模块进行耦合，并配合压电发电模块高电压的特点，通过双转子在风力驱动下旋转轴的反向旋转配合导电滑环完成电磁发电模块的旋转增效功能，结合锥齿轮换向机构，完成压电片的拍打，实现高速铁路风场的有效风能俘获。

18、(2)本发明提供的双转子耦合式风能俘获系统，风力驱动机构采用双转子结构，且转子叶片设置成s型，转子通过单向轴承带动杆件旋转，能够适应任意方向来风，从而实现风能到机械能的高效转化。

19、(3)本发明提供的双转子耦合式风能俘获系统，设置有压电发电机构，通过压电片的形变，完成风能俘获系统的高压输出，并配合降压模块实现稳定的电能输出；并且，电磁发电增效机构采用导电滑环，完成线圈圆盘和磁铁圆盘的双转子反向旋转，与传统单转子电磁发电形式相比，极大提高了磁感线切割效率，实现更高电能的输出；压电发电机构和电磁发电增效机构通过设置的能量管理电路，使压电发电机构和电磁发电增效机构产生得电能稳定输出。

20、(4)本发明提供的双转子耦合式风能俘获系统，具有很好的通用性，不仅可以安装于高速铁路沿线接触网支撑柱，满足高速铁路沿线传感器及小型用电设备功能需求，还可以布置于其他风场环境，为其他自供电应用实现供能需求。

技术特征：

1.一种双转子耦合式高速铁路风能俘获系统，其特征在于，包括风力驱动机构、锥齿轮换向机构、压电发电机构、电磁发电增效机构和能量管理电路；所述风力驱动机构通过锥齿轮换向机构与压电发电机构相连，所述压电发电机构的压电拍打装置作用于压电片进行发电；所述电磁发电增效机构和压电发电机构均与能量管理电路进行电连接，以输出稳定的电能。

2.如权利要求1所述的双转子耦合式高速铁路风能俘获系统，其特征在于，所述风力驱动机构包括上转子和下转子，所述上转子和下转子同轴反向设置，且分别通过轴承安装在杆件上。

3.如权利要求2所述的双转子耦合式高速铁路风能俘获系统，其特征在于，所述锥齿轮换向机构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮，所述第一锥齿轮设置在上转子所在的杆件上，所述第二锥齿轮和第三锥齿轮均与第一锥齿轮相啮合。

4.如权利要求3所述的双转子耦合式高速铁路风能俘获系统，其特征在于，所述第二锥齿轮和第三锥齿轮均通过杆件与压电拍打装置相连。

5.如权利要求2所述的双转子耦合式高速铁路风能俘获系统，其特征在于，所述电磁发电增效机构包括线圈和磁铁，所述线圈安装在线圈圆盘上，所述线圈圆盘通过导电滑环安装在上转子所在的杆件上，所述磁铁安装在磁铁圆盘上，所述磁铁圆盘通过止推轴承安装在下转子所在的杆件上。

6.如权利要求2所述的双转子耦合式高速铁路风能俘获系统，其特征在于，所述上转子和下转子之间设置壳体，所述锥齿轮换向机构、压电发电机构和电磁发电增效机构均设置在壳体内。

7.如权利要求1所述的双转子耦合式高速铁路风能俘获系统，其特征在于，所述能量管理电路包括并联设置的超极电容和电压控制电路，所述电压控制电路包括并联设置的升压模块、降压模块和电压处理器，所述升压模块与电磁发电增效机构进行电连接，所述降压模块与压电发电机构进行电连接。

8.如权利要求7所述的双转子耦合式高速铁路风能俘获系统，其特征在于，所述电磁发电增效机构和压电发电机构分别与整流桥相连，通过整流桥整流后分别经过升压模块和降压模块处理与稳压模块相连。

9.如权利要求1所述的双转子耦合式高速铁路风能俘获系统，其特征在于，风力驱动机构采用双转子结构，转子叶片为s型转子。

10.一种双转子耦合式高速铁路风能俘获方法，采用如权利要求1-9任一项所述的俘获系统来实现，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种双转子耦合式高速铁路风能俘获系统及方法，所述系统包括风力驱动机构、锥齿轮换向机构、压电发电机构、电磁发电增效机构和能量管理电路；所述风力驱动机构通过锥齿轮换向机构与压电发电机构相连，所述压电发电机构的压电拍打装置作用于压电片进行发电；所述电磁发电增效机构和压电发电机构均与能量管理电路进行电连接，以输出稳定的电能；将压电发电模块和电磁发电模块进行耦合，并配合压电发电模块高电压的特点，通过双转子在风力驱动下旋转轴的反向旋转配合导电滑环完成电磁发电模块的旋转增效功能，结合锥齿轮换向机构，完成压电片的拍打，实现高速铁路风场的有效风能俘获。

技术研发人员：周宪政,张勤河,郭延超,苗根远,韩建庆,潘亚嘉,张祖涛
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1