一种微功率风-光混合俘能发电装置及俘能方法与流程

1.本发明涉及环境能量收集技术领域，更具体的说是涉及一种微功率风-光混合俘能发电装置及俘能方法。


背景技术：

2.当今世界，5g、物联网、人工智能等一大批热点名词不断涌现，而这些技术的硬件基础是海量独立的智能电子设备。遗憾的是，虽然集成电路、无线通信等技术发展迅速，独立设备的供电技术仍相对发展缓慢，制约着各种新兴技术的快速部署。以电力设备状态感知检测网络为例，如何给野外复杂环境下架空线、杆塔等设备的状态监测节点提供稳定可靠的电源，仍是制约上述感知网络发展的关键因素之一。
3.发展环境能量收集技术，从感知节点周围环境中获取能源，并为其进行供电，是较为可行的一种技术方案。同样以野外布置的电力设备状态感知节点为例，环境中的风能和太阳能最为普遍，是首先被考虑的取能来源。尤其是太阳能收集，目前已在部分感知节点上进行了试点应用，但在连续阴雨天气时，自供电感知节点常常会因为储备电能耗尽而不工作。对于微型风力发电装置，若采用经典的旋转切割磁感应线的方式发电，因质量分布不均匀引入的不平衡转动，极易导致轴承、叶片等结构发生损伤，影响使用寿命。
4.基于上述原因，一种利用涡激振动的风能发电装置被提了出来，该结构避开旋转部件设计，在微型装置中具有极高的寿命和运行稳定性。同时为提高独立系统的发电功率，一些研究人员也提出了基于涡激振动和太阳能的风-光混合俘能发电装置。这些混合俘能装置只是简单的堆叠两种能量源，发电效果虽然高于单一能量源的俘能装置，但获得的总体收益一般不会超过两种能量源分别单独俘能后的叠加功率。这是因为在混合俘能装置中，风能发电装置“喜”动，而太阳能发电装置“爱”静，如何在同一装置中有效地协调这一对矛盾，目前的技术解决方案甚少。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种微功率风-光混合俘能发电装置及俘能方法，通过关键的机电耦合元件即压电元件和其接口控制电路，自适应地切换压电元件的工作角色——振动能量发电或振动抑制，进而有效地调节同一装置中，风力发电的“动”和太阳能发电的“静”这一对矛盾，最大限度地提高微功率发电装置的发电品质和效率。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种微功率风-光混合俘能发电装置，包括太阳能发电模块、风能发电模块、控制模块、储能模块及附件结构；
8.所述风能发电模块包括压电元件、中空钝体形式的风致振动结构以及风致振动结构接口控制电路；所述压电元件通过正负导线与风致振动结构接口控制电路相连；
9.所述太阳能发电模块包括太阳能电池和与之相连的太阳能电池接口控制电路；
10.所述风致振动结构接口控制电路和太阳能电池接口控制电路均与储能模块连接，
所述储能模块用于存储所述太阳能发电模块和风能发电模块产生的电能；
11.所述太阳能电池安装于所述风致振动结构表面，所述风致振动结构接口控制电路、太阳能电池接口控制电路、控制模块和储能模块均安装于所述风致振动结构内部；
12.所述附件结构用于将所述混合俘能发电装置固定安装于架空输电线杆塔上；
13.所述控制模块与所述储能模块和所述风致振动结构接口控制电路相连，所述控制模块用于控制所述压电元件的工作模式。
14.进一步的，所述太阳能电池为太阳能薄膜电池。
15.进一步的，所述风能发电模块还包含悬臂梁结构，
16.所述风致振动结构和所述悬臂梁结构的自由端连接固定，所述压电元件布置在所述悬臂梁结构的夹持端，并通过胶粘方式粘贴集成在悬臂梁结构表面上。
17.进一步的，所述附件结构包括风向标、转动机构和夹持固定机构，
18.所述风向标和转动机构用于使悬臂梁中性面始终平行于来流方向；
19.所述夹持固定机构与所述悬臂梁结构连接，所述夹持固定机构用于将所述悬臂梁结构固定安装于架空输电线杆塔上。
20.进一步的，所述中空钝体形式的风致振动结构的横截面采用以下任意一种形式：圆形、正方形、长方形、半圆形。
21.进一步的，所述太阳能薄膜电池安装在所述风致振动结构的顶部平面和/或侧部曲面。
22.进一步的，所述储能模块采用可充电电池。
23.进一步的，所述储能模块采用超级电容器；所述超级电容器通过dc/dc稳压器进行标准电压输出。
24.进一步的，所述风致振动结构接口控制电路包括相串联的能量操控开关一和变压器，所述压电元件通过正负导线与所述能量操控开关一和变压器构成串联回路；
25.所述变压器的副边接入所述储能模块，所述储能模块包括相串联的能量操控开关二和超级电容器。
26.进一步的，所述控制模块具体用于，
27.通过控制能量操控开关一和能量操控开关二，对压电元件的电压相位进行切换，使压电元件实现能量收集模式和抑制风致振动发电结构振动模式的切换。
28.微功率风-光混合俘能发电装置的混合俘能方法，包括：
29.控制能量操控开关一和能量操控开关二闭合，使压电元件切换为能量收集模式，通过压电元件的机电耦合效应提取风能发电模块的电能并存储；
30.控制能量操控开关一闭合，控制能量操控开关二断开，使压电元件的电压相位突变180
°
，使压电元件切换为抑制风致振动发电结构振动模式；通过太阳能电池接口控制电路提取太阳能发电模块的电能并存储。
31.进一步的，所述太阳能电池接口控制电路采用最大功率点跟踪算法提取电能并存储于所述储能模块。
32.进一步的，所述风致振动结构接口控制电路采用同步电荷提取算法提取电能并存储于所述储能模块。
33.本发明的有益效果为：
34.本发明提供的微功率风-光混合俘能发电装置及俘获算法有效考虑了同一装置中太阳能发电与风致振动发电的基本特征，巧妙利用了结构中的压电元件及对应的接口控制电路，有效解决了微功率太阳能发电装置在夜晚或连续阴雨天气里输出电功率为0的缺陷，确保俘能发电系统始终具备电功率输出的能力，大大降低了独立供电系统储能模块的设计难度，提高了装置的环境生存能力。另外，当太阳能发电装置占据主要地位开始工作时，压电元件的振动抑制功能有效提高了太阳能发电输出电功率的稳定性，降低了接口控制电路的设计难度，还进一步提高了发电效率。通过该方法，最大限度地提高了微功率风-光混合俘能发电装置的发电品质和效率。
附图说明
35.图1为本发明实施例提供的微功率风-光混合俘能发电装置应用场景示意图；
36.图2为本发明实施例提供的微功率风-光混合俘能发电装置的结构示意图；
37.图3为本发明实施例提供的风致振动结构横截面示意图；
38.图4为本发明实施例描述的风-光混合俘能发电装置中太阳能发电模块在压电元件抑制结构振动前、后最大输出功率示意图；
39.图5为本发明实施例提供的微功率风-光混合俘能算法原理图；
40.图6为本发明实施例提供的风致振动结构的压电元件和接口控制电路工作原理图；
41.图7为本发明实施例提供的不同品质因数的压电元件实现结构振动抑制的工作原理图。
具体实施方式
42.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
43.本发明实施例提供一种新型微功率风-光混合俘能发电装置，如图1和图2所示，包括微功率太阳能发电模块1、微功率风能发电模块、微功率风-光混合俘能控制模块、储能模块2及装置的附件结构4。
44.其中，微功率太阳能发电模块1主要由太阳能薄膜电池和对应的接口控制电路组
成；微功率风能发电模块包含风致振动结构5、悬臂梁结构、压电元件3及风致振动结构的接口控制电路；微功率风-光混合俘能控制模块主要用于处理独立风-光混合发电装置的俘能发电算法，最大限度地提高装置发电品质和发电效率，优化系统的供电缺失率；储能模块2由可充电电池或超级电容组成，用于存储适量的电能，确保被供电系统能够稳定、可靠地运行；装置的附件结构4主要包括风向标、转动机构、夹持固定机构等。
45.具体的，风致振动结构5和悬臂梁结构的自由端固定连接在一起，压电元件靠近布置在悬臂梁结构的夹持端，并通过胶粘等方式粘贴集成在悬臂梁表面上，悬臂梁夹持端依靠装置附件结构4中的夹持固定机构联接在附件结构4上，附件结构4通过角铁、螺栓等配件固定在架空输电线杆塔上。压电元件3通过正负两根导线连接到接口控制电路上，通过接口控制电路根据所需算法，实时地调节压电元件的输出电压和电流，实现压电元件功能的转换。
46.具体的，风致振动结构5是该微功率风-光混合俘能发电装置的核心部件，其设计成内部空心的钝体形式，如图2所示。当空气流场即风吹过该钝体时，钝体结构一般会产生涡激振动等现象，即钝体后方会产生周期性的交替脱落的尾涡，也称卡门涡街。研究表明，卡门涡街交替脱落会引发结构振动，若脱落频率与结构固有频率接近，还会出现共振现象，进而引发结构中的压电元件产生周期性变化的应变能，最终通过正压电效应产生电能。这里的风致振动发电就是基于上述原理实现的。
47.一般来说，对于该钝体的材质没有特殊要求，金属材料如不锈钢、铝合金；塑料，甚至碳纤维增强树脂基等有一定刚度，不容易变形，防老化的材料均可。
48.更进一步的，钝体的横截面形状除了是圆形，还可以是如图3所示的正方形、长方形、半圆形等形状，此类横截面加工而成的钝体均能够产生上述的涡激振动现象，因此风致振动结构5的形式并不唯一。需要说明的是，此类钝体结构内部均应采用中空或部分中空的形式设计，一来可以降低结构质量，满足结构固有频率的匹配设计，同时降低结构的等效质量；二来可以将储能模块、接口控制电路等模块布置进结构内部，极大地提高了装置结构的紧凑性、可靠性以及工作的稳定性。
49.为了进一步优化装置设计，基于光电效应发电的微功率太阳能发电模块选择尽可能薄且轻质的太阳能薄膜电池，太阳能薄膜电池可以安装在风致振动结构5的外部，包括顶部平面和侧部曲面，用于提取光伏效应产生的电能的接口控制电路同样布置在风致振动结构内部。上述设计也极大地简化了发电装置的安装难度，便于安装在典型的应用场景中，如应用在输电线杆塔相关的感知装置供电系统上。
50.风致振动结构的附件结构包括风向标、转动机构、夹持固定机构，风向标和转动机构的设计可以使得悬臂梁中性面始终平行于来流方向。当风致振动结构发生振动时，结构振动方向的自由度始终与涡脱落产生的压力变化方向平行，因此结构振动更容易发生，有利于利用环境中的风能进行发电。夹持固定机构一方面用于联接悬臂梁结构，另一方面用于将整个装置固定连接在架空输电线杆塔上。
51.本实施例中，该混合俘能发电装置最合适的安装位置是架空输电线的杆塔上，一般在杆塔的中上部分，利用角铁加螺栓的方式安装固定。
52.该微功率风-光混合俘能发电装置的工作原理为：处于光照时间段时太阳能发电占据主导作用，与风致振动结构固定连接的悬臂梁上用于机电能量转换的压电元件被设计
用于抑制结构振动，即通过接口控制电路实时改变压电元件电极两端的电压相位，使得压电元件不仅通过机电耦合转换将部分机械能转换成电能，还反馈至压电元件上产生抑制力来降低结构振幅，进而减小或消除太阳能发电输出功率的波动性，对混合俘能发电装置起“消抖”作用；处于光照条件不好或较弱的时间段，太阳能发电模块无法输出电功率，此时接口控制电路主要用于提取压电元件通过机电耦合转换出来的电能，不再额外产生结构振动抑制力，因此压电元件主要用于振动能到电能的转化，借助风致振动结构将环境中的风能转化成电能，确保风-光混合俘能发电装置仍有一定的电功率输出，对整个混合俘能发电装置起“填谷”作用。
53.具体来说，将风-光混合俘能发电装置布置在空旷的野外，如用于电网输电线杆塔周边的感知装置供电，则俘能发电装置大致可分为两个工作时段：有光照时段和光照条件不好或较弱时段。前者一般是光照条件较好的白昼，后者一般是夜晚或者阴雨天气。当白昼光照条件良好时，风-光混合俘能发电装置选择采用太阳能发电模块发电，集成在风致振动结构顶部的太阳能薄膜电池根据光生伏特效应的基本工作原理发电，配套的接口控制电路根据一定的电能提取算法，如最大功率点跟踪算法将其高效地提取并存储于储能模块中。储能模块有可充电电池或超级电容器。若选择可充电电池，则充电端电路较为复杂，需根据可充电电池的特性，选择合适的充电速率、充电电压等，将提取的电能高效地存储进来；若选择超级电容器，根据其充放电特性，充电端电路较为简单，但后续稳压输出端电路较为复杂，一般选用dc/dc稳压器实现标准电压输出。但对于自供电的无源感知系统，若环境能源俘获发电功率接近系统的消耗功率，且存储电压位于稳压器最小输入电压附近，电源管理模块极有可能出现不稳定输出的现象，严重的将会导致无源感知装置出现损坏。为此，dc/dc稳压器还应设计欠电压保护电路，确保系统一旦工作后，可以通过稳压器的持续稳定供电平稳运行一定的时间。
54.若处于光照条件不好或较弱的时间段，例如连续阴雨天气或夜晚，风-光混合俘能发电装置主要采用风能发电，即利用风吹过风致振动结构产生的周期性涡脱落现象，使结构产生大幅振动，最终通过压电元件的机电耦合效应(即正压电效应)发电，配套的接口控制电路同样根据一定的电能提取算法，如同步电荷提取算法，将其高效地存储于储能模块中。所述储能模块同样可选择可充电电池或超级电容器。若选择可充电电池，则充电端电路较为复杂，需根据可充电电池的特性，选择合适的充电速率，将提取的电能高效地存储进来；若选择超级电容器，根据其特性，充电端电路较为简单，但后续输出稳压端电路较为复杂，一般选用dc/dc稳压器实现标准电压输出。同样，dc/dc稳压器还应设计欠电压保护电路，确保系统一旦工作后，可以通过稳压器的持续稳定供电平稳运行一定的时间。
55.需要说明的是，由于太阳能发电和风能发电的基本原理不一样，所采用的电能提取接口控制电路的工作原理也不一样。微功率太阳能发电模块的接口控制电路一般采用简单的最大功率点跟踪算法如开路电压法或短路电流法大致地识别出太阳能薄膜电池所能输出的最大功率，再通过接口控制电路将电能存储下来。基于压电元件的微功率风能发电模块则选择同步电荷提取接口控制算法，当压电元件所存储的电荷能达到极大值时，一次性提取所有的电荷能，通过接口控制电路中的电感元件暂时存储下来，再注入后续的储能模块中。
56.相对于太阳能来说，环境中风能存在的时间段更广，因此俘获风能并发电可以有
效地补充太阳能发电模块不工作时发电功率为0的缺陷，相当于起到了“填谷”效果，最终提高了整个装置的发电功率，同时优化了供电缺失率，降低了储能模块的设计难度。
57.进一步的，在光照时间段，太阳能发电的输出功率极易受到光照强度和光照面积的影响，而在有风条件下风致振动结构又极易发生振动，进而使得太阳能薄膜电池也跟随所固定的结构发生振动，这会导致等效光照面积发生周期性振荡。更进一步的，由于是微功率太阳能发电，接口控制电路的最大功率点跟踪算法不可能设计得很复杂，一来无法有效实现，二来复杂的接口控制电路本身也会消耗较多的电能，不符合微功率风-光混合俘能发电装置的基本工作原则。基于上述思想，本发明从源头采取措施，消除或降低结构振荡，进而抑制太阳能发电输出功率的波动性。通过接口控制电路切换为结构振动抑制功能，大幅降低风致振动结构振幅，太阳能发电的最大功率点波动将不再明显，提高了微功率太阳能发电的品质，相当于起到了“削抖”效果，使得选择最大功率点跟踪控制的接口电路不容易产生振荡功率，提高了系统整体的输出电功率，如图4所示。
58.基于此，本发明设计了一种适用于上述微功率风-光混合俘能发电装置的核心混合俘能算法，如图5所示，通过及时切换结构中压电元件的工作角色，实现了发电装置输出电功率的“消抖填谷”，有效地协同调节了同一装置中，风力发电的“动”和太阳能发电的“静”这一对矛盾，最大限度地提高了微功率发电装置的发电效率。
59.具体来说，本算法的核心是及时切换风致振动结构中压电元件的工作角色——风致振动能量收集角色或结构振动抑制角色。这主要通过变压器及相应的能量操控开关一组成的接口控制电路实现，参见图6，压电元件通过正负两根导线连接到接口控制电路3上，储能模块由储能电容，能量操控开关二和变压器的副边组成。
60.压电元件可以把机械振动能转换为电能，对机械振动系统来说意味着能量损失，即压电元件起“电阻尼”的作用。当电阻尼不起明显作用时，可认为收集电能不影响结构振动；当电阻尼起明显作用时，收集电能反而降低了系统振幅，即起振动抑制作用。
61.当压电元件工作在结构振动控制和能量收集频段，其自身可以等效成一个电容，接口控制电路中的变压器原边绕组等效成一个电感，如图6所示，通过控制模块控制能量操控开关一和能量操控开关二，当能量操控开关一闭合时，压电元件和变压器原边绕组将组成经典的lc振荡电路，通过合理地控制能量操控开关一，压电元件上的电荷会被提取到变压器原边电感上，再通过能量操控开关二将电能转移至储能电容中。基于该方法所公开报道的典型技术是同步电荷提取技术。
62.如果能量操控开关控制得当，借助与变压器的原、副边双向能量转换功能，就可以实现压电元件机电转换能到储能模块电能之间的双向能量操控，最终适时地实现能量收集角色或振动抑制角色。以基于反激变压器实现的同步电荷或优化型同步电荷提取接口控制电路为例，在风致振动结构振动抑制操作中，主要通过控制接口控制电路中的能量操控开关对压电元件的电压相位进行切换实现振动抑制，无需输入过多的电能量。因此，通过风致振动结构振动控制所获得的发电功率增加的收益远大于接口控制电路所需的电能开销。
63.而且，对于含压电元件的机电耦合结构，若假设结构品质因数是结构机电耦合系数与结构机械品质因子的乘积，则品质因数越大，表明机电耦合系数较大。再假设压电元件仅向外输出电功率，当机电耦合系数较小时，压电元件通过机电耦合输出的电功率相当于振动系统引入了额外的电阻尼，但此时并不会明显降低结构的振动幅值，因此当负载阻抗
等于压电元件等效输出阻抗，即阻抗匹配时输出的电功率最大。该最大电功率随机电耦合系数的增大而增加，当输出电功率是结构俘获的机械能的一半时，输出电功率不再增加。此时若进一步提高机电耦合系数，机电转换引入的电阻尼效果将会明显抑制结构振幅，为最大化输出电功率，需要人为地调节负载阻抗，适当降低压电元件的机电能量转换，即降低电阻尼效果，来获得理论的最大输出功率。依据上述原理，此时仍然采用阻抗匹配策略使压电元件的机电能量转换处于最优状态，含压电元件的结构振动幅值必然降低。利用压电元件实现结构振动抑制的基本工作原理即由该现象推导获得，参见本发明实施例提供的图7，a、b、c三条曲线分别代表不同品质因数(小，适中，大)下的压电元件输出功率。可以看出，风致振动结构和压电元件集成后，若品质因数较大，必然可实现发电和抑振两种功能，且振动控制过程所需额外提供的电能量极小。
64.需要说明的是，上述工作原理是基于标准接口(被动整流桥)电路理论推导得到的，要实现两种功能的自动切换，结构的品质因数应大于π，这在实际的风致振动发电结构中较难加工获得。前文所述的同步电荷提取接口控制电路则可以极大地降低对品质因数的要求：理论计算结果表明在同步电荷提取接口控制电路作用下，结构品质因数大于π/4时，即可通过压电元件实现装置的发电或抑振两种功能。这是因为在同步电荷提取接口控制电路中，电路中存在一电感，其与压电元件等效而成的电容一起组成了lrc二阶谐振电路，假设谐振电路的品质因子足够大，则可认为二阶系统的超调量足够大，约是目标值的两倍。
65.需要说明的是，对于结构品质因数的设计，把风致振动结构和压电元件的体积看成一个整体，改变压电元件的体积分数即可改变品质因数。即压电元件体积分数大，品质因数也随之变大。振荡结构的品质因子变大(恒定阻尼比变小)，耦合的品质因数也随之变大。
66.同步电荷提取技术用于风致振动发电结构振动控制时，断开接口控制电路与储能模块，接口控制电路利用lrc谐振电路的二阶系统特性，通过接口控制电路中的能量操控开关让lrc谐振电路仅振荡半个周期，因此压电元件的电压不仅相位突变了180
°
，电压幅值还提高了2倍，这极大地增加了元件的机电转换能量，相比于被动式的标准接口电路，在相同的机电耦合系数下，单周期内机电转换能至少提升4倍以上，因此要实现振动抑制的效果，所需的结构品质因数值也可能降低4倍。若结构品质因数值不变，则采用同步电荷提取接口电路达到的结构振动控制效果更加明显。
67.采用上述算法，该混合发电装置的平均发电功率处于100到102毫瓦功率级，为周围低功耗无源感知设备提供方便、持续的供电电源。
68.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
69.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实
现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
70.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
71.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
72.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。