一种高海拔无人区光-风-雨能互补微电能捕获系统及设备

1.本发明属于绿色新能源发电技术领域，特别涉及一种高海拔无人区光-风-雨能互补微电能捕获系统及设备。


背景技术：

2.在青藏高原地处我国西部地区，资源丰富、能源多样、人口稀少和环境状况复杂等特点。其中，拥有得天独厚的风能、雨能、太阳能等资源；同时，气候条件等较为恶劣，如大片区域属于无人区且主要铁路交通必须穿插而过。但是，在无人区道路特殊检测设备，如信号传感器、道路信号设备或路面检测设备等，因电能捕获方式的单一性或局限性在全天候设备正常运行面临巨大挑战，特别是极端天气环境下突发断电环境，如地震等地质灾害等。鉴于此，申请人结合专业有关技术及工况特征，设计一种高海拔无人区铁路检测或信号设备电能捕获设备，旨在解决有关设备的长期、稳定供电，确保设备全天候供电稳定。同时，在有关区域电能捕获装置的设计和研究方面，范高林等进行了有关设计和研究，另外，张洳雅等在高海拔或高寒地区多能互补利用方面，进行了相关研究或系统的设计。但是，有关本技术人所提出的电能捕获设备的设计方面的思路及技术，从已有文献中暂未发现有关设计和研究。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于弥补上述背景技术部分提出的现有技术所存在的不足，提供一种高海拔无人区光-风-雨能互补微电能捕获系统及设备，打破常规单一能源发电设备，运用光能、风能、雨能多能互补技术，确保不同天气工况环境下，为青藏高原无人区道路信号处理和检测设备全天候供电；充分利用了自然资源，无污染且功能丰富。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种高海拔无人区光-风-雨能互补微电能捕获系统，包括：风力发电单元，用于将接收的风能转化为电能；第一风光雨组合发电单元，包括第一光伏发电单元和第一风雨压电发电单元，第一光伏发电单元用于将接收的太阳能转化为电能，第一风雨压电发电单元用于将接收的雨能和/或风能转化为电能；第二风光雨组合发电单元，包括第二光伏发电单元和第二风雨压电发电单元，第二光伏发电单元用于将接收的太阳能转化为电能，第二风雨压电发电单元用于将接收的雨能和/或风能转化为电能；储蓄电池单元，用于电能储存或输出电能；整流器，整流器输出端连接储蓄电池单元，用于将风力发电单元产生的交流电变成直流电，经滤波后供给储蓄电池单元充电；逆变器，用于将直流电转化为交流电后输出至负载，逆变器输入端与储蓄电池单元连接；
风光雨控制器，用于监测所述储蓄电池单元的储能状态，根据所述储蓄电池单元储能状态动态控制风力发电单元、第一光伏发电单元、第一风雨压电发电单元、第二光伏发电单元、第二风雨压电发电单元开始或停止对所述储蓄电池单元的充电，还用于将电能直接输送至逆变器，风光雨控制器的输入端与所述风力发电单元、第一光伏发电单元、第一风雨压电发电单元、第二光伏发电单元、第二风雨压电发电单元分别连接，输出端与整流器、逆变器分别连接；无线通讯模块，采用无线数据传输方式将风光雨控制器中的数据信息通过无线网络远程传输给数据采集与监控中心或接收数据采集与监控中心发出的指令后发送给风光雨控制器，无线通讯模块与风光雨控制器连接；数据采集与监控中心，用于远程进行储蓄电池单元储能状态的监测和/或管控，数据采集与监控中心通过无线网络与无线通讯模块连接。
5.本发明还提了一种高海拔无人区光-风-雨能互补微电能捕获设备，包括风轮、转轴、保护箱，所述风轮固定套设在转轴中部，所述转轴为中空圆管结构，转轴下部与保护箱顶面转动连接，转轴下端穿入保护箱内，且连接有第一伞齿轮，保护箱内设有发电机，发电机输入轴上设有与第一伞齿轮啮合的第二伞齿轮，转轴上部轴向等间距设有多个多边形支架，多边形支架外端自内而外安装有多棱台结构的第一内壳、第一柔性光伏发电薄膜层，第一柔性光伏发电薄膜层围成与内壳形状相同的多棱台结构，第一内壳外侧面上设有若干第一柔性压电条带，第一柔性压电条带中间设有第一凸起，第一凸起与第一柔性光伏发电薄膜层内侧面相接触；所述保护箱内还设有风光雨控制器、整流器、蓄电池，发电机、第一柔性光伏发电薄膜层、第一柔性压电条带分别与风光雨控制器电连接，风光雨控制器通过整流器与蓄电池电连接。
6.进一步的，所述转轴顶部通过设有的多边支架自内而外安装有第二内壳、第二柔性光伏发电薄膜层，第二柔性光伏发电薄膜层围成与第二内壳形状相同的结构，第二内壳外侧面及顶面上设有若干第二柔性压电条带，第二柔性压电条带中间设有第二凸起，第二凸起与第二柔性光伏发电薄膜层内侧面相接触，第二柔性光伏发电薄膜层、第二柔性压电条带分别与风光雨控制器电连接。
7.进一步的，所述保护箱内还设有无线通讯模块，无线通讯模块与风光雨控制器连接。
8.优选的，所述无线通讯模块为4g无线通讯模块或5g无线通讯模块。
9.优选的，所述保护箱内还设有逆变器，逆变器输入端与蓄电池连接。
10.进一步的，所述多边形支架为y字形、十字形或米字形。
11.进一步的，所述第一内壳为三棱台结构、四棱台结构或八棱台结构。
12.进一步的，所述第二内壳为三棱台结构、四棱台结构、八棱台结构或碗形结构。
13.与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：1.本发明的高海拔无人区光-风-雨能互补微电能捕获设备打破常规单一能源发电设备，运用光能、风能、雨能多能互补技术，确保不同天气工况环境下，为青藏高原无人区道路信号处理和检测设备全天候供电。
14.2.本发明的高海拔无人区光-风-雨能互补微电能捕获设备结合了当地自然环境的特点，运用光能、风能、雨能三者混合发电，大大提高了该设备的工作效率，充分利用了自
然资源，无污染且功能丰富。
附图说明
15.图1是本发明一实施例的高海拔无人区光-风-雨能互补微电能捕获系统的原理框图；图2是本发明一实施例的高海拔无人区光-风-雨能互补微电能捕获设备的结构示意图；图3是图2中第一风光雨组合发电单元的结构示意图；图4是图3中第一风雨压电发电单元的结构示意图；图5是图3中第二风雨压电发电单元的结构示意图；附图标记：1-风力发电单元，101-风轮，102-转轴，103-第一伞齿轮，104-第二伞齿轮，105-发电机，2-第一风光雨发电单元，201-第一柔性光伏发电薄膜层，202-第一内壳，203-第一柔性压电条带，2031-第一凸起，3-第二风光雨发电单元，301-第二柔性光伏发电薄膜层，302-第二内壳，303-第二柔性压电条带，3031-第二凸起，4-风光雨控制器，5-无线通讯模块，6-数据采集与监控中心，7-整流器，8-蓄电池，9-逆变器，10-保护箱,11-多边支架。
具体实施方式
16.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例对本发明进行进一步详细说明。
17.本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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专利和简化描述，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，因此不能理解为对本专利的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。
18.实施例1请参阅附图1所示，本实施例的一种高海拔无人区光-风-雨能互补微电能捕获系统，包括：风力发电单元1，用于将接收的风能转化为电能；第一风光雨组合发电单元，包括第一光伏发电单元和第一风雨压电发电单元，第一光伏发电单元用于将接收的太阳能转化为电能，第一风雨压电发电单元用于将接收的雨能和/或风能转化为电能；
第二风光雨组合发电单元，包括第二光伏发电单元和第二风雨压电发电单元，第二光伏发电单元用于将接收的太阳能转化为电能，第二风雨压电发电单元用于将接收的雨能和/或风能转化为电能；储蓄电池8单元，用于电能储存或输出电能；整流器7，整流器7输出端连接储蓄电池8单元，用于将风力发电单元1产生的交流电变成直流电，经滤波后供给储蓄电池8单元充电；逆变器9，用于将直流电转化为交流电后输出至负载，逆变器9输入端与储蓄电池8单元连接；风光雨控制器4，用于监测所述储蓄电池8单元的储能状态，根据所述储蓄电池8单元储能状态动态控制风力发电单元1、第一光伏发电单元、第一风雨压电发电单元、第二光伏发电单元、第二风雨压电发电单元开始或停止对所述储蓄电池8单元的充电，还用于将电能直接输送至逆变器9，风光雨控制器4的输入端与所述风力发电单元1、第一光伏发电单元、第一风雨压电发电单元、第二光伏发电单元、第二风雨压电发电单元分别连接，输出端与整流器7、逆变器9分别连接；无线通讯模块5，采用无线数据传输方式将风光雨控制器4中的数据信息通过无线网络远程传输给数据采集与监控中心6或接收数据采集与监控中心6发出的指令后发送给风光雨控制器4，无线通讯模块5与风光雨控制器4连接；数据采集与监控中心6，用于远程进行储蓄电池8单元储能状态的监测和/或管控，数据采集与监控中心6通过无线网络与无线通讯模块5连接。
19.本实施例中，第一风光雨组合发电单元、第二风光雨组合发电单元相对独立设置，可选择两者同时工作，也可选择其中一个工作，另一个作为备用。
20.本实施例中，风力发电单元1可采用风力驱动叶轮带动发电机产生交流电，第一光伏发电单元、第二光伏发电单元均采用太阳能光伏发电板产生直流电，第一风雨压电发电单元、第二风雨压电发电单元采用雨滴和/或风力碰撞压电材料振动而产生直流电；可以进行光风或风雨两种以上能量捕获方式同时产电。风光雨控制器4采用stm32芯片，内部存储有储蓄电池8单元充放电的计算机程序，在执行计算机程序时，实现对储蓄电池8单元充放电的控制；无线通讯模块5采用4g无线通讯模块或5g无线通讯模块。
21.实施例2请参阅附图2-5所示，本实施例提供了一种高海拔无人区光-风-雨能互补微电能捕获设备，包括风轮101、转轴102、保护箱，所述风轮101固定套设在转轴102中部，所述转轴102为中空圆管结构，转轴102下部与保护箱顶面转动连接，转轴102下端穿入保护箱内，且连接有第一伞齿轮103，保护箱内设有发电机105，发电机105输入轴上设有与第一伞齿轮103啮合的第二伞齿轮104，转轴102上部轴向等间距设有多个多边支架，多边支架外端自内而外安装有多棱台结构的第一内壳202、第一柔性光伏发电薄膜层201，第一柔性光伏发电薄膜层201围成与内壳形状相同的多棱台结构，第一内壳202外侧面上设有若干第一柔性压电条带203，第一柔性压电条带203中间设有第一凸起2031，第一凸起2031与第一柔性光伏发电薄膜层201内侧面相接触；所述保护箱内还设有风光雨控制器4、整流器7、蓄电池8，发电机105、第一柔性光伏发电薄膜层201、第一柔性压电条带203分别与风光雨控制器4电连接，风光雨控制器4通过整流器7与蓄电池8电连接。
22.具体的，所述转轴102顶部通过设有的多边支架自内而外安装有第二内壳302、第二柔性光伏发电薄膜层301，第二柔性光伏发电薄膜层301围成与第二内壳302形状相同的结构，第二柔性光伏发电薄膜层301布设于第二内壳302侧面及顶面外侧，第二内壳302外侧面及顶面上设有若干第二柔性压电条带303，第二柔性压电条带303中间设有第二凸起3031，第二凸起3031与第二柔性光伏发电薄膜层301内侧面相接触，第二柔性光伏发电薄膜层301、第二柔性压电条带303分别与风光雨控制器4电连接。
23.具体的，所述保护箱内还设有无线通讯模块5，无线通讯模块5与风光雨控制器4连接；所述无线通讯模块5为4g无线通讯模块5或5g无线通讯模块5，风光雨控制器4通过无线通讯模块5与远程数据采集与监控中心6连接。
24.具体的，所述保护箱内还设有逆变器9，逆变器9输入端与蓄电池8连接。
25.具体的，所述多边支架为y字形、十字形、米字形中的一种，所述第一内壳202为三棱台结构、四棱台结构、八棱台结构中的一种；第二内壳302为三棱台结构、四棱台结构、八棱台结构、碗形结构中的一种。本实施例中，所述多边支架为y字形，第一内壳202为三棱台结构，第二内壳302为碗形结构。
26.本实施例中，第一柔性压电条带203和第二柔性压电条带303产生电能运用了压电原理，当压电材料受到某个固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，材料又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；材料受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。本实施例的第一柔性压电条带203和第二柔性压电条带303均采用柔性压电陶瓷材料，当第一柔性光伏发电薄膜层201收到雨滴或风力时，对第一柔性压电条带203的第一凸起2031进行挤压，通过第一凸起2031传递变形，第一柔性压电条带203变形及振动，从而使第一内壳202振动，可带动一整个面上的其他第一柔性压电条带203振动及变形，从而产生电能；同时，当第二柔性光伏发电薄膜层301收到雨滴或风力时，对第二柔性压电条带303的第二凸起3031进行挤压，通过第二凸起3031传递变形，第二柔性压电条带303变形及振动，从而使第二内壳302振动，可带动第二内壳302上的其它第二柔性压电条带303振动及变形，从而产生电能。
27.本实施例中，整流器7有两个作用，一是将交流电变成直流电，经滤波后供给逆变器9；二是给蓄电池8提供充电电压。
28.本实施例中，利用布设在第一内壳202侧面外的第一柔性光伏发电薄膜层201、布设在第二内壳302侧面及顶面外的第二柔性光伏发电薄膜层301接收光能，并将光能转化为电能，输出直流电至风光雨控制器4；利用风力驱动风轮101，从而带动转轴102、第一伞齿轮103、第二伞齿轮104、发电机105的输入轴转动，将机械能转化为电能，输出交流电至风光雨控制器4；利用雨滴和/或风力碰撞第一柔性光伏发电薄膜层201、第二柔性光伏发电薄膜层301，从而第一柔性光伏发电薄膜层201、第二柔性光伏发电薄膜层301分别挤压第一柔性压电条带203的第一凸起2031、第二柔性压电条带303的第二凸起3031，第一柔性压电条带203、第二柔性压电条带303分别在第一内壳202、第二内壳302上振动产生电能，振动产生的电能输出直流电至风光雨控制器4。
29.本实施例中，第一柔性光伏发电薄膜层201、第二柔性光伏发电薄膜层301可采用柔韧变形能力更强的非光伏发电薄膜代替。
30.在风资源丰富时，风轮101带动发电机105进行风力发电产生电能，同时，第一柔性
光伏发电薄膜层201、第二柔性光伏发电薄膜层301汲取风能分别挤压第一柔性压电条带203的第一凸起2031、第二柔性压电条带303的第二凸起3031，以通过第一柔性压电条带203、第二柔性压电条带303振动产生电能。
31.在光照丰富时，通过第一柔性光伏发电薄膜层201、第二柔性光伏发电薄膜层301产生电能。
32.在阴雨天气时，通过雨滴碰撞第一柔性光伏发电薄膜层201、第二柔性光伏发电薄膜层301挤压第一柔性压电条带203的第一凸起2031、第二柔性压电条带303的第二凸起3031，以通过第一柔性压电条带203、第二柔性压电条带303振动产生电能。
33.同时，亦可以进行两种以上能量捕获方式产电。该设备电能资源获取方式多样，有效解决了西北青藏高原地区微能用电设备电能需求，可操作性和可推广性强。
34.最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。本发明列举的实施例并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。