一种用于智能电网的电磁能量收集装置及稳定电源系统

摘要

一种用于智能电网的电磁能量收集装置，包括条状的磁芯，磁芯的两端均固定连接有集磁板，集磁板的截面积大于磁芯的截面积，磁芯上绕设有线圈。一种用于智能电网的稳定电源系统，包括上述电磁能量收集装置、存储模块和输出模块；所述存储模块与所述电磁能量收集装置电性连接，用于存储电磁能量收集装置收集的电能；所述输出模块与所述存储模块电性连接，用于将存储模块中存储的电能输出至负荷器件。本发明提供一种用于智能电网的电磁能量收集装置及稳定电源系统，能够高效地将输电线路附近的电磁能量收集起来，并且为传感器等监测设备供电，保证智能电网稳定运行。

说明书

技术领域

本发明涉及智能电网领域，具体的说是一种用于智能电网的电磁能量收集装置及稳定电源系统。

背景技术

随着国家城市化进程的加快和各种用电设备的增加，电力负荷将显著增加。对于原有的电力网来说，一方面，需要增大输电线电流和提高电压等级进行电力输送；另一方面，随着时间的推移，电力网将会出现老化等现象。为了使得电能安全平稳输送，同时出现问题能及时发现，电力部门往往利用状态监测设备来监测电力线周围的气象要素(温度、湿度、风速和风向)、电力线的电流、温度和倾斜度等，在某些地区为了获知电线结冰状况还需搭建摄像机。现有技术中，这些状态监测设备主要采取太阳能、蓄电池、可充电电池等方式供电，均存在不足之处。太阳能受天气状况影响很大，只能在白天且阳光充足的情况下供电，夜间和其他光照不足的条件下依赖蓄电池维持运行。可充电电池使用寿命有限，到达使用寿命后需要人工更换，庞大的输电线路会使人工更换的成本很高，蓄电池也存在同样的问题。

为了解决这些供电方式所存在的问题，相关研究人员不断地在寻找更加可靠的供电技术。众所周知，输电线输送交变电流会激发出交变的电磁场环境，并且相比于普通的空间环境来说，输电线附近的电磁场强度更高，并且稳定性高。基于输电线的这一特点，已有很多研究人员试图采集电磁能量来为状态监测设备供电，从而能够稳定地对状态监测设备进行供电。目前，电磁能量采集装置按照是否与输电线路直接接触可将能量采集装置分为接触式装置和非接触式装置。其中接触式装置由于距离输电线更近，具有闭合磁路，采集能量更大，因此大多数研究集中于接触式能量采集装置上，但是接触式装置会增加输电线的重量且维修安装较复杂；非接触式装置安装方便灵活，但是磁路不再闭合，采集能量小。

综上所述，现有的各种电磁能量收集装置普遍存在各种各样的不足之处。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种用于智能电网的电磁能量收集装置及稳定电源系统，能够高效地将输电线路附近的电磁能量收集起来，并且为传感器等监测设备供电，保证智能电网稳定运行。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种用于智能电网的电磁能量收集装置，包括条状的磁芯，磁芯的两端均固定连接有集磁板，集磁板的截面积大于磁芯的截面积，磁芯上绕设有线圈。

作为上述用于智能电网的电磁能量收集装置的进一步优化：所述磁芯和所述集磁板均呈圆柱状，磁芯与集磁板同轴设置。

作为上述用于智能电网的电磁能量收集装置的进一步优化：所述集磁板的直径大于所述磁芯的直径。

作为上述用于智能电网的电磁能量收集装置的进一步优化：所述集磁板上开设有若干个网孔。

作为上述用于智能电网的电磁能量收集装置的进一步优化：所述集磁板上开设有多个网孔，多个网孔沿所述磁芯圆周方向均匀分布。

作为上述用于智能电网的电磁能量收集装置的进一步优化：所述集磁板上开设有圆形的通孔，通孔中固定设置有十字形的隔板，隔板将通孔平均分隔成四部分，每个部分为一个所述网孔。

一种用于智能电网的稳定电源系统，包括上述电磁能量收集装置、存储模块和输出模块；所述存储模块与所述电磁能量收集装置电性连接，用于存储电磁能量收集装置收集的电能；所述输出模块与所述存储模块电性连接，用于将存储模块中存储的电能输出至负荷器件。

作为上述用于智能电网的稳定电源系统的进一步优化：所述存储模块包括整流单元和存储电容；所述整流单元用于将所述电磁能量收集装置产生的交流电能转换为直流电能；所述存储电容用于存储所述整流单元输出的直流电能。

作为上述用于智能电网的稳定电源系统的进一步优化：所述输出模块包括两个电压比较器和两个开关，电压比较器和开关一一对应地电性连接，两个电压比较器均与所述存储电容电性连接，所述负荷器件串联在两个开关之间。

作为上述用于智能电网的稳定电源系统的进一步优化：所述输出模块还包括稳压二极管，稳压二极管与所述存储电容电性连接，两个所述电压比较器均与稳压二极管电性连接。

有益效果：本发明能够高效地将输电线路附近的电磁能量收集起来，并且为传感器等监测设备供电，保证智能电网稳定运行。

附图说明

图1是电磁能量收集装置的整体结构示意图；

图2是增加了网孔后电磁能量收集装置的整体结构示意图；

图3是螺旋容纳槽的设置方式示意图；

图4是连接孔和限位板的设置方式示意图。

图5是稳定电源系统的电路图；

图6是法拉第电磁感应原理的示意图；

图7是能量收集回路的原理图；

图8是有效磁导率随相对磁导率的变化关系示意图；

图9是有效磁导率随长径比的变化关系示意图。

附图说明：1-集磁板，2-磁芯，3-线圈，4-网孔，5-隔板，6-螺旋容纳槽，7-限位片，8-连接孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和2，一种用于智能电网的电磁能量收集装置，包括条状的磁芯2，磁芯2的两端均固定连接有集磁板1，集磁板1的截面积大于磁芯2的截面积，磁芯2上绕设有线圈3。

电磁能量收集装置在使用时固定到输电线路附近。通过在磁芯2的两端设置集磁板1增加电磁能量收集装置的磁通量，又因为磁芯2的截面积小于集磁板1的截面积，所以在磁芯2附近的磁化场更强，从而能够在线圈3上产生更强的感应电流，实现提升电磁能量收集效率的效果，另一方面，基于磁荷理论，面积更大的集磁板1上的磁荷更加分散，从而能够减弱磁芯2中的退磁场，进一步保证电磁能量的收集效率。

磁芯2和集磁板1具体的结构为：磁芯2和集磁板1均呈圆柱状，磁芯2与集磁板1同轴设置。圆柱状的磁芯2和集磁板1均更加容易加工，能够降低生产成本，并且更加便于缠绕线圈3。

为了保证磁芯2的截面积小于集磁板1的截面积，以增强磁芯2附近的磁化场，集磁板1的直径大于磁芯2的直径。

在保证集磁板1磁通量的同时，为了减小集磁板1的体积，进而减小能量收集装置的重量，以便于安装和降低成本，集磁板1上开设有若干个网孔4。

网孔4的开设方式为：集磁板1上开设有多个网孔4，多个网孔4沿磁芯2圆周方向均匀分布。多个网孔4均匀分布能够保证集磁板1的平衡性，进而保证安装之后能量收集装置能够保持稳定。

网孔4具体的分布方式为：集磁板1上开设有圆形的通孔，通孔中固定设置有十字形的隔板5，隔板5将通孔平均分隔成四部分，每个部分为一个网孔4。

为了进一步提升磁芯2附近的磁化场强度，同时减轻磁芯2的质量，磁芯2的周侧壁上开设有螺旋容纳槽6，线圈3设置在螺旋容纳槽6中。螺旋容纳槽6进一步降低了磁芯2与线圈3接触部分的质量，更加便于移动和安装，同时进一步缩小了磁芯2的直径，从而能够进一步提升磁芯2附近磁化场的强度，进而提升电磁能量收集效率。在本发明其它的实施方式中，线圈3还可以直接镶嵌到螺旋容纳槽6中，从而加强与磁芯2之间的连接强度，保持线圈3形态的稳定，进而保持电磁能量收集过程的稳定。在此基础上，还可以在磁芯2上设置保护套，利用保护套对线圈3进行保护。在本实施例中，线圈3采用截面呈圆形的铜线，相应的，螺旋容纳槽6的截面呈U型，便于将线圈3穿过螺旋容纳槽6的开口后压紧到螺旋容纳槽6的底部。

螺栓容纳槽6的两端各连通有一个连接孔8，连接孔8贯通磁芯2的外壁，连接孔8的内壁呈圆弧形，螺旋容纳槽6靠近连接孔8的位置固定设置有限位板7，限位板7位于螺旋容纳槽6的开口处。线圈3的两端分别伸入到两个连接孔8中，并且在圆弧形内壁的导向下向外伸出连接孔8，并且被限位板7所限位，当电磁能量收集装置需要与外部用电装置相连时，连接线可以插入到连接孔8中，并且通过焊接方式与线圈3固定连接，焊接所使用的焊料直接留存到连接孔8中，并且在限位板7的作用下不会在螺旋容纳槽6中移动，从而可以将线圈3端部的位置固定好，进而能够保持线圈3的形态。

以下对本发明进行详细的理论分析。

如图4所示，根据法拉第电磁感应原理，线圈3在变化的磁场中能够产生感应电压V

通过匹配能量收集回路，可以将线圈3上产生的能量收集起来，能量收集回路的原理图如图5所示，其中补偿电容

相应的，输出的能量密度为：

其中Vol为能量收集回路的总体积。

V

其中N

其中l为磁芯2的长度，d为磁芯2的直径，

因此，有效磁导率μ

基于上述理论分析，本发明进行了如下的仿真试验。

仿真试验中，采用了四种不同形状的磁芯2，分别是A:

表1仿真结果

从上述仿真结果可知，基于本发明的电磁能量收集装置设置的试验对象B和D的有效磁导率和输出功率更高，可以说明本发明的电磁能量收集装置的收集效率更高。另一方面，还可以看出磁芯2和集磁板1的长度相同的情况下，磁芯2的直径越小则输出功率和能量密度更大，并且整体体积更小、质量更轻，因此在实际应用时，在保证能量收集装置整体结构强度的前提下，可以尽可能缩小磁芯2的直径。

在本发明中，磁芯2的材质选择锰锌铁氧体，其电导率约为2S/m，涡流损耗很小，相对磁导率为1800-2000，符合电磁能量收集装置的新能需求，并且价格低廉，能够降低生产成本。

基于上述电磁能量收集装置，本发明还提供一种用于智能电网的稳定电源系统，包括上述电磁能量收集装置、存储模块和输出模块。

存储模块与电磁能量收集装置电性连接，用于存储电磁能量收集装置收集的电能。

输出模块与存储模块电性连接，用于将存储模块中存储的电能输出至负荷器件。

存储模块包括整流单元和存储电容。

整流单元用于将电磁能量收集装置产生的交流电能转换为直流电能。

存储电容用于存储整流单元输出的直流电能。

输出模块包括两个电压比较器和两个开关，电压比较器和开关一一对应地电性连接，两个电压比较器均与存储电容电性连接，负荷器件串联在两个开关之间。

输出模块还包括稳压二极管，稳压二极管与存储电容电性连接，两个电压比较器均与稳压二极管电性连接。

具体地说，如图3所示，图中LED作为负荷接入到稳定电源系统中。存储模块中C1为补偿电容，C2为存储电容，D1,D2为肖特基二极管，共同组成一个二倍压整流电路。输出模块中稳压二极管D3为两个电压比较器(LT1017)的反向输入端提供一个参考电压，R2，R3，R4，R5，R8为分压电阻，R1，R6，R7为保护电阻。Q1,Q2为两个MOSFET开关。当电磁能量收集装置开始收集能量时，存储模块启动，存储电容C2不断累积电量，电压不断增大，此时输出模块尚未启动。当C2电压增加到UH时，电压比较器的正向输入端电压U1高于反向输入端，输出高电位，U2也高于反向输入端，输出高电位，同时使得Q2导通，继而Q1导通，电路C部分启动，存储电容C2将为负荷提供能量，C2放电，电压降低，提供的功率不断减小，此时存在两种情况：如果负荷的消耗功率一直大于C2充电功率，C2电压将持续降低，当C2电压降低到UL时，电压比较器的正向输入端电压U1低于反向输入端，输出0V，U2也低于反向输入端，输出0V，同时使得Q2，Q1关闭，负荷关闭，存储电容C2再次累积能量，负荷将周期性工作；如果负荷的消耗功率在某一时刻与C2充电功率相等，C2电压将稳定在UR，且UL

因为电网在投入使用后会持续运行，很少出现断电的情况，因此输电线路附近的磁场是持续稳定的，本发明的稳定电源系统能够高效收集输电线路附近的电磁能量，进而为智能电网的传感器进行供电，保证智能电网能够持续稳定运行。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。