CN209818210U - 一种地铁隧道广告灯牌自供能控制装置 - Google Patents

Abstract

一种地铁隧道广告灯牌自供能控制装置，壳体内设置有发电装置：发电机经联轴器与第一主轴连接，第一、第二主轴之间以及第二、第三主轴之间分别经超越离合器连接，第三主轴连接磁铁转架的转轴，磁铁转架的四个转臂上均设有磁铁，该四块磁铁的磁极依次为N、S、N、S，四个压电片上的磁铁处于能与转臂上磁铁相作用的位置上，三个升力型扇叶安装在两个第二支架上，两个第二支架分别安装在第一、第三主轴上，三个阻力型扇叶安装在两个第二支架上，两个第二支架安装在第二主轴上。本装置利用风能通过发电机发电以及压电片发电为地铁广告灯牌供电，具有风力利用效率高，发电效率高等特点。

Description

一种地铁隧道广告灯牌自供能控制装置

技术领域

本实用新型属于发电机械装置技术领域，特别是利用隧道活塞风能的发电机发电和压电片振动发电的装置。

背景技术

随着天然气石油等化石燃料的消耗，以及由此带来的能源危机和环境污染日益加剧，开发并利用新的、清洁的、安全的可再生能源以及降低污染排放量成为了全球关注的两大焦点。风能作为一种清洁能源，越来越受到我国重视。地铁隧道活塞风是由地铁通过隧道时产生的风能，通过收集活塞风并将其转换为电能，可以很大程度上减少非清洁能源的消耗。同时，地铁隧道内存在耗能巨大、数量众多的地铁广告灯牌。若实现将隧道活塞风转换为电能并为地铁隧道广告灯牌供电，将会为人们与社会带来巨大的经济效益与环保效益。

据检索，目前已有利用隧道风能为广告灯牌供电技术出现，例如中国专利申请号201521130018.X公开的“一种基于地铁隧道风能发电的新型电子广告牌”，所述的小型风能发电设备采用水平轴风力发电机，仅能获得的一个方向风能，同时装置风机结构过于简单，风能利用率低，且装置整体结构各部分分散，影响安装以及防尘效果。再如中国专利申请号01220093939.3公开的“一种利用地铁隧道风能的垂直轴风力发电系统”，该专利所述的风力发电装置虽然采用垂直轴风力发电的机构，但由于其所用叶轮为单纯的升力型叶轮，存在不能自起动的问题，同时对风速变化与负荷变化要求都较苛刻，难以在地铁隧道内平稳高效运行。以上两个专利所述的隧道风能供电系统都只能在传统风能收集的基础上，将风能转变为电能为广告灯牌供电，在风能收集与利用效率方面还有所欠缺。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种地铁隧道广告灯牌自供电控制装置，旨在通过对地铁隧道内风能的收集，通过风能利用发电机发电并同时利用风能驱动压电片装置发电，从而为广告灯牌提供电能。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种地铁隧道广告灯牌自供能控制装置，包括用作为地铁广告灯牌提供电能的蓄电池，壳体由向内收缩的进风部、等流通截面部以及向外扩张的出风部组成；用作为所述蓄电池充电的风能及压电发电机构设置在该壳体内：

发电机下方的发电机主轴经联轴器与位于其正下方的第一主轴连接，第一主轴经超越离合器与位于正下方的第二主轴连接，第二主轴经另一超越离合器与位于其正下方的第三主轴连接，第三主轴经法兰盘与位于其正下方的磁铁转架的转轴连接，磁铁转架的上、下、左、右四个转臂的外端面上分别固定有一块磁铁，且该位于同一圆周上的四块磁铁的磁极依次为N，S，N，S，该磁铁转架的转轴经轴承固定在压电片底板上，压电片底板固定在上述壳体的等流通截面部的底板上，压电片底板上沿正方形四个边位置均布固定有四个压电片，四个压电片内侧中部分别固定有一块同一磁性的磁铁，该四块磁块均处于与磁铁转架上的磁铁相作用的位置上，两个第一支架分别安装固定在第一主轴和第三主轴上，两个第一支架的三对辐条中的每对辐条的外端之间安装固定有一个升力型扇叶，两个第二支架一上一下地安装固定在第二主轴上，两个第二支架的三对辐条中的每对辐条的外端之间安装固定有一个阻力型扇叶，该阻力型扇叶的形状为上下封口的半圆筒形。

所述升力型扇叶的截面形状为竹叶形。

所述第一主轴上段上部与联轴器连接，第一主轴上段下部经内板法兰盘与第一主轴下段上部连接。

所述每个压电片按以下方式固定在压电片底板上：一对压电片挡板固定在压电片底板上，一个压电片固定在一对压电片挡板之间。

所述第一支架和第二支架均由三个辐条均布固定在一个圆板上构成。

所述壳体的进风部为由四个内板依次连接组成一个正四棱台式的进风口；所述壳体的出风部形状与进风部形状相同，前后对称设置。

还具有将发电机及压电片产生的交流电转换为直流电的整流电路以及蓄电池充电电路；二极管D1负极接二极管D4正极，二极管D2负极接二极管D5正极，二极管D3负极接二极管D6正极，二极管D4、D5、D6的负极均顺次串接电感电阻RL、储能电感L1后、接于二极管D7正极，二极管D7负极接于蓄电池正极，二极管D1、D2、D3的负极均接于蓄电池负极，滤波电容C1正极接于二极管D6负极，C1负极接二极管D3正极，另一滤波电容C与蓄电池并联，功率开关管的源极S接二极管D7正极，功率开关管的栅极G和漏极D均接于二极管D3正极；发电机及压电片产生的三相交流电分别接于二极管D4、D5和D6正极。

所述壳体的等流通截面部由连接在进风部四个内板与出风部四个内板之间的上、下水平板以及左、右竖向板围合组成，壳体上板与板之间采用外壳连接件扣合连接。

本实用新型地铁隧道内广告灯牌自供能控制装置，包括壳体、升阻结合型叶轮、发电机和压电结构总成，其主要技术特点在于：壳体由外板、内板和侧板构成。外板和侧板通过外壳连接件相连。上空腔中的发电机主轴通过联轴器与第一主轴连接。第一主轴与第二主轴通过超越离合器相连，并且通过内板法兰盘以及轴承实现与内板的相对转动。三个阻力型扇叶通过两个第二支架与第二主轴连接，第二主轴通过超越离合器与第三主轴相连。第一主轴和第三主轴上分别连接一个第一支架，固定升力型扇叶。第三主轴通过联轴器与磁铁转架连接。磁铁转架端部固定磁铁，磁极依次反转。压电片挡板四个一组，分布在压电片底板上，每组固定一个压电片，压电片上粘附磁铁。磁铁转架与外板通过转架轴承座实现相对转动和支撑。扇叶旋转带动发电机和压电装置产生电能，通过整流调压传输至蓄电池。

所述壳体结构为：由外板、内板和侧板组成的四棱台为上、下壳体部分，整体结构起到增大风力接收面积和提高风速的作用。

所述外板共有两个，分别与侧板和内板构成上下壳体。

所述侧板共有十二个，连接上下部分壳体，起到支撑作用。

所述外壳连接件共有八个，用以连接外板与侧板。

所述内板共有四个，分别构成上下壳体以及用以引导风向。

所述第一支架共有两个，它们分别与第一、三主轴固定。

所述第二支架共有两个，它们分别与第二主轴固定。

所述升力型扇叶共有三个，它们以中心对称的方式固定在第一支架上。

所述阻力型扇叶共有三个，它们以中心对称的方式固定在第二支架上。

所述联轴器共有两个，它们分别连接发电机主轴和第一主轴、磁铁转架和第三主轴。

所述超越离合器为滚珠式联轴型超越离合器，共有两个，它们将第二主轴与第一、第三主轴连接。

本实用新型的工作过程和工作原理：本装置使用时安装在地铁隧道内顶部或者侧壁。阻力型风轮结构在微风时启动，当地铁经过装置安装区域时，所形成的活塞风通过壳体的风能收集加速结构进入装置内部， 阻力型风轮转动带动升力型风轮转动，实现自启动。第一、第三主轴分别带动发电机主轴和磁铁转架旋转。壳体的结构可提高进入风速。发电机主轴转动产生电能；磁铁转架旋转，通过端部磁铁磁极依次反转安装，与压电片上固定磁铁的相互作用，使得安装在侧壁上的压电片受到压力产生形变电效应，产生电能。排斥力阻碍旋转运动，而吸引力驱动旋转运动。压电片形变频率为主轴旋转频率的四倍，提高了集电效率。并且由于压电片与旋转装置通过磁力相互作用，避免直接接触，降低损耗，提高了压电片的使用寿命。通过上述过程产生的电能：风力发电产生的电能通过三相不可控式整流电路转换为直流电路；压电效应产生的电能通过桥式整流电路转换为直流电。两种转换之后的直流电能储存在蓄电池中，给地铁隧道内的广告灯箱供应电能。另外，本装置采用基于STC89C51/52单片机编程实现功能的红外光电传感器来监测列车在隧道中的位置以判断是否令蓄电池为隧道广告灯牌供电。当列车经过传感器的两红外探头所在的水平位置时，通过两个对向红外线探头测距来判断是否有列车驶入，红外传感器中的光电元件将采集来的列车位置信号转化成控制供电模块的电信号，发送给供电模块，使蓄电池开始为广告灯牌供电。当列车完全驶离探头所在位置，两红外线测距探头间的距离恢复，则传感器控制蓄电池结束对广告灯箱的供电。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1）、本实用新型的风能采集结构采用升阻复合型垂直轴形式，既有较好的启动性能，又有较大的风力利用效率

2）、本实用新型的压电结构采用非接触磁耦合形式，一方面能够在低风速下采集能量，另一方面磁力可以均匀地施加到压电层，从而实现更高的功率密度和可靠性。

3）、本实用新型利用红外光电传感器来控制隧道灯柱的亮灭，减少不必要的电能消耗。红外光电传感器可以有效避免自然风等干扰因素所造成的误差，并且本身具有很强的抗强光干扰能力，能在光线环境复杂的地铁隧道内起到有效的列车测位作用。

4）、本实用新型利用隧道活塞风和压电片振动产生的电能为地铁隧道内的广告灯组供电，可实现节省电能的目的。

附图说明

图1是本装置的立体示意图。

图2是图1去除壳体后的发电机发电及压电发电机构的立体图。

图3是图1所示壳体的立体图。

图4、图4a分别是图2所示压电发电机构的俯视图和立体图。

图5是图2所示发电机发电机构（去除发电机及联轴器后）的俯视图。

图6是本装置整流调压充电电路原理图。

具体实施方式

附件中，外板-1；内板-2；侧板-3；外壳连接件-4；发电机-5；发电机主轴-6；联轴器-7；内板法兰盘-8；第一支架-9；第一主轴-10；超越离合器-11；第二支架-12；第二主轴-13；第三主轴-14；磁铁转架-15；压电片-16；（压电片）底板-17；磁铁-18；压电片挡板-19；转架轴承座-20；升力型扇叶-21；阻力型扇叶-22。

参见图1、图2，一种地铁隧道广告灯牌自供能控制装置，包括用作为地铁广告灯牌提供电能的蓄电池，壳体由向内收缩的进风部、等流通截面部以及向外扩张的出风部组成；用作为所述蓄电池充电的风能及压电发电机构设置在该壳体内：

发电机5下方的发电机主轴6经联轴器7与位于其正下方的第一主轴10连接，第一主轴10经超越离合器11与位于正下方的第二主轴13连接，第二主轴13经另一超越离合器与位于其正下方的第三主轴14连接，第三主轴14经法兰盘与位于其正下方的磁铁转架15的转轴连接，磁铁转架的上、下、左、右四个转臂的外端面上分别固定有一块磁铁18，且该位于同一圆周上的四块磁铁18的磁极依次为N，S，N，S，该磁铁转架15的转轴经轴承固定在压电片底板17上，压电片底板17固定在上述壳体的等流通截面部的底板上，压电片底板17上沿正方形四个边位置均布固定有四个压电片16，四个压电片16内侧中部分别固定有一块同一磁性的磁铁，该四块磁块均处于与磁铁转架15上的磁铁18相作用的位置上，两个第一支架9分别安装固定在第一主轴10和第三主轴14上，两个第一支架的三对辐条中的每对辐条的外端之间安装固定有一个升力型扇叶21，两个第二支架12一上一下地安装固定在第二主轴13上，两个第二支架12的三对辐条中的每对辐条的外端之间安装固定有一个阻力型扇叶22，该阻力型扇叶22的形状为上下封口的半圆筒形。发电机主轴、第一主轴、第二主轴、第三主轴以及磁铁转架的转轴均同轴设置。图5示出，升力型扇叶21的截面形状为竹叶形（竹叶呈狭披针形，先端渐尖，基部钝形）。第一主轴10上段上部与联轴器7连接，第一主轴上段下部经内板法兰盘8与第一主轴下段上部连接。采用法兰盘连接，便于拆卸维修。参见图4、图4a，每个压电片按以下方式固定在压电片底板17上：一对压电片挡板19固定在左、右压电片底板17上，一个压电片16固定在一对压电片挡板19之间。采用法兰盘连接便于拆卸维护。压电片嵌插固定在压电片挡板的凹槽内。参见图5，第一支架9和第二支架12均由三个辐条均布固定在一个圆板上构成。参见图1、图3，壳体的进风部为由四个内板2依次连接组成一个正四棱台式的进风口；所述壳体的出风部形状与进风部形状相同，前后对称设置。

壳体的等流通截面部由连接在进风部四个内板与出风部四个内板之间的上、下水平板以及左、右竖向板围合组成，壳体上板与板之间采用外壳连接件4扣合连接。参见图6，还具有将发电机5及压电片16产生的交流电转换为直流电的整流电路以及蓄电池充电电路；二极管D1负极接二极管D4正极，二极管D2负极接二极管D5正极，二极管D3负极接二极管D6正极，二极管D4、D5、D6的负极均顺次串接电感电阻RL、储能电感L1后、接于二极管D7正极，二极管D7负极接于蓄电池正极，二极管D1、D2、D3的负极均接于蓄电池负极，滤波电容C1正极接于二极管D6负极，C1负极接二极管D3正极，另一滤波电容C与蓄电池并联，功率开关管的源极S接二极管D7正极，功率开关管的栅极G和漏极D均接于二极管D3正极；发电机及压电片产生的三相交流电分别接于二极管D4、D5和D6正极。

一种地铁隧道内广告灯牌自供能控制装置，壳体由外板1、内板2和侧板3构成。外板1和侧板3通过外壳连接件4相连。上空腔中的发电机主轴6通过联轴器7与第一主轴10连接。第一主轴10与第二主轴13通过超越离合器11相连，并且通过内板法兰盘8以及轴承实现与内板2的相对转动。三个阻力型扇叶22通过两个第二支架12与第二主轴13连接，第二主轴13通过超越离合器11与第三主轴14相连。第一主轴10和第三主轴14上分别连接一个第一支架9，固定升力型扇叶21。第三主轴14通过联轴器7与磁铁转架15连接。磁铁转架15端部固定磁铁18，磁极依次反转。压电片挡板19四个一组，分布在压电片底板17上，每组固定一个压电片16，压电片16上粘附磁铁18。磁铁转架15与外板1通过转架轴承座20实现相对转动和支撑。扇叶旋转带动发电机和压电装置产生电能，通过整流调压传输至蓄电池。

整流调压电路包括三相整流电路23与直流变换电路24。三相整流电路23分别通过三相端Va、Vb和Vc接收来自发电机或压电片的交流电，通过直流输出端V0+和V0-向直流变换电路24的电压输入端输入电压，经过调压稳压后达到蓄电池充电电压，最后存储至蓄电池中。

三相整流电路23包括整流二极管D1~D6、滤波电容C1。整流二极管D1与D4同向串联，D2与D5同向串联，D3与D6同向串联,整流二极管串联完之后再与滤波电容C1一同并联。当三相电流任一相导通时，与该相相连接的整流二极管分路导通，直流侧始终输出交流侧最大线电压，为负载和滤波电容C1供电。当整流二极管均不导通时，滤波电容C1单独为直流变换电路供电。

直流变换电路24包括功率开关管S、开关管驱动电路、储能电感L、电感电阻RL、二极管D7、滤波电容C和电容电阻Rc组成。通过改变功率开关管S通断状态实现储能电感L上的电流连续与断续，从而改变占空比，实现对电压调压并稳压的功能，控制合适的占空比达到蓄电池充电电压，最后将电能存储在蓄电池中。

所述壳体结构为：由外板1、内板2和侧板3组成的四棱台为上、下壳体部分，整体结构起到增大风力接收面积和提高风速的作用。

所述外板1共有两个，分别与侧板3和内板2构成上下壳体。

所述侧板3共有十二个，连接上下部分壳体，起到支撑作用。

所述外壳连接件4共有八个，用以连接外板1与侧板3。

所述内板2共有四个，分别构成上下壳体以及用以引导风向。

所述第一支架9共有两个，它们分别与第一主轴10、第三主轴14固定。

所述第二支架12共有两个，它们分别与第二主轴14固定。

所述升力型扇叶21共有三个，它们以中心对称的方式固定在第一支架9上。

所述阻力型扇叶22共有三个，它们以中心对称的方式固定在第二支架12上。

所述联轴器7共有两个，它们分别连接发电机主轴6和第一主轴10、磁铁转架15和第三主轴14。

所述超越离合器11为滚珠式联轴型超越离合器，共有两个，它们将第二主轴12与第一主轴10、第三主轴14连接。

本实用新型的工作过程和工作原理：本装置使用时安装在地铁隧道内顶部或者侧壁。阻力型风轮结构在微风时启动，当地铁经过装置安装区域时，所形成的活塞风通过壳体的风能收集加速结构进入装置内部， 阻力型风轮转动带动升力型风轮转动，实现自启动。第一、第三主轴分别带动发电机主轴和磁铁转架旋转。壳体的结构可提高进入风速。发电机主轴转动产生电能；磁铁转架旋转，通过端部磁铁磁极依次反转安装，与压电片上固定磁铁的相互作用，使得安装在侧壁上的压电片受到压力产生形变电效应，产生电能。排斥力阻碍旋转运动，而吸引力驱动旋转运动。压电片形变频率为主轴旋转频率的四倍，提高了集电效率。并且由于压电片与旋转装置通过磁力相互作用，避免直接接触，降低损耗，提高了压电片的使用寿命。通过上述过程产生的电能：风力发电产生的电能通过三相不可控式整流电路转换为直流电路；压电效应产生的电能通过桥式整流电路转换为直流电。两种转换之后的直流电能储存在蓄电池中，给地铁隧道内的广告灯箱供应电能。另外，本装置采用基于STC89C51/52单片机编程实现功能红外光电传感器来监测列车在隧道中的位置以判断是否令蓄电池为隧道广告灯牌供电。当列车经过传感器的两红外探头所在的水平位置时，通过两个对向红外线探头测距来判断是否有列车驶入，红外传感器中的光电元件将采集来的列车位置信号转化成控制供电模块的电信号，发送给供电模块，使蓄电池开始为广告灯牌供电。当列车完全驶离探头所在位置，两红外线测距探头间的距离恢复，则传感器控制蓄电池结束对广告灯箱的供电。

Claims (8)

1.一种地铁隧道广告灯牌自供能控制装置，包括，用作为地铁广告灯牌提供电能的蓄电池，其特征在于，壳体由向内收缩的进风部、等流通截面部以及向外扩张的出风部组成；用作为所述蓄电池充电的风能及压电发电机构设置在该壳体内：

发电机（5）下方的发电机主轴（6）经联轴器（7）与位于其正下方的第一主轴（10）连接，第一主轴（10）经超越离合器（11）与位于正下方的第二主轴（13）连接，第二主轴（13）经另一超越离合器与位于其正下方的第三主轴（14）连接，第三主轴（14）经法兰盘与位于其正下方的磁铁转架（15）的转轴连接，磁铁转架的上、下、左、右四个转臂的外端面上分别固定有一块磁铁（18），且该位于同一圆周上的四块磁铁（18）的磁极依次为N，S，N，S，该磁铁转架（15）的转轴经轴承固定在压电片底板（17）上，压电片底板（17）固定在上述壳体的等流通截面部的底板上，压电片底板（17）上沿正方形四个边位置均布固定有四个压电片（16），四个压电片（16）内侧中部分别固定有一块同一磁性的磁铁，该四块磁块均处于与磁铁转架（15）上的磁铁（18）相作用的位置上，两个第一支架（9）分别安装固定在第一主轴（10）和第三主轴（14）上，两个第一支架的三对辐条中的每对辐条的外端之间安装固定有一个升力型扇叶（21），两个第二支架（12）一上一下地安装固定在第二主轴（13）上，两个第二支架（12）的三对辐条中的每对辐条的外端之间安装固定有一个阻力型扇叶（22），该阻力型扇叶（22）的形状为上下封口的半圆筒形。

2.根据权利要求1所述的一种地铁隧道广告灯牌自供能控制装置，其特征在于，所述升力型扇叶（21）的截面形状为竹叶形。

3.根据权利要求1或2所述的一种地铁隧道广告灯牌自供能控制装置，其特征在于，所述第一主轴（10）上段上部与联轴器（7）连接，第一主轴上段下部经内板法兰盘（8）与第一主轴下段上部连接。

4.根据权利要求3所述的一种地铁隧道广告灯牌自供能控制装置，其特征在于，所述每个压电片按以下方式固定在压电片底板（17）上：一对压电片挡板（19）固定在压电片底板（17）上，一个压电片（16）固定在一对压电片挡板（19）之间。

5.根据权利要求4所述的一种地铁隧道广告灯牌自供能控制装置，其特征在于，所述第一支架（9）和第二支架（12）均由三个辐条均布固定在一个圆板上构成。

6.根据权利要求5所述的一种地铁隧道广告灯牌自供能控制装置，其特征在于，所述壳体的进风部为由四个内板（2）依次连接组成一个正四棱台式的进风口；所述壳体的出风部形状与进风部形状相同，前后对称设置。

7.根据权利要求6所述的一种地铁隧道广告灯牌自供能控制装置，其特征在于，还具有将发电机（5）及压电片（16）产生的交流电转换为直流电的整流电路以及蓄电池充电电路；二极管D1负极接二极管D4正极，二极管D2负极接二极管D5正极，二极管D3负极接二极管D6正极，二极管D4、D5、D6的负极均顺次串接电感电阻RL、储能电感L1后、接于二极管D7正极，二极管D7负极接于蓄电池正极，二极管D1、D2、D3的负极均接于蓄电池负极，滤波电容C1正极接于二极管D6负极，C1负极接二极管D3正极，另一滤波电容C与蓄电池并联，功率开关管的源极S接二极管D7正极，功率开关管的栅极G和漏极D均接于二极管D3正极；发电机及压电片产生的三相交流电分别接于二极管D4、D5和D6正极。

8.根据权利要求7所述的一种地铁隧道广告灯牌自供能控制装置，其特征在于，所述壳体的等流通截面部由连接在进风部四个内板与出风部四个内板之间的上、下水平板以及左、右竖向板围合组成，壳体上板与板之间采用外壳连接件（4）扣合连接。