一种煤矿井下多模式能量收集发电装置

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1.本发明涉及发电技术领域，特别是涉及一种煤矿井下多模式能量收集发电装置。

背景技术：

2.煤矿井下“智能化”、“少人化”和“能源可持续化”是当今煤矿井下发展的新趋势。煤矿智能化水平的提高，使得井下传感器的种类和数量急剧增加，因此，各类传感器的供能问题是煤矿智能化发展亟待解决的问题。现有技术成熟的太阳能发电、水力发电和生物能发电能等均不适应井下工程环境。煤矿井下存在大量工程设备工作时产生的振动能以及通风管道内部的风能。目前，煤矿井下常采用化学电池或单一模式的压电能量收集器为传感器设备供电。但现有的化学电池或者单一模式的压电能量收集器主要存在以下问题：第一，化学电池更换困难，成本高，且废弃的化学电池容易造成环境污染；第二，现有单一模式的压电能量收集器可靠性弱、稳定性较差，单个零件的破损会导致整个供电系统崩溃，收集器的单一模式也难以同时收集环境中各种能量，能量收集效率较低。

技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种煤矿井下多模式能量收集发电装置，以解决上述现有技术存在的问题，将三种发电模式合为一体，设置分割区域，其三种发电模式互不影响，提高了能量收集器的使用的稳定性和寿命；多种模式的结合使得电能的输出较现有技术单一发电模式得到了显著增强，减少了人工操作的次数，保障了生命和生产的安全。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供了一种煤矿井下多模式能量收集发电装置，包括上端盖、上壳体、下壳体、振动发电结构、摩擦发电结构和击打发电结构，所述上端盖、所述上壳体和所述下壳体依次连接，所述振动发电结构位于所述上壳体的内侧，所述摩擦发电结构和所述击打发电结构均位于所述下壳体的内侧，所述摩擦发电结构包括第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件，所述击打发电结构包括第一击打发电组件和第二击打发电组件，所述下壳体的侧壁开设有进风口，风由所述进风口进入所述下壳体中，带动所述下壳体中的转动结构转动，使得所述第一摩擦发电组件和所述第二摩擦发电组件相对转动实现摩擦发电、所述第一击打发电组件和所述第二击打发电组件击打实现击打发电，由下壳体中进入上壳体的风引起的振动以及环境中的振动使得所述振动发电结构实现振动发电。
6.优选地，所述振动发电结构包括若干振动发电组件，各所述振动发电组件均包括振动悬臂梁、发电薄膜和两个钝体，所述发电薄膜用于与导线连接，各所述振动发电组件中的所述振动悬臂梁的长度依次递增，所述振动悬臂梁的上端与所述上端盖连接，两个所述钝体分别对称设置在所述振动悬臂梁的下端的两侧，所述发电薄膜的设置在所述振动悬臂梁的一侧，且所述发电薄膜的一端与一个所述钝体接触。
7.优选地，所述上壳体的底部设置有底板，所述振动发电结构位于所述底板的上方，所述底板上开设有通风口，所述通风口处设置有阻流体。
8.优选地，所述下壳体的侧壁开设有出风口，所述进风口和所述出风口呈中心对称，且所述进风口和所述出风口相对受风面的中心线偏心设置，所述进风口处和所述出风口处均设置有阔风口构件，所述阔风口构件的内端伸入至所述下壳体中，且所述阔风口构件的内端具有弧度。
9.优选地，所述转动结构包括螺旋桨和转轴组件，所述螺旋桨的位置与所述进风口对应，所述下壳体中设置有阻风板，所述螺旋桨位于所述阻风板的上方，所述螺旋桨和所述转轴组件的转轴的一端连接，所述转轴的另一端穿过所述阻风板上的第一通孔与所述下壳体底部转动连接，所述第二摩擦发电组件和所述第一击打发电组件均设置在所述转轴组件上。
10.优选地，所述第一摩擦发电组件包括绝缘基板、导电板和电刷，所述绝缘基板与所述阻风板连接，所述绝缘基板上设置有用于所述转轴组件通过的第二通孔，所述导电板设置在所述绝缘基板上，所述导电板用于与导线连接，若干所述电刷沿所述导电板的周向均匀设置。
11.优选地，所述第二摩擦发电组件包括第二组板和第三组板，所述第二组板采用绝缘材料制成，所述第三组板采用导电材料制成，所述第二组板的上表面沿所述第二组板的周向均匀开设有若干放置槽，各所述放置槽内均设置有一摩擦发电薄膜，所述摩擦发电薄膜能够与所述电刷接触，所述第二组板的下表面与所述第三组板的上表面连接，所述摩擦发电薄膜的一端延伸至所述第三组板，所述第三组板与所述转轴下端的轴台连接，所述第三组板用于与导线连接。
12.优选地，各所述第一击打发电组件均包括击打式悬臂梁和压电陶瓷，所述击打式悬臂梁的一端与所述下壳体连接，所述压电陶瓷设置在所述击打式悬臂梁的另一端；各所述第二击打发电组件均包括击打梁和质量块，所述击打梁的一端与所述转动结构连接，所述质量块设置在所述击打梁的另一端，所述转动结构转动进而带动所述质量块转动并击打所述压电陶瓷。
13.优选地，各所述击打式悬臂梁的一端均通过悬臂梁基座与所述下壳体连接，各所述第一击打发电组件中的所述压电陶瓷均位于相应的所述击打式悬臂梁的同一侧；所述第二击打发电组件为两个，两个所述第二击打发电组件中的所述质量块的朝向相反。
14.优选地，所述轴台设置有减重孔。
15.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
16.本发明将三种发电模式合为一体，设置分割区域，其三种发电模式互不影响，提高了能量收集器的使用的稳定性和寿命；多种模式的结合使得电能的输出较现有技术单一发电模式得到了显著增强，减少了人工操作的次数，保障了生命和生产的安全；本发明可同时收集风能和振动能，较现有技术提高了对现有能源的利用率，是一种绿新能源发电系统，并且适用场景广泛。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。
18.图1为本发明的煤矿井下多模式能量收集发电装置剖面示意图；
19.图2是本发明中上端盖结构示意图；
20.图3是本发明中振动发电区的上端盖、l型连接板、振动悬臂梁连接结构示意图；
21.图4是本发明中阻流体结构剖面俯视图；
22.图5是本发明中受风面示意图；
23.图6是本发明中摩擦发电区的第一摩擦发电组件、第二组板、第三组板连接结构示意图；
24.图7是本发明中第一摩擦发电组件的结构示意图；
25.图8是本发明中电刷结构示意图；
26.图9是本发明中摩擦薄膜在第二组板上分布排列方式，以及摩擦第二发电组板与第三组板的连接结构示意图；
27.图10是本发明中击打发电区的击打式悬臂梁、悬臂梁基座、振动陶瓷、击打梁的连接结构示意图；
28.图11是本发明中击打式发电部分结构示意图；
29.图12是本发明中转轴结构示意图；
30.图13是本发明中轴承结构示意图；
31.图14是本发明中悬臂梁基座结构示意图；
32.图15是本发明中阔风口构件结构示意图；
33.图16是本发明中能量采集电路原理框图；
34.图17是本发明系统工作流程图。
35.其中：1-上端盖；2-振动发电区；3-阻流体；4-阔风口构件；5-阻风板；6-摩擦发电区；7-击打发电区；8-下壳体；9-轴承；10-轴台；11-转轴；12-第一连接螺纹；13-螺旋桨；14-上壳体；15-第二连接螺纹；16-第一固定螺钉；17-电路导线孔；18-外螺纹；19-固定螺钉孔；20-壁结构；21-第二固定螺钉；22-发电薄膜；23-钝体；24-振动悬臂梁；25-l型连接板；26-底板；27-截面中心线；28-第三固定螺钉；29-第四固定螺钉；30-第五固定螺钉；31-第一摩擦发电组件；32-第二组板；33-第三组板；34-绝缘基板；35-电刷；36-导电板；37-摩擦发电薄膜；39-击打式悬臂梁；40-质量块；41-击打梁；42-压电陶瓷；43-悬臂梁基座；44-轴台槽；45-轴台键；46-减重孔；47-击打梁固定孔；48-键槽；49-悬臂梁固定孔；50-基座固定孔；51-阔风口连接孔。
具体实施方式
36.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付出创造性劳动的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。
37.本发明的目的是提供一种煤矿井下多模式能量收集发电装置，以解决上述现有技术存在的问题，将三种发电模式合为一体，设置分割区域，其三种发电模式互不影响，提高了能量收集器的使用的稳定性和寿命；多种模式的结合使得电能的输出较现有技术单一发
电模式得到了显著增强，减少了人工操作的次数，保障了生命和生产的安全。
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
39.如图1-图17所示：本实施例提供了一种煤矿井下多模式能量收集发电装置，包括上端盖1、上壳体14、下壳体8、振动发电结构、摩擦发电结构和击打发电结构，上端盖1、上壳体14和下壳体8依次螺纹连接，振动发电结构位于上壳体14的内侧的振动发电区2，摩擦发电结构和击打发电结构分别位于下壳体8的内侧的摩擦发电区6和击打发电区7，摩擦发电结构包括第一摩擦发电组件31和第二摩擦发电组件，击打发电结构包括第一击打发电组件和第二击打发电组件，下壳体8的侧壁开设有进风口，风由进风口进入下壳体8中，带动下壳体8中的转动结构转动，使得第一摩擦发电组件31和第二摩擦发电组件相对转动实现摩擦发电、第一击打发电组件和第二击打发电组件击打实现击打发电，由下壳体8中进入上壳体14的风引起的振动以及环境中的振动使得振动发电结构实现振动发电。
40.具体地，本实施例中，上端盖1设有电路导线孔17，用于导线穿过，并与管理电路的连接，上端盖1的下部设有外螺纹18，用于与上壳体14上端的第二连接螺纹15连接，上端盖1向上延伸有壁结构20，使得上端盖1的顶部能够放置外接电路板等。上壳体14的底部设置有底板26，振动发电结构位于底板26的上方，底板26的中心位置开设有矩形的通风口，通风口处设置有阻流体3，阻流体3两端通过第五固定螺钉30与上壳体14连接，阻流体3处于通风口的中心位置，风经通风口由阻流体3的两侧进入振动发电区2。上壳体14通过第一连接螺纹12与下壳体8连接。下壳体8的侧壁开设有出风口，进风口和出风口呈中心对称，且进风口和出风口相对受风面的截面中心线27偏心设置，在风力驱动下，转动结构的螺旋桨13的转动无需较大启动力，且以图4的视角来看，螺旋桨13始终以顺时针转动；进风口处和出风口处均设置有阔风口构件4，阔风口构件4通过阔风口连接孔51用销钉与下壳体8连接，阔风口构件4的内端伸入至下壳体8中，且阔风口构件4的内端具有弧度，可以使得正向最大风力进入结构，阔风口构件4的外端延伸至受风面中心处，可以增大风量的进出。
41.本实施例中，振动发电结构包括若干振动发电组件，各振动发电组件均包括振动悬臂梁24、发电薄膜22和两个钝体23，发电薄膜22优选mfc发电薄膜，发电薄膜22用于与导线连接，各振动发电组件依次阵列与上端盖1下表面，各振动发电组件中的振动悬臂梁24的长度依次递增，相邻的振动悬臂梁24的长度相差3mm，振动悬臂梁24的上端与通过第二固定螺钉21与l型连接板25连接，l型连接板25通过第一固定螺钉16穿过固定螺钉孔19与上端盖1连接，两个钝体23分别对称设置在振动悬臂梁24的下端的两侧，使振动悬臂梁24振动过程中保持对称，发电薄膜22的设置在振动悬臂梁24的一侧，且发电薄膜22的一端与其中一个钝体23的上端接触，导线一端连接于发电薄膜22，导线另一端经上端盖1的电路导线孔17输出接入管理电路中。
42.本实施例中，转动结构包括螺旋桨13和转轴11组件，螺旋桨13与转轴11组件的转轴11顶端通过螺纹连接，螺旋桨13的位置与进风口对应，下壳体8中设置有阻风板5，阻风板5通过第三固定螺钉28与下壳体8连接固定，阻风板5可以阻止风力对摩擦发电区6和击打发电区7造成破坏，螺旋桨13位于阻风板5的上方，螺旋桨13和转轴11组件的转轴11的一端连接，转轴11的另一端穿过阻风板5上的第一通孔并通过下壳体8底部槽内安装的轴承9与下壳体8转动连接，具体地，转轴11通过轴台键45与轴承9的键槽48配合安装，第二摩擦发电组
件和第一击打发电组件均设置在转轴11组件上。
43.本实施例中，第一摩擦发电组件31包括绝缘基板34、导电板36和电刷35，电刷35优选为四个，导电板36优选铜板，绝缘基板34的上表面与阻风板5的下表面粘合，绝缘基板34上设置有用于转轴11组件通过的第二通孔，导电板36粘合在绝缘基板34的中间位置，若干电刷35沿导电板36的周向均匀设置。
44.本实施例中，第二摩擦发电组件随转动结构转动，第二摩擦发电组件包括第二组板32和第三组板33，第二组板32采用绝缘材料制成，优选为橡胶，第三组板33采用导电材料制成，第二组板32的上表面沿第二组板32的周向均匀开设有若干扇形的放置槽，各放置槽内均粘合有一摩擦发电薄膜37，摩擦发电薄膜37优选为聚四氟乙烯制成的摩擦发电薄膜37，摩擦发电薄膜37的上表面与第二组板32未设置放置槽的位置位于或基本位于同一平面，摩擦发电薄膜37能够与电刷35接触，第二组板32的下表面与第三组板33的上表面粘合，摩擦发电薄膜37的一端延伸至与第三组板33的上表面接触，第三组板33的下表面用绝缘胶水与转轴11下端的轴台10的上表面连接，轴台10设置有减重孔46。
45.本实施例中，四个电刷35在转动过程中会同时扫过摩擦发电薄膜37上表面或同时扫过第二组板32上表面，不断实现得失电子，一根导线连接导电板36，另一根导线连接第三组板33，最终接入管理电路当中。
46.本实施例中，还包括悬臂梁基座43，悬臂梁基座43为圆环形状，悬臂梁基座43周向阵列设有螺纹孔，悬臂梁基座43内部周向凸出八个连接小板，悬臂梁基座43通过基座固定孔50用第四固定螺钉29与下壳体8连接固定，各第一击打发电组件均包括击打式悬臂梁39和压电陶瓷42，击打式悬臂梁39的一端通过固定螺钉穿过悬臂梁固定孔49与一连接小板连接，压电陶瓷42粘合在击打式悬臂梁39的另一端，各第一击打发电组件中的压电陶瓷42均位于相应的击打式悬臂梁39的同一侧；各第二击打发电组件均包括击打梁41和质量块40，击打梁41的一端位于转动结构的轴台10的轴台槽44中，并通过固定螺钉穿过击打梁固定孔47连接于轴台10，质量块40粘合在击打梁41的另一端，转动结构转动进而带动质量块40转动并击打压电陶瓷42。
47.本实施例中，第二击打发电组件优选为两个，轴台10双侧布置有轴台槽44，两个击打梁41分别安装于两侧轴台槽44内，两个第二击打发电组件中的质量块40的朝向相反。
48.本实施例还包括电能采集电路模块，电能采集电路模块为现有技术，电能采集电路模块将击打发电区7、摩擦发电区6以及振动发电区2输出的电能，经过电路变流、整合后进行能量存储，最终向所需传感器进行供电。
49.使用时，将本实施例的煤矿井下多模式能量收集发电装置的底部安装于煤壁，将进风口和出风口伸入所需供电处的通风管道内部，将阔风口构件4对准风力始来方向。一方面，当风力进入下壳体8后，一部分风力经阻流体3进入振动发电区2，吹动钝体23带动振动悬臂梁24振动，使得振动悬臂梁24上发电薄膜22产生电能；另一部分风力吹动螺旋桨13转动，进而使得转轴11转动，在摩擦发电区6，电刷35摩擦摩擦发电薄膜37后产生电能；在击打发电区7，转轴11的转动带动轴台10旋转，使得击打梁41击打粘合在击打式悬臂梁39末端的压电陶瓷42，进而产生电能。另一方面，煤矿井下大型设备产生的振动能经煤壁传输至振动悬臂梁24，使振动发电区2的阵列式振动悬臂梁24开始工作，发电薄膜22产生电能。
50.本实施例使用简单，安装时即使进风口和出风口对换，由俯视方向，转轴11始终沿
顺时针旋转，同时使得风力驱动时直接吹动螺旋桨13进行旋转，无需较大启动惯性力；阔风口构件4外端延伸至受风面中心位置，增大了风力，并且有引导风向作用；在振动发电区2相较某些现有单一压电模式，振动悬臂梁24长度以3mm依次递减排列，拓宽了谐振频率，可在外界振动时，使得其保持最高效的输出效率；并且使得振动悬臂梁24末端钝体23与阻流体3距离不一致，可以使得在风致振动下，强度不同的风力皆可达到较大的利用率；摩擦发电结构采用四个电刷35，转动过程中增大了得失电子的频率，提高了此部分输出效率；将八块摩擦发电薄膜37与八部分绝缘部分圆周间隔排布，提升了得失电子的速率，使得输出效率提高；在击打发电区7，轴台10上装有两根击打梁41，呈180度分布，使得提高击打效率的同时，对进行发电的压电陶瓷42不会产生影响；轴台10与转轴11一体化，安装简单，且轴台10设有减重孔46，减少了工作过程中的损耗。
51.本实施例将三种发电模式合为一体，设置分割区域，其三种发电模式互不影响，提高了能量收集器的使用的稳定性和寿命；多种模式的结合使得电能的输出较现有技术单一发电模式得到了显著增强，减少了人工操作的次数，保障了生命和生产的安全；本实施例可同时收集风能和振动能，较现有技术提高了对现有能源的利用率，是一种绿新能源发电系统，并且适用场景广泛。
52.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种煤矿井下多模式能量收集发电装置，其特征在于：包括上端盖、上壳体、下壳体、振动发电结构、摩擦发电结构和击打发电结构，所述上端盖、所述上壳体和所述下壳体依次连接，所述振动发电结构位于所述上壳体的内侧，所述摩擦发电结构和所述击打发电结构均位于所述下壳体的内侧，所述摩擦发电结构包括第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件，所述击打发电结构包括第一击打发电组件和第二击打发电组件，所述下壳体的侧壁开设有进风口，风由所述进风口进入所述下壳体中，带动所述下壳体中的转动结构转动，使得所述第一摩擦发电组件和所述第二摩擦发电组件相对转动实现摩擦发电、所述第一击打发电组件和所述第二击打发电组件击打实现击打发电，由下壳体中进入上壳体的风引起的振动以及环境中的振动使得所述振动发电结构实现振动发电。2.根据权利要求1所述的煤矿井下多模式能量收集发电装置，其特征在于：所述振动发电结构包括若干振动发电组件，各所述振动发电组件均包括振动悬臂梁、发电薄膜和两个钝体，所述发电薄膜用于与导线连接，各所述振动发电组件中的所述振动悬臂梁的长度依次递增，所述振动悬臂梁的上端与所述上端盖连接，两个所述钝体分别对称设置在所述振动悬臂梁的下端的两侧，所述发电薄膜的设置在所述振动悬臂梁的一侧，且所述发电薄膜的一端与一个所述钝体接触。3.根据权利要求1所述的煤矿井下多模式能量收集发电装置，其特征在于：所述上壳体的底部设置有底板，所述振动发电结构位于所述底板的上方，所述底板上开设有通风口，所述通风口处设置有阻流体。4.根据权利要求1所述的煤矿井下多模式能量收集发电装置，其特征在于：所述下壳体的侧壁开设有出风口，所述进风口和所述出风口呈中心对称，且所述进风口和所述出风口相对受风面的中心线偏心设置，所述进风口处和所述出风口处均设置有阔风口构件，所述阔风口构件的内端伸入至所述下壳体中，且所述阔风口构件的内端具有弧度。5.根据权利要求1所述的煤矿井下多模式能量收集发电装置，其特征在于：所述转动结构包括螺旋桨和转轴组件，所述螺旋桨的位置与所述进风口对应，所述下壳体中设置有阻风板，所述螺旋桨位于所述阻风板的上方，所述螺旋桨和所述转轴组件的转轴的一端连接，所述转轴的另一端穿过所述阻风板上的第一通孔与所述下壳体底部转动连接，所述第二摩擦发电组件和所述第一击打发电组件均设置在所述转轴组件上。6.根据权利要求5所述的煤矿井下多模式能量收集发电装置，其特征在于：所述第一摩擦发电组件包括绝缘基板、导电板和电刷，所述绝缘基板与所述阻风板连接，所述绝缘基板上设置有用于所述转轴组件通过的第二通孔，所述导电板设置在所述绝缘基板上，所述导电板用于与导线连接，若干所述电刷沿所述导电板的周向均匀设置。7.根据权利要求6所述的煤矿井下多模式能量收集发电装置，其特征在于：所述第二摩擦发电组件包括第二组板和第三组板，所述第二组板采用绝缘材料制成，所述第三组板采用导电材料制成，所述第二组板的上表面沿所述第二组板的周向均匀开设有若干放置槽，各所述放置槽内均设置有一摩擦发电薄膜，所述摩擦发电薄膜能够与所述电刷接触，所述第二组板的下表面与所述第三组板的上表面连接，所述摩擦发电薄膜的一端延伸至所述第三组板，所述第三组板与所述转轴下端的轴台连接，所述第三组板用于与导线连接。8.根据权利要求1所述的煤矿井下多模式能量收集发电装置，其特征在于：各所述第一击打发电组件均包括击打式悬臂梁和压电陶瓷，所述击打式悬臂梁的一端与所述下壳体连
接，所述压电陶瓷设置在所述击打式悬臂梁的另一端；各所述第二击打发电组件均包括击打梁和质量块，所述击打梁的一端与所述转动结构连接，所述质量块设置在所述击打梁的另一端，所述转动结构转动进而带动所述质量块转动并击打所述压电陶瓷。9.根据权利要求8所述的煤矿井下多模式能量收集发电装置，其特征在于：各所述击打式悬臂梁的一端均通过悬臂梁基座与所述下壳体连接，各所述第一击打发电组件中的所述压电陶瓷均位于相应的所述击打式悬臂梁的同一侧；所述第二击打发电组件为两个，两个所述第二击打发电组件中的所述质量块的朝向相反。10.根据权利要求7所述的煤矿井下多模式能量收集发电装置，其特征在于：所述轴台设置有减重孔。

技术总结

本发明公开了一种煤矿井下多模式能量收集发电装置，涉及发电设备技术领域，包括上端盖、上壳体、下壳体、振动发电结构、摩擦发电结构和击打发电结构，摩擦发电结构包括第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件，击打发电结构包括第一击打发电组件和第二击打发电组件，风由进风口进入下壳体中，带动下壳体中的转动结构转动，使得第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件相对转动实现摩擦发电、第一击打发电组件和第二击打发电组件击打实现击打发电，由下壳体中进入上壳体的风引起的振动以及环境中的振动使得振动发电结构实现振动发电。本发明可同时收集风能和振动能，较现有技术提高了对现有能源的利用率，是一种绿新能源发电系统，并且适用场景广泛。且适用场景广泛。且适用场景广泛。