一种道路阵风自供电装置、道路监测系统及警示灯的制作方法

本发明涉及风力发电，具体地涉及一种道路阵风自供电装置、道路监测系统及警示灯。

背景技术：

1、在城市交通网线的建设规划中，为了提高夜间交通的安全性，通常会在道路两侧设置大量的监控设备和灯光警示装置。比如道路两旁设置的公共安全路灯、路牌、摄像头，不仅提高了夜间行人的安全，还有助于提高夜间行车驾驶的安全性，从而降低夜间交通事故的风险。但是此类电子设备的供电方式一般为电网供电，而偏远地区的长距离电网供电存在成本高昂且难以维护的问题。因此，实现这类电子设备的自供电是有非常必要的。

2、风能是一种清洁环保、储量丰富的资源。与其他类型资源相比，风能不会给环境造成污染，而且可再生。现有技术中，将风能转换成机械能主要采用以下两种发电装置，即旋转式风力机和电磁式发电机。

3、由于道路旁在车辆高速通过时产生的阵风具有无规则、低频、高风速的特点，常规的旋转式风力发电机在这种激励下，会出现突然高速旋转和无法持续运转的现象，导致旋转式风力发电机容易损坏、发电效率低。而电磁式发电机，在低频阵风条件下也存在发电效率低的问题。

技术实现思路

1、本技术发明人在研究过程中发现：一方面，道路旁在车辆高速通过时产生的阵风具有无规则、低频、高风速的特点，对于此类风，无需旋转和无叶片的圆柱绕流涡激振动的形式更适合用来把这种风能转换为机械能。另一方面，基于摩擦起电与静电感应耦合原理的摩擦纳米发电机(teng)可以有效地将机械能转换为电能输出。摩擦纳米发电机具有高电压、低电流的特点。相比于电磁式发电机的电压与电流都与频率成正比，摩擦纳米发电机的输出电压与频率无关，电流与频率成正比，所以摩擦纳米发电机在低频下有着更好的输出性能和能量转换效率。由于车辆引起的阵风具有低频偶发的特点，因此采用摩擦纳米发电机可以更有效地将低频的机械能转换为电能输出。

2、基于此，本发明实施例第一方面提供了一种道路阵风自供电装置，该供电装置将圆柱涡激振动机构和摩擦纳米发电机的优势相结合，可以实现对阵风能量的有效收集和利用，该供电装置包括：风能收集单元、以及发电单元；

3、所述风能收集单元包括空腔柱体，所述空腔柱体在阵风激励下产生涡激振动以收集风能，并将风能转换为驱动位于所述空腔柱体的内部的发电单元工作的机械能；以及

4、所述发电单元包括摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机用于将所述机械能转换为电能输出；其中，

5、所述摩擦纳米发电机为折叠式摩擦纳米发电机、嵌套式摩擦纳米发电机、以及多层摩擦纳米发电机中的任意一种；其中，

6、所述折叠式摩擦纳米发电机包括：至少一组折叠电极板、以及摆动部件；所述折叠电极板包括至少两块相连接的电极板，且沿径向可伸展或收缩，所述两块相连接的电极板构成一个摩擦纳米发电机；所述摆动部件位于所述空腔柱体的轴心位置；所述空腔柱体在风力作用下振动使所述摆动部件摆动，所述摆动部件在摆动时挤压周围的折叠电极板，使每组折叠电极板内的电极板之间距离发生变化，通过静电感应产生电能；

7、所述嵌套式摩擦纳米发电机包括：外侧电极板、以及中间电极板；所述外侧电极板的一侧固定在所述空腔柱体的内壁面，所述外侧电极板的另一侧与所述中间电极板相邻且存在间隔距离，所述中间电极板可滑动；所述空腔柱体在风力作用下振动，带动所述中间电极板滑动，所述中间电极板与所述外侧电极板相互接触摩擦产生电能，所述中间电极板和所述外侧电极板构成一个摩擦纳米发电机；

8、所述多层摩擦纳米发电机包括：多层结构，所述多层结构内的每一层包括发电小球以及电极板，所述电极板的表面包括至少两个金属导电摩擦层，且所述金属导电摩擦层之间存在间隔距离；所述空腔柱体在风力作用下振动使所述多层结构倾斜，所述发电小球在所述金属导电摩擦层之间滚动跨越产生电能，所述多层结构内的每一层构成一个摩擦纳米发电机。

9、可选的，所述嵌套式摩擦纳米发电机的摆动部件为摆锤；

10、所述摆锤包括连接绳、连接杆、挤压块以及重块；其中，

11、所述连接绳嵌套在所述连接杆的内部，所述连接绳的一端固定在所述空腔柱体的端口顶部的中心点位置；

12、所述挤压块和所述重块固定在所述连接杆上；

13、所述重块设置在所述连接杆底部，用于增加所述摆锤的动量；所述挤压块设置在所述重块上方，用于在摆锤主体摆动时挤压所述折叠电极板。

14、可选的，所述风能收集单元包括端板，所述端板位于所述空腔柱体的端口顶部，用于对所述空腔柱体的端口进行密封；

15、所述摆锤的所述连接绳的一端固定在所述端板的中心点位置。

16、可选的，所述折叠式摩擦纳米发电机还包括：三角形限位块；

17、所述三角形限位块位于相邻两组所述折叠电极板之间，用于限制所述折叠电极板的活动范围。

18、可选的，所述折叠式摩擦纳米发电机的每组折叠电极板包括第一电极板、第二电极板、第三电极板以及铰链；

19、所述第一电极板、第二电极板、和第三电极板由所述铰链连接后呈“n”型，所述第一电极板与所述第二电极板构成一个摩擦纳米发电机，所述第二电极板与第三电极板构成一个摩擦纳米发电机。

20、可选的，所述第一电极板依次层叠：基板、柔性缓冲层、金属电极导电层以及摩擦电材料摩擦层；

21、所述第二电极板包括：基板，所述基板位于所述第二电极板的中间层，以所述基板为中心，对称分布设置柔性缓冲层以及金属电极导电摩擦层，且所述基板与所述柔性缓冲层相邻；

22、所述第三电极板依次层叠：基板、柔性缓冲层、金属电极导电层以及摩擦电材料摩擦层。

23、可选的，所述嵌套式摩擦纳米发电机还包括内侧电极板；

24、所述内侧电极板位于所述空腔主体的轴心与所述中间电极板之间，所述内侧电极板与所述中间电极板相邻，所述内侧电极板可滑动；所述空腔柱体在风力作用下振动，带动所述内侧电极板滑动；所述内侧电极板与所述中间电极板相互接触摩擦产生电能，所述内侧电极板与所述中间电极板构成一个摩擦纳米发电机。

25、可选的，所述外侧电极板依次层叠：柔性缓冲层、金属电极导电层、以及摩擦电材料摩擦层；

26、所述中间电极板包括基板，所述基板位于所述中间电极板的中间层，以所述基板为中心，对称分布设置柔性缓冲层以及金属电极导电摩擦层，所述基板与所述柔性缓冲层相邻。所述内侧电极板依次层叠：摩擦电材料摩擦层、金属电极导电层、柔性缓冲层。

27、可选的，所述嵌套式摩擦纳米发电机的内侧电极板还包括配重块，所述配重块层叠于所述内侧电极板的柔性缓冲层上，所述配重块在风力作用下发生位移，带动所述内侧电极板滑动。

28、可选的，所述多层摩擦纳米发电机的电极板还包括基板；所述基板位于多层摩擦纳米发电机的电极板的所述金属电极导电摩擦层的下方。

29、可选的，所述空腔柱体为圆柱。

30、可选的，所述空腔柱体的外侧设置有凸起；

31、所述空腔柱体的外侧设置的凸起为椭圆形，且均匀分布。

32、可选的，所述风能收集单元还包括：底座、弹簧调节座、弹簧、以及连接座；其中，

33、所述底座用于连接所述供电装置的主体和地面或支架；

34、所述弹簧调节座用于连接所述底座与所述弹簧，并设置了调节螺丝，用于调节所述弹簧的角度以使所述供电装置主体垂直；

35、所述连接座用于连接所述弹簧与所述空腔柱体，并设置了多个螺孔，通过螺栓螺母固定所述连接座与所述空腔柱体；

36、所述空腔柱体在所述弹簧的支撑下实现振动或摆动。

37、可选的，所述空腔柱体采用模块化设计，通过螺栓螺母连接多个所述空腔柱体以增加空腔柱体的数量。

38、可选的，该供电装置包括电源管理电路，所述电源管理电路与所述发电单元相连接，用于将所述发电单元输出的电能进行整流以及存储。

39、本发明实施例第二方面提供一种道路监测系统，包括该供电装置，以及传感器；

40、所述供电装置用于给所述传感器供电；

41、所述传感器在通电后收集道路环境信息，以及将所述道路环境信息发送至远程服务器；

42、远程服务器对接收到的所述道路环境信息进行分析处理。本发明实施例第三方面提供一种警示灯，包括该供电装置以及指示灯，所述供电装置用于给所述指示灯供电。

43、通过上述技术方案，发明实施例基于涡激振动和摩擦纳米发电机提供了一种道路阵风自供电装置，可以收集常规风机难以收集利用的阵风能量，并通过对圆柱表面设计凸起外形提高圆柱的风致振动幅度，利用摩擦纳米发电机适合低频激励的特点，可以高效地将低频机械能转换为电能输出。

44、本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。