本發(fā)明涉及電力設(shè)備供電領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)合高效超級(jí)電容器的低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電力設(shè)備及輸電線(xiàn)路運(yùn)行工作狀況的監(jiān)測(cè)對(duì)于預(yù)防事故、確保電網(wǎng)運(yùn)行安全具有重要意義。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的供能問(wèn)題一直是制約其功能的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，大部分在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置都采用了低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備，例如低功耗傳感芯片，但其穩(wěn)定的供能問(wèn)題仍待解決。

現(xiàn)有的解決方案依然采取傳統(tǒng)的供能方式，即利用化學(xué)能電池作為主要的能量供給源。雖然化學(xué)能電池以其使用方便而被廣泛采用，但其使用過(guò)程中的較多缺點(diǎn)也引起人們的日益關(guān)注，一是在微機(jī)電系統(tǒng)中，化學(xué)能電池及其附屬裝置占據(jù)了相當(dāng)大的一部分空間和重量；二是化學(xué)能電池制作、使用過(guò)程中的材料浪費(fèi)、環(huán)境污染及回收困難等問(wèn)題日益突出；三是化學(xué)能電池的使用壽命較短，且隨著電壓的下降，整個(gè)系統(tǒng)的性能會(huì)降低。新的供能技術(shù)研究十分關(guān)鍵。

因此，如何設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、無(wú)污染、易加工和易實(shí)現(xiàn)微小型化、集成化的結(jié)合高效超級(jí)電容器的低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電系統(tǒng)，是本領(lǐng)域的技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供的一種結(jié)合高效超級(jí)電容器的低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電系統(tǒng)，為低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備提供了穩(wěn)定、可靠且有效的供電來(lái)源，進(jìn)而保證了電力設(shè)備上的低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠運(yùn)行。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

結(jié)合高效超級(jí)電容器的低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電系統(tǒng)，低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置為供電電壓在1v至5v之間的用電裝置，且其設(shè)置在電力設(shè)備的外壁上；所述供電系統(tǒng)包括依次電連接的電能提供單元、電能轉(zhuǎn)換裝置及電能存儲(chǔ)裝置；

所述電能提供單元與所述電力設(shè)備的外壁緊密貼合；

所述電能存儲(chǔ)裝置與所述低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置電連接。

優(yōu)選的，所述電能提供單元包括金屬板和分別固定在所述金屬板兩面的多晶壓電材料板；

其中一塊所述多晶壓電材料板與所述電力設(shè)備的外壁緊密貼合。

優(yōu)選的，所述金屬板的板面的面積大于所述多晶壓電材料板的板面積；

所述金屬板上的未安裝有所述多晶壓電材料板的部分裸露板面為固定板面；

所述固定板面固定在靠近所述電力設(shè)備的外壁處。

優(yōu)選的，所述金屬板為L(zhǎng)型金屬板；兩個(gè)所述多晶壓電材料板分別安裝在所述L型金屬板的長(zhǎng)板的兩面；所述L型金屬板的短板為所述固定板面；

其中一塊所述多晶壓電材料板緊密夾設(shè)在所述長(zhǎng)板與所述在所述電力設(shè)備的外壁之間；

所述固定板面用地腳螺栓固定在所述地腳上。

優(yōu)選的，所述電能存儲(chǔ)裝置為平板式超級(jí)電容器。

優(yōu)選的，所述平板式超級(jí)電容器包括均為板式且串聯(lián)的首單元及末單元；

所述首單元從上到下依次包括出線(xiàn)正電極、雙電容器層及多孔金屬集電極；

所述末單元從上到下依次包括多孔金屬集電極、雙電容器層及出線(xiàn)負(fù)電極；

相鄰的兩個(gè)所述多孔金屬集電極連接。

優(yōu)選的，所述首單元與末單元之間設(shè)有連接單元；

所述連接單元包括兩個(gè)所述多孔金屬集電極和夾設(shè)在兩個(gè)所述多孔金屬集電極之間的雙電容器層。

優(yōu)選的，所述雙電容器層包括兩個(gè)石墨烯多孔碳電極及夾在兩個(gè)所述石墨烯多孔碳電極之間的隔膜；

所述隔膜的兩面均填充有電解液。

從上述的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供了結(jié)合高效超級(jí)電容器的低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電系統(tǒng)，包括依次電連接的電能提供單元、電能轉(zhuǎn)換裝置及電能存儲(chǔ)裝置，電能提供單元與電力設(shè)備的外壁緊密貼合；電能存儲(chǔ)裝置與低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置電連接；電能提供單元包括金屬板和分別固定在所述金屬板兩面的多晶壓電材料板；其中一塊多晶壓電材料板與電力設(shè)備的外壁緊密貼合；電能存儲(chǔ)裝置為平板式超級(jí)電容器。本發(fā)明提出的供電系統(tǒng)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、無(wú)污染、易加工和易實(shí)現(xiàn)微小型化、集成化的優(yōu)點(diǎn)，為低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備提供了穩(wěn)定、可靠且有效的供電來(lái)源，進(jìn)而保證了電力設(shè)備上的低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠運(yùn)行。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果：

1、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案中，通過(guò)依次電連接的電能提供單元、電能轉(zhuǎn)換裝置及電能存儲(chǔ)裝置，電能提供單元與電力設(shè)備的外壁緊密貼合；電能存儲(chǔ)裝置與低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置電連接；電能提供單元包括金屬板和分別固定在所述金屬板兩面的多晶壓電材料板；其中一塊多晶壓電材料板與電力設(shè)備的外壁緊密貼合；電能存儲(chǔ)裝置為平板式超級(jí)電容器。本發(fā)明提出的供電系統(tǒng)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、無(wú)污染、易加工和易實(shí)現(xiàn)微小型化、集成化的優(yōu)點(diǎn)，為低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備提供了穩(wěn)定、可靠且有效的供電來(lái)源，進(jìn)而保證了電力設(shè)備上的低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠運(yùn)行。

2、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，采用的壓電材料采用多元單晶壓電體，壓電系數(shù)為傳統(tǒng)壓電陶瓷的3倍；其使用壽命長(zhǎng)；采用環(huán)境振動(dòng)實(shí)現(xiàn)能量收集，原理上可以獲得長(zhǎng)期可靠的電量供應(yīng)，其使用壽命僅取決于能量收集裝置本身；清潔環(huán)保，無(wú)污染。該種能量收集技術(shù)主要是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的耦合，工作過(guò)程不 會(huì)產(chǎn)生污染廢棄物，是一種典型的綠色技術(shù)；通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)與微機(jī)電系統(tǒng)的集成，符合現(xiàn)代電子器件及產(chǎn)品日趨微型化發(fā)展的趨勢(shì)。

3、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，發(fā)電動(dòng)力依托于電力設(shè)備及輸電線(xiàn)路運(yùn)行時(shí)期自身振動(dòng)，發(fā)電源持續(xù)、穩(wěn)定，環(huán)保無(wú)污染。

4、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，可作為新增配件依附于現(xiàn)有在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，不必全部更換整套裝置。

5、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，石墨烯電極的使用；具有超高導(dǎo)電性能和巨大的比表面積，較傳統(tǒng)的活性碳電極而言可大幅提高現(xiàn)有超級(jí)電容器的儲(chǔ)能密度，達(dá)到8Wh/L,同時(shí)具有功率密度高、可快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)；另一方面，由于超級(jí)電容器內(nèi)阻遠(yuǎn)小于化學(xué)電池內(nèi)阻，可以經(jīng)由微小電流(uA級(jí))充電，非常適用于微能量收集系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)形式上，

6、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，采用平板式超級(jí)電容器；更易與壓電裝置及設(shè)備本體結(jié)合，整體體積利用率高。

7、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，L型的金屬板的固定板通過(guò)地腳螺栓固定在電氣設(shè)備的地腳上，形成垂直懸臂式壓電發(fā)電裝置；保證了電氣設(shè)備與金屬板上的壓電材料的緊密貼合。

8、本發(fā)明提供的技術(shù)方案，應(yīng)用廣泛，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)合高效超級(jí)電容器的低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的供電系統(tǒng)與電力設(shè)備的連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的供電系統(tǒng)中的電能存儲(chǔ)裝置得結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1-電能提供單元、2-電能轉(zhuǎn)換裝置、3-電能存儲(chǔ)裝置、4-電力設(shè)備、5-低功 耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置、6-金屬板、601-長(zhǎng)板、602-固定板、7-多晶壓電材料板、8-地腳、9-平板式超級(jí)電容器、10-首單元、11-末單元、12-出線(xiàn)正電極、13-雙電容器層、14-多孔金屬集電極、15-出線(xiàn)負(fù)電極、16-連接單元、17-石墨烯多孔碳電極、18-隔膜、19-地腳螺栓。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明提供結(jié)合高效超級(jí)電容器的低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電系統(tǒng)，低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置5為供電電壓在1v至5v之間的用電裝置，且其設(shè)置在電力設(shè)備4的外壁上；供電系統(tǒng)包括依次電連接的電能提供單元1、電能轉(zhuǎn)換裝置2及電能存儲(chǔ)裝置3；

電能提供單元1與電力設(shè)備4的外壁緊密貼合；

電能存儲(chǔ)裝置3與低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置5電連接。

電能提供單元1包括金屬板6和分別固定在金屬板6兩面的多晶壓電材料板7；多晶壓電材料的壓電系數(shù)為傳統(tǒng)壓電陶瓷的3倍，且能將機(jī)械能應(yīng)變振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)壓電元件施加機(jī)械變形時(shí)，就會(huì)引起其內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)移動(dòng)而產(chǎn)生的極化，從而導(dǎo)致壓電元件兩個(gè)表面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，而且電荷密度與外力大小成比例，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為正壓電效應(yīng)。

多晶壓電材料具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、無(wú)污染、易加工和易實(shí)現(xiàn)微小型化、集成化的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在自供電電源研究領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。

電力設(shè)備4或輸電導(dǎo)線(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中，振動(dòng)是不可避免的，這為利用壓電振子將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能提供了工作環(huán)境；其作為基于微能量收集與管理的自供電電源中的電能產(chǎn)生裝置是解決傳感器等低功耗產(chǎn)品電能供應(yīng)的理想方法。

其中一塊多晶壓電材料板7與電力設(shè)備4的外壁緊密貼合。

金屬板6的板面的面積大于多晶壓電材料板7的板面積；

金屬板6上的未安裝有多晶壓電材料板7的部分裸露板面為固定板602面；

固定板602面固定在靠近電力設(shè)備4的外壁處。

本實(shí)施例中,低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備為低功耗傳感器芯片；電力設(shè)備4為變壓器。

如圖2所示，金屬板6為L(zhǎng)型金屬板6；兩個(gè)多晶壓電材料板7分別安裝在L型金屬板6的長(zhǎng)板601的兩面；L型金屬板6的短板為固定板602面；

其中一塊多晶壓電材料板7緊密夾設(shè)在長(zhǎng)板601與在電力設(shè)備4的外壁之間；

固定板602面用地腳螺栓19固定在地腳8上；形成垂直懸臂式壓電發(fā)電裝置，充電至平板式超級(jí)電容器9后，為原有布置在變壓器各處的低功耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備供電。通過(guò)電力設(shè)備4振動(dòng)使得壓電材料1產(chǎn)生形變從而產(chǎn)生的電荷經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)聯(lián)系至電能轉(zhuǎn)換裝置2，轉(zhuǎn)換為對(duì)高儲(chǔ)能密度石墨烯基超級(jí)電容器9充電的直流電，超級(jí)電容器9對(duì)負(fù)載即變壓器在線(xiàn)監(jiān)傳感器供電。

電能存儲(chǔ)裝置3為平板式超級(jí)電容器9；微小電流充電至基于石墨烯基技術(shù)的平板式超級(jí)電容器9，其儲(chǔ)能密度高，內(nèi)阻小，充電性能及環(huán)保性?xún)?yōu)于電池，微小電流亦可存儲(chǔ)。

平板式超級(jí)電容器9包括均為板式且串聯(lián)的首單元10及末單元11；

首單元10從上到下依次包括出線(xiàn)正電極12、雙電容器層13及多孔金屬集電極14；

末單元11從上到下依次包括多孔金屬集電極14、雙電容器層13及出線(xiàn)負(fù)電極15；

相鄰的兩個(gè)多孔金屬集電極14連接。

如圖3所示，首單元10與末單元11之間設(shè)有連接單元16；在本實(shí)施例中,以3個(gè)連接單元16為例；

連接單元16包括兩個(gè)多孔金屬集電極14和夾設(shè)在兩個(gè)多孔金屬集電極14之間的 雙電容器層13；多孔金屬集電極14分別和本小單體的一個(gè)石墨烯基碳電極以及相鄰下一個(gè)串聯(lián)小單元的第一個(gè)石墨烯基碳電極組成兩對(duì)電極。串聯(lián)單元的電壓為2.7V*(2+3)＝13.5V。區(qū)別于傳統(tǒng)的卷繞式超級(jí)電容器9，本專(zhuān)利所采用的平板式超級(jí)電容器9更易與壓電裝置及變壓器本體結(jié)合，整體體積利用率高。

雙電容器層13包括兩個(gè)石墨烯多孔碳電極17及夾在兩個(gè)石墨烯多孔碳電極17之間的隔膜18；石墨烯具有超高導(dǎo)電性能和巨大的比表面積，較傳統(tǒng)的活性碳電極而言可大幅提高現(xiàn)有超級(jí)電容器9的儲(chǔ)能密度，達(dá)到8Wh/L,同時(shí)具有功率密度高、可快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)；另一方面，由于超級(jí)電容器9內(nèi)阻遠(yuǎn)小于化學(xué)電池內(nèi)阻，可以經(jīng)由微小電流(uA級(jí))充電，非常適用于微能量收集系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)形式上，本專(zhuān)利采用平板式超級(jí)電容器9，更易與壓電裝置及設(shè)備本體結(jié)合，整體體積利用率高。

隔膜18的兩面均填充有電解液。

本發(fā)明提供的供能系統(tǒng)是附加在此振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置上，利用電力設(shè)備或輸電線(xiàn)路工作時(shí)自身的振動(dòng)使壓電材料產(chǎn)生形變，轉(zhuǎn)換為持續(xù)的微小電能，充電至高儲(chǔ)能密度超級(jí)電容器，替代電池為振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器供電。

以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，而這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。