CN102518562A - 微型高效风电获取装置 - Google Patents

Abstract

一种风能获取装置，属于一种把风能转换成电能的微型高效能量获取装置。主要由导风窗1、微型风电转换组件2、微型风舵尾翼3、支承座组件4组成。导风窗1与微型风电转换组件2连接，微型风电转换组件2尾部与微型风舵尾翼3连接，微型风电转换组件2下部与支承座组件4连接。其目的在于：在风力作用下，微型风舵尾翼3跟踪风向，使导风窗1正面受风，导风窗1对来风进行聚集，使其作用在微型风电转换组件2上产生感生电动势，由此实现风能到电能的转换。该装置体积微小、重量轻，成本低，易于产品化，能满足低功耗电子设备风能采集的应用需求，特别是在野外无线传感器网络节点的能量补给领域，具有广泛的应用前景。

Description

微型高效风电获取装置

技术领域

本发明涉及一种风能获取装置，尤其是一种利用风能为动力源的超微型高效风电获取装置。

背景技术

无线传感器网络将向天、空、海、陆、地一体化综合传感器网络的方向发展，无线传感器网络与互联网的融合是下一代物联网的发展方向。无线传感器网络将最终成为现实世界和数字世界的最优接口。地球村的梦想，期待无线传感器网络技术的不断成熟和应用的日益广泛而成为现实。因此，无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。

但是，无线传感器网络与传统的无线网络不同，无线传感器网络中的节点带宽、内存等资源更为匮乏，尤其是其有限的能量资源直接影响传感器网络的生命周期以及网络的信息质量。由于传感器节点的能量通常很难得到补充，因此，就无线传感器网络的能量利用问题，形成了无线传感器网络技术的两大研究主流。一种是以节约已有的有限的能量资源为主的研究方向，在能量有限的前提下，讨论如何提高有限能量的利用率，如：研究单个节点的节能优化，通过设计低功耗硬件、通过动态电源管理等措施降低能耗，再如：研究通信协议层的节能机制，通过休眠等待、低耗路由、数据融合及功率控制等措施。这些措施的综合应用，能够有效地利用节点有限的能量，以延长网络的生命周期。这对于要求传感器节点微型化、成本低廉、生命周期不长的无线传感器网络是非常重要的。但对于要求生命周期较长，如数年、数十年甚至更长的无线传感器网络，就必须从根本上解决能量的补充问题。因此，形成了另一种是以能量补充为主的研究方向，主要讨论如何利用太阳能、风能、地热能等自然能或其它形式的能对传感器节点实施能量补充。这就保证了传感器网络的生命周期以及网络的信息质量。

目前，虽然利用太阳能、风能、地热能等自然能的技术很多，然而，由于无线传感器网络节点要求体积小、重量轻、成本低。这就要求与之配套的节点能量获取装置也必须是超微型结构。如何设计制造体积厘米级以下的超微型能量获取装置以高效地获取环境能量是该领域研究的热点问题和难点问题。

本发明是在国家自然科学基金项目、科技部创新基金项目及重庆市自然科学基金项目、重庆市科技攻关项目的联合支持下，开展“基于无线传感器网络的三峡库区水环境监系统”等相关课题的研究。为了充分利用三峡库区的风能资源，解决三峡库区水环境监网络的节点能量补给问题，提出了这种微型高效风能获取装置。

通过调研及查阅大量的文献资料表明：以风能为动力的发电装置早已出现，大多数都是以大型风电设备及装置为主，体积庞大，重量达吨量级，主要适用于风能资源丰富的高原山区及海岸区域；也有一些微型风电装置，如已公布的发明专利组合式微型风力发电机组(200910192285.2)，它包括风轮、发电机、控制装置、变速机构和支架，所述风轮包括叶片、轮轴和轮圈，轮轴和轮圈通过叶片连接；变速机构包括风轮轮圈外圆周设有的环形齿，以及发电机主轴设有的齿轮，轮圈环形齿与发电机齿轮相啮合；控制装置包括控制器和逆变器，发电机通过控制装置与蓄电池连接。本发明结构简化，设计灵活，可根据需要增加或减少风轮及发电机数量；安装方便，可安装到机动车、船、建筑物，甚至高层楼房的居民家中；风速较低(2米/秒)的情况下也能正常发电。安装到汽车上，可捕获自然风的能量，使发电机产生的电能大于汽车因增大风阻多消耗燃料的能量，停车时仍然可以通过风力发电机给蓄电池充电。再如已经公布的实用新型专利超微型风力发电机(201020139111.8)，涉及一种超微型风力发电机，包括主风翼、定向小尾翼、与定向小尾翼固定连接的主轴，该超微型风力发电机还包括与主风翼固定连接的空腔，主轴从空腔中间穿过固定在线圈上，空腔内壁对应线圈两端处设有磁铁，空腔与定向小尾翼之间的主轴下方连接支架，空腔内连接超微型发电机，支架内连接电源管理器。还有十几项实用新型专利涉及微型风力发电装置。它们的共同特点都是对现有风电设备进行小型化，所谓的超微型风力发电装置的几何尺寸达米级，重量达公斤级，主要适用于牧区、山区、农村、海滨的单家独户应用。而能达到厘米级以下的真正意义上的微型风能发电装置专利很少，如发明专利：带柔性梁结构的振动式微型风力发电机(201110081547.5)，是一种带柔性梁结构的振动式微型风力发电机，包括压电复合梁、柔性梁、质量块、安装底座和导线，其中压电复合梁由单层或多层压电层和弹性层组成，且压电层的上下表面有电极用于收集电荷，两根导线分别与上下电极联接实现电能的输出，压电复合梁的一端固定在安装底座上形成悬臂梁，柔性梁的一端固定于压电复合梁的自由端，质量块安装于压电复合梁的自由端或柔性梁的自由端。具有厘米级以下的几何尺寸，可在无线传感网络、汽车与交通、物联网等领域能够代替或者延长电池的寿命。类似的还有：一种复合式微型风力发电机(201010578881.7)、基于风致振动机理和压电效应的微型风力发电机(200910104106.5)两项发明专利。而这些真正意义上的微型风能发电装置，必须依赖于微机电系统技术(MEMS)，实现技术难度大，成本高。

通过对现有的微型风能发电技术的研究可知，现有的微型风能获取装置有两大类，一类属于对大型发电设备的小型化，其体积和重量都不能满足无线传感器网络节点的要求；另一类是基于微机电系统技术(MEMS)微型风能获取装置，虽然能满足无线传感器网络节点对体积和重量的要求，但实现技术难度大，成本高，难于推广使用。

为此，发明了一种专门用于微电子低功耗电子设备供能的微型风能能采集装置，该装置具有风能采集效率高、体积微小、重量轻、成本低等特点。可有效满足低功耗电子设备风能采集的应用需求，特别是在野外无线传感器网络节点的能量补给领域，具有广泛的应用前景。

本发明的出现，为开发利用环境中的风能资源，构建一种具有长效机制的新型传感器网络，由此彻底解决现有节点的能量有限问题以延长网络生存时间，进而解决因节点能量有限问题而引起的网络信息质量问题，这将为大规模传感器网络的发展提供理论和技术支撑，具有重要的理论价值和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有风能获取装置的不足，提供一种微型风能获取装置。本发明主要采用微型空心杯电机原理制作微型高效风力发电机、采用导风窗进行导风、采用螺旋型组合式风叶轮作风动力驱动装置等措施，实现风能获取装置的微型化和高效化，并储存在蓄电池或超级电容中，以实现对微电子低功耗设备及无线传感器网络节点的电能补给。

本发明在设计制作时，采用了新材料和新工艺：在风能利用方面，采用导风窗进行风导和聚集，以增大风力，并采用螺旋型组合式风叶轮作风动力驱动装置，以提高风的利用率；在提高机电转换效率方面，采用微型空心杯电机原理制作微型高效风力发电机。从而使其能量转换效率大大提高、故障率大大降低、整体寿命延长、体积和重量以及制造成本大大降低。

为了实现上述发明的目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明所涉及的微型高效风能获取装置，其总体组成如图1所示：主要由导风窗1、微型风电转换组件2、微型风舵尾翼3、支承座组件4组成。导风窗1与微型风电转换组件2连接，微型风电转换组件2尾部与微型风舵尾翼3连接，微型风电转换组件2下部与支承座组件4连接。

导风窗1，由轻质防水防腐材料制成，其外形喇叭状，以便增大受风面积并进行风导和聚集，达到增大风力的作用。

微型风电转换组件2，是本发明的风电转换部分，如图2所示：主要由螺旋型风叶5、空心杯电机6、空心杯电机支承座7、壳体8组成。螺旋型风叶5的中心孔与空心杯电机6的轴连接，空心杯电机6与空心杯电机支承座7的内环连接，空心杯电机支承座7的外环与壳体8连接。

微型风舵尾翼3，由轻质防水防腐材料制成，微型风舵尾翼3的翼杆部分与壳体8的尾部连接。

支承座组件4，由防水防腐材料制成，用于支承整个微型高效风电获取装置，如图3所示：主要由支承座左半部分9、支承座右半部分10、微型整流器11、微型电能储存器12组成。支承座左半部分9与支承座右半部分10均为空心结构并采用自攻螺丝连接，其内部空间用于安装微型整流器11和微型电能储存器12。

螺旋型风叶5，由轻质防水防腐材料制成，成螺旋状，以提供采风效率。

空心杯电机6，采用微型高效交流空心杯电机技术，以减小体积和提高转换效率的作用。

空心杯电机支承座7，由轻质防水防腐材料制成，其中心环用于固定空心杯电机6，外环与壳体8连接。

壳体8，由轻质防水防腐材料制成，成管状结构。其前端与导风窗1连接固定；其中部内面与空心杯电机支承座7的外环连接固定；其中后部通过一轴承与支承座组件4的上端连接；其尾部与微型风舵尾翼3的翼杆连接固定。

支承座左半部分9、支承座右半部分10，由防水防腐材料制成，其内部为空心结构，用于安装微型整流器11和微型电能储存器12，安装完毕后采用自攻螺丝连接固定。

微型整流器11，为四个肖特基二极管构成桥式整流器，成圆柱形封装，易于安装在支承座组件4内部；肖特基二极管具有较低的正向电压降，以通过整流效率。

微型电能储存器12，采用圆柱型高功率蓄电池或超级电容器组成，成圆柱形封装，便于安装在支承座组件4内部。

本发明的电气联接关系如图4所示：微型整流器11的两个交流电源输入端分别与空心杯电机6的线圈首、尾端相联，微型整流器11的正、负端分别与微型电能储存器12的正、负端对应相联。

本发明的基本工作原理如下：

在风力作用下，微型风舵尾翼3跟踪风向，使导风窗1正面受风，导风窗1对来风进行聚集，使其作用在螺旋型风叶5上，螺旋型风叶5开始高速旋转，由此带动空心杯电机6的转子高速旋转，进而在空心杯电机6的线圈两端产生感生电动势，接上负载微型整流器11、微型电能储存器12则产生感生电流，由此实现风能到电能的转换，并将电能储存在微型电能储存器12中。

本发明专利具有以下特点：

1、采用了导风窗技术，导风窗1由轻质防水防腐材料制成，其外形喇叭状，能增大受风面积并进行导风和聚风，达到增大风力的作用，使其该微型高效风能获取装置能在微风作用下工作。

2、采用了空心杯技术，电磁铁采用高性能烧结钕铁硼磁体，以提供最大磁通密度；线圈采用细铜丝密绕工艺，以提高有效匝数。采用微细精密加工技术和微型化封装技术，以提高能量转换效率，最终实现风能获取装置的微型化。

3、该微型高效风能获取装置的体积小、重量轻，制作成本低，易于产品化，能满足低功耗电子设备风能采集的应用需求，特别是在野外无线传感器网络节点的能量补给领域，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1微型高效风能获取装置总体图。

图2微型风电转换组件2图。

图3支承座组件4图。

图4微型高效风能获取装置电器联接图。

具体实施方式

实施例：见图1、图2、图3，采用0.2mm镁铝合金薄板压制导风窗1、微型风舵尾翼3，采用1mm镁铝合金薄板压制壳体8、支承座左半部分9、支承座右半部分10。风窗1的尾部与壳体8的前部连接固定。壳体8的尾部与微型风舵尾翼3的翼杆连接固定。壳体8的中部内面与空心杯电机支承座7的外环连接固定。壳体8的中后下部通过轴承与支承座左半部分9的轴连接固定，使其导风窗1、微型风电转换组件2、微型风舵尾翼3能在水平360度范围内跟踪风向。导风窗1正面受风，导风窗1对来风进行聚集，使其作用在螺旋型风叶5上，螺旋型风叶5开始高速旋转，由此带动空心杯电机6的转子高速旋转，进而在空心杯电机6的线圈两端产生感生电动势，由此实现风能到电能的转换。为了便于引出空心杯电机6的线圈电极，通过壳体8与支承座左半部分9的连接轴处的导电滑环，将线圈接上微型整流器11、微型电能储存器12以产生感生电流，并将电能储存在微型电能储存器12中。

Claims (5)

1.微型高效风能获取装置，其特征在于：由导风窗1、微型风电转换组件2、微型风舵尾翼3、支承座组件4组成。导风窗1与微型风电转换组件2连接，微型风电转换组件2尾部与微型风舵尾翼3连接，微型风电转换组件2下部与支承座组件4连接。

2.根据权利要求1所述的微型高效风能获取装置，其特征在于：导风窗1，由轻质防水防腐材料制成，其外形喇叭状，以便增大受风面积并进行风导和聚集，达到增大风力的作用。

3.根据权利要求1所述的微型风能采集装置，其特征在于：微型风电转换组件2，是本发明的风电转换部分，主要由螺旋型风叶5、空心杯电机6、空心杯电机支承座7、壳体8组成。螺旋型风叶5的中心孔与空心杯电机6的轴连接，空心杯电机6与空心杯电机支承座7的内环连接，空心杯电机支承座7的外环与壳体8连接。

4.根据权利要求1所述的微型风能采集装置，其特征在于：支承座组件4，由防水防腐材料制成，用于支承整个微型高效风电获取装置，主要由支承座左半部分9、支承座右半部分10、微型整流器11、微型电能储存器12组成。支承座左半部分9与支承座右半部分10均为空心结构并采用自攻螺丝连接，其内部空间用于安装微型整流器11和微型电能储存器12。

5.根据权利要求1所述的微型风能采集装置，其特征在于：微型整流器11的两个交流电源输入端分别与空心杯电机6的线圈首、尾端相联，微型整流器11的正、负端分别与微型电能储存器12的正、负端对应相联。

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