CN103299534B - 无叶片风力发电机 - Google Patents
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Abstract
在第一实施例中，风-能转换系统由多个模块化发电单元(110)构成，每个模块化发电单元(110)包括36个气道(106)。每个气道(106)使用安装在瀑布状框架(104)中的悬臂阵列构成，每个悬臂(102)在其一边缘处附接至框架(104)的窗口边缘。悬臂(102)由夹在两层之间的黄铜(130)层构成，每一层由附接至聚偏氟乙稀(PVDF)(128)层的电极(126)构成。每个模块化发电单元(110)安装在外壳(108)中，多组外壳安装在附接至基架(116)的嵌板(114)中。悬臂阵列(117)通过导线一起接入调节电路中，从而以高的风-电转换效率发电。还披露了其它实施例。
Description
本申请要求由本发明人于2010年8月30日提交的美国临时专利申请No61/378068的权益。该临时专利申请的全部内容作为引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及通过风的运动能量来发电。
背景技术
当前的风力发电机总体上采用风力涡轮机和电机来发电。这些系统是低效的，并且构造和维护起来是昂贵的。它们还是嘈杂的、不耐损坏的，并且相对难以运输和组装1,2。它们还涉及安全和环境问题。不幸地，尽管已经提出了一些方法，但是紧凑的、模块化的、无叶片的风力发电系统是不存在的。其发展的潜在优点包括减少噪音、尺寸和成本，同时与改善的便携性、效率和成本效益结合。
无叶片的风力发电机的设计的最普遍方法是基于电动力学现象，其涉及静电和处于液相的带电介质之间的相互作用。电动系统需要设计成将空气运动转换为液体运动，并分离和采集用于电输出的电荷。气-液和液-固界面必须包含在这样的系统中，导致十分低的转换效率和高制造成本。例如，Marks19773年的美国专利2406396“Chargedaerosolgeneratorwithuni-electrodesource”提出了一种无叶片式离子风发电机，其通过使用风将带电气溶胶(水滴)从一个电极泵送到另一个电极来直接生产电能，而不需要任何移动部件。显然，为了使带电气溶胶从一个电极移动到另一个电极损失了风的大部分动能。DanielYKwok等人的“Electrokineticmicrochannelbatterybymeansofelectrokineticandmicrofluidicphenomena”,JournalofMicromechanicsandMicroengineering,13,964-970,20034提出了一种从微通道中的压力驱动液体流中提取能量的微流体方法。
然而，该方法也呈现低效率和高成本，因为其需要额外的能量吸收过程以在微通道中驱动液体流，在微通道中，由于在液体和微通道壁之间的界面中存在电偶层，所以仅感生微弱的电流。
发明内容
本发明是一种将风的运动转换为电力的新方法。该方法基于压电效应的作用，即某些材料的熟知特性，当这些材料经受应变和应力时产生电力。例如，在诸如麦克风等装置中，声音振动可在压电晶体上产生足够的应力和应变以产生电流。基于纳米科技的最近成就，现在可以组装新的、低成本的、微尺寸的晶体以制造更有效的压电材料。
本发明的第一实施例包含压电材料，其作为元件插入独特设计的气道(airjettunnel)的侧壁中以形成无叶片的风能-电力(WindEnergytoPower,WEP)系统。更确切地说，该系统使用(1)薄的黄铜层，夹在两个聚偏氟乙稀(PVDF)层之间以形成具有高压电转换效率的悬臂；(2)独特的气道和具有高性能系数的声子连串构造(phononiccascadeconfiguration)；以及(3)紧凑的模块化发电单元设计。
本发明第一实施例具有优于现有技术的以下优点：
·无叶片：WEP系统不包含旋转的叶片或机械移动部件。
·静音作业：因为不包含机械移动部件，WEP系统十分安静，而机械移动部件是声振动的主要来源，并且悬臂阵列由不会产生可由人类感知的声频的压电聚合物制成。独特的声子结构设计和声音屏蔽外壳会有效地抑制声音传播。
·模块化：WEP系统通过可重复且模块化的小基本单元得以组装，其充当可组合为任意尺寸和形状以提供风力发电机的构建块。
·高效率：独特的WEP设计包括其成串下落的（cascading）声子阵列和气道构造、PVDF-黄铜-PVDF夹层悬臂、悬臂与内壁的高表面面积比、进气窗与出气窗的特定比例以及纵横比(气道的平均横截面与长度之比)，以确保WEP系统具有十分高的能量转换效率。
·低成本：与基于现有风力涡轮发电机或动电学的方法不同，WEP技术不需要昂贵的器材和微结构制造工艺。WEP技术维护较少、高度耐用并且极具成本效益。
·结实且轻量：诸如气道、框架和外壳材料等所有使用的材料是轻且结实的。
这些优点可通过以下独特的创新来实现：
·具有侧悬臂阵列的小型气道的应用；
·作为动电转换装置的PVDF-黄铜-PVDF夹层压电悬臂的合并；
·专门设计且构造成用于气道和夹层悬臂阵列的成串下落的声子结构的结合。
市场潜力：本发明代表风能-电力转换的重大进展，并将获得更有效、成本更低的风力发电机。这些发电机在各种各样的应用中提供益处，因为与现有的风力涡轮机系统相比，它们的噪声更低、效率更高、成本更低且适应性更强。这些系统可代表风能转换器的未来，因为它们能够将风力发电的成本降低到与矿物燃料更具竞争力的水平。因此，它们可在风力发电机的快速增长的全球市场中竞争，它们具有多个优于当前系统的优点，包括较高的电转换效率、较低的制造成本、没有机械移动部件而导致的较低维护成本、更长的寿命以及模块化设计所带来的更强的适应性。这些优点开拓了这些系统的潜在价值，以使可再生、无污染的风力发电在全球电力市场中更能与矿物燃料竞争。因此，该新技术具有巨大的、积极的社会、环境和能源影响。
风力发电目前生产全球用电的约1.5%，并在多个国家中已成为重要的发电源。2008年，风力发电的全球最新装机容量是27000兆瓦特(MW)8，与2007年相比增加了29%。2008年底全球总发电量为121188MW，发电260太瓦时(TWh)。国际风能协会(WWEA)预计装机容量会以非常快的速度增长，并在2010年达到约190000MW，在2020年达到150万MW，相当于全球用电消耗的约12%9。根据CleanEdge，新装置的资金成本预计会从2008年的514亿美元增加到2018年的1391亿美元8。即使在当前经济危机的情况下，情况也将是这样，因为风力发电的以下特性对投资者具有吸引力：其相对低的风险特性、其社会和经济效益以及对清洁和可靠能源不断增长的需求。在2008年，欧洲占世界风力市场的32.8%，北美占32.6%，亚洲占31.5%。拉丁美洲的份额为0.6%，非洲的份额为0.5%9。因为与竞争者风力涡轮机系统相比，WEP技术预期具有低成本、高效率和模块化的优点，所以其能够潜在地积极拓展进风能市场。
部件标记列表
102-悬臂
104-框架
106-气道
108-外壳
110-模块化发电单元
112-出气窗
114-嵌板
116-基架
117-悬臂阵列
118-声子阵列
119-模块气道组
120-侧壁
122-进气口
124-出气端
125-进气流
126-电极
127-纵轴
128-压电材料
129-攻角
130-金属层
131-排气流
132-前格栅
133-出气流
134-后格栅
136-气道电路
137-第一悬臂边缘
138-第一窗口边缘
140-模块电路
142-嵌板电路
附图说明
图1A和1B示出了本发明第一实施例的模块化发电单元的前透视图和后透视图。
图1C示出了本发明第一实施例的透视图。
图1D示出了本发明第一实施例的气道的透视图。
图1E示出了用在本发明第一实施例的模块化发电单元中的一组气道的透视图。
图2A示出了本发明第一实施例的悬臂的透视图。
图2B示出了图2A的悬臂的横截面。
图3A示出了本发明第一实施例的气道的透视图。
图3B示出了图3A的细节的透视图。
图3C示出了攻角的定义。
图4A至4C示出了不具有悬臂的气道。
图4B和4C示出了气道的替代构造。
图5A示出了从本发明第一实施例的模块化发电单元的气道发出的多波段声音能量波。
图5B示出了典型的二维声子晶格的声频散图案。
图6示出了用于构造本发明第一实施例的模块化发电单元的组装流程图。
图7A示出了本发明第一实施例的功率调节电路。
图7B示出了本发明第一实施例的电力存储系统。
具体实施方式
在本详细说明书中，术语瀑布状框架意味着框架的横截面的尺寸从进气口122向出气端124减小。术语气流能量可理解为风能。如果附图中的部件标号涉及多个部件，仅一个或两个部件分配有部件标号，相同的部件标号可用于附图中的单个部件和相同的多个部件。相同的部件标号可用作诸如压电材料128的通称以及诸如聚偏氟乙稀(PVDF)的具体实施。
图1A至1E示出本发明第一实施例的气道的纵览和使用。图2A和2B示出用在实施例中的悬臂102的专有设计。图3A示出气道106的构造，成串下落的悬臂阵列117位于侧壁120上，示出了气流通过气道106的路径。图3B是图3A的详图，以放大比例示出了两个悬臂102以及它们周围的气流。图3C是图3A的第二详图，以放大比例示出了用于第一实施例的进气流125和气道106之间的攻角129。参见图1A至3B，第一实施例包括一组梯形悬臂102(见图2A和2B)，悬臂102安装在形成气道106的瀑布状框架104中(见图1D)。在另外的实施例中，悬臂102具有大致梯形形状(即具有曲边的梯形)或更一般地具有多边形形状。在第一实施例中，气道106的进气口122定位在进气流125处。框架104具有多个出气窗112，其允许气流(出气流133)离开出气窗112，并可选地离开出气端124(排气流131)。每个悬臂102在梯形悬臂102的较大的平行边缘(第一悬臂边缘137)处牢固地安装在气道106的瀑布状框架104上。
多个气道106(见图1E)安装在外壳108中，以形成模块化发电单元110。外壳108具有前格栅132和后格栅134(见图1E，不具有外壳108的安装好的单元)。图1A示出安装在外壳108中的模块化发电单元110的前视图；图1B示出安装在外壳108中的模块化发电单元110的后视图；并且图6示出前格栅132和后格栅134。注意到图1A在模块化发电单元110的前视图中示出36个气道进气口122。图1B示出36个气道出气端124，每个出气端124由矩形空间包围，空气从多个出气窗112流出矩形空间。图1C示出了附接到一起以形成大嵌板114的模块化发电单元110，其安装在基架116上，并安置在山上以通过风来发电。图1C中的系统可还具有电机和其它机构以将嵌板朝风的方向旋转。在其它实施例中，每个模块化发电单元110中可包含任何数量的气道106，并且包括风能转换系统的嵌板114可包含任何数量的模块化发电单元110。在替代实施例中，前格栅132和后格栅134可设计成具有各种图案的开口，并且格栅可设计成安置在外壳外部或内部，以保持气道106固定，从而在气道106的内部和外部维持有效的空气流动。
再次参见图1A至1E、图2A和2B，可以组装第一实施例的模块化发电单元110以形成大嵌板，其具有小体积、小地面接触覆盖区和低重量，能够通过一些风力资源提供大量电能。风能-电力(WEP)系统以最小的噪音作业。模块化发电单元110能够组装成各种形状，比如矩形或大致圆形或卵形，以形成大嵌板114，其能适应物理场地条件和电力需求。WEP系统是十分耐用的，几乎不需要维护且易于运输和组装。
参见图1A至1E、图2A和2B以及3A，第一实施例的模块化发电单元110包括多个相同的气道106(见图1E)，它们形成瀑布型模块气道组119。第一实施例中的每个气道106的横截面形状是矩形。在替代实施例中，气道106可采用不同的三维形状，比如矩形、梯形、锥形、柱形等，或者包含具有不同瀑布形状的曲面，图4A至4C中示出了一些可能的情况。而且，在替代实施例中，实际上，气道106可设计成具有任何尺寸和形状，以优化对于各种应用和环境条件的性能效率。
模块化发电单元110的实际尺寸和构造被确定为使空气动力性能最优化，并用于获得大的内部表面与体积比。气道106的侧壁120具有多个布满相应悬臂102的出气窗112(见图3A)，使得移动的空气的动能大部分被压电悬臂结构吸收并被转换为电能。在第一实施例中，各悬臂102建造为电极-PVDF-黄铜-PVDF电极(电极126、PVDF128、黄铜130)的夹层结构，如图2A和2B所示。当悬臂包括多个层时，根据应用，用在每一层中的压电材料的正表面和负表面可排列成串联、并联或串并联混合。现在参见图3A和3B，气道106的悬臂102与侧壁120的面积比大于90%，以确保高转换效率。出气端124与出气窗112的比值大于2，以维持由气流产生的横向力的影响，并在悬臂102上施加所需的压力。可还在最大夹层悬臂面积、最大转换效率和最大性能系数方面优化这方面的比(气道的平均横截面与长度比)。在替代实施例中，实际上可使用任何类型的现有压电材料(诸如聚偏氟乙稀(PVDF)的聚合物、诸如锆钛酸铅(PZT)的陶瓷、诸如石英的晶体等)来制造悬臂102。悬臂102可还包含结合到压电材料128的一层或多层黄铜或其它金属。此外，可通过使用诸如涂敷、蚀刻、沉积和Langmuir-Blodgett工艺的标准纳米薄膜制造工艺来制造用于高效率悬臂102的压电材料，以在金属或其它类型的基底表面上形成非中心对称的压电颗粒薄膜。
当空气流过气道106时，第一实施例的电极-PVDF-黄铜-PVDF-电极的悬臂102会振动并产生交流输出功率。PVDF是具有高压电应力常数(g31～240mV-m/N)5的压电聚合物，意味着其具有极好的动电转换特性。夹层设计不仅提高了转换效率，而且防止产生噪音，因为PVDF是能够有效地吸收声波振动能量的软质聚合物。以周期的方式组装模块化发电单元110内的这些悬臂102，产生声子阵列118结构，其具有处于人类感知范围内的带隙频率。然而，声音被所使用的材料吸收从而产生几乎无声的作业。模块化发电单元110集成到保护壳108中，保护壳进一步消除任何余音。悬臂102可经由彼此串联和并联布线的组合而连接到气道电路136、模块电路140和嵌板电路142(附图中未示出电路)中，以有效地调节嵌板的输出电压和电流。总体而言，具体电路取决于应用，并且设计用于各种替代实施例的合适电路对本领域专家是简单的。
用在第一实施例中的材料是轻量的且结实的，比如第一实施例中由聚合物制成的气道106、瀑布状框架104和外壳108的材料。模块化发电单元110的总重量小于400g(4.11oz)，使得较大的组装嵌板<300kg(661.4磅)，
并能够在每秒10米的风力资源(32.8英尺/秒)情况下提供>3kW的功率。每个具有0.2×0.2×0.1立方米体积的模块化发电单元110可易于以构件块方式组装，以实际上形成任何形状和尺寸。具有小于2.8立方米(3.66立方码)体积和小于1平方米(1.20平方码)的地面接触覆盖区的大的平坦嵌板能够在每秒10米的风力资源(32.8英尺/秒)的情况下提供>3kW的功率。WEP系统是模块化的、耐用的，并易于运输和组装。与WEP相关的技术具有重要的军事和商业应用。该方法可以采集大量风能，避免当前风力涡轮机的高成本、不耐损坏、低效率、环境及安全缺点。WEP是一种潜在的颠覆性突破技术，其是高度可扩展的，并因此在诸如用于舰载和机载电子设备的多种类型的风能应用以及各种住宅和商业系统中提供大量和少量电力，只要存在连续的风能资源即可。扩展到它们的最大潜力，WEP系统可潜在地显著降低风力发电的成本，允许其变为用于国家电网的清洁可再生能源的更可靠来源。
压电悬臂：使用压电材料对于能量采集系统而言产生显著的优点。利用压电装置可获得的能量密度潜在地大于利用电动、静电或电磁装置可获得的能量密度。因为压电材料经由压电材料中的应力和应变将机械能转换为电能，所以它们适用于通过弯曲或折曲而作业的装置，这带来显著的设计优点。
表1-标准压电聚合物和陶瓷的特性对比
压电性是多种非中心对称陶瓷、聚合物和其它生物系统的特性。诸如PVDF的有机聚合物的特性与诸如PZT的无机陶瓷材料相比十分不同(见表1)，使得PVDF独特地适于某些特殊领域，在这些领域中单晶和陶瓷不能有效地发挥作用。从表1中注意到，PVDF聚合物的压电应变常数(d31)低于陶瓷的压电应变常数。然而，压电聚合物具有更高的压电应力常数(g31)，表明它们是比陶瓷更好的动电转换器。除了它们的高强度和高耐冲击性5，压电聚合材料还提供处理灵活性的优点，因为它们是轻量的、坚韧的、易于制造为大面积的，并且能够被切割并形成为复杂的形状。聚合物的其它值得注意的特征是低介电常数、低弹性刚度和低密度，这会产生高的电压灵敏度(极好的传感器特性)以及低的声阻抗和机械阻抗(对医学和水下应用至关重要)。聚合物还通常具有高介质击穿和高作业场强，这意味着它们比陶瓷材料能够经受更高的驱动场。聚合物具有在薄膜表面上形成电极并且仅使选定区域极化的能力。基于这些特征，压电聚合物确立了其自己的适用领域，用于技术应用和有用的装置构造。本发明第一实施例使用压电聚合物PVDF作为用于动电转换应用的构件块材料，然而，使用包括但不限于陶瓷、石英的压电材料的其它实施例可用在本技术的各种应用中。
压电能量采集中最常使用的几何构造是矩形悬臂梁。悬臂梁采集器已得到很好的研究，并已被证明易于实现且对从环境振动中采集能量是有效的。第一实施例使用用于不同应用的不同尺寸的梯形悬臂102(图2A)，使得应变可更均匀地分布在整个结构上，导致所产生的能量是矩形梁的两倍多。其它实施例可使用诸如矩形、三角形等不同尺寸和形状的悬臂。
图2B示出电极-PVDF-黄铜-PVDF-电极的压电悬臂结构。当悬臂在由气流产生的振动期间弯曲时，其会在PVDF层上有效地产生应变和相应的应力，PVDF层接着将应变能高效地转换为电流。悬臂102具有唯一的谐振频率。通过恰当地选择梁的长度、厚度、形状、弹性和质量，整个装置设计成具有宽的谐振频带以获得最大的动-电转换效率CE，并且CE>50%。
气道设计和制备的情况：为了有效地将运动的风能转换为电极-PVDF-黄铜-PVDF-电极的悬臂102的机械运动以用于发电，本发明第一实施例包括用于最佳气动性能的气道106，其能够有效地产生空气湍流，并将气流转换为气道的侧壁120上的压力。图3A和3B示出了气道106的构造和进气流125穿过气道106的路径。气道106的侧壁具有多个由相应的压电PVDF-黄铜-PVDF夹层悬臂覆盖的梯形出气窗112。随着湍流的进气流移动穿过出气窗时，其在相应的压电悬臂上产生应力和应变，压电悬臂有效地吸收移动空气的动能并将其转换为电能。第一悬臂边缘137机械地固定在相应的梯形第一窗口边缘138上，悬臂102的其它侧面保持自由。
图3A至3C示出第一实施例的进入进气口122的进气流125和气道106的纵轴127之间的角度。进气流125作为出气流133穿过出气窗112。气道106的进气口122和纵轴127之间的攻角129可以在最佳角度的-20和+20度之间显著地变化。在第一实施例中，如图3A和3B所示，第一窗口边缘138和第一悬臂边缘137连接起来，并朝向进气口122定位。在替代实施例(附图未示出)中，第一窗口边缘138与第一悬臂边缘137接合并朝向出气端124定位。在不同实施例中，可以打开、关闭或节流出气端124，使得可以控制出气流133。
由于每个气道106的流动形状和进气口122与出气窗112的最佳比例，所以侧壁上的气流压力均匀地分散在悬臂102上而导致悬臂振动。侧面的窗口悬臂102与通道内表面壁的面积比大于90%，以确保整个装置的高转换效率。纵横比(气道的平均横截面面积与长度之比--A=Savg/L)可在最大悬臂面积、最大转换效率和最大性能系数方面得以优化。
对于特定应用，可调节每个通道的构造以获得最佳气动性能。进气口面积与出气窗面积之比α=Sin/Sout大于2，以保持由气流产生的横向力的作用，并在悬臂上施加所需压力。比例A和比例α影响性能系数C。通过选择用于A和α的合适比例，可以获得高的性能系数(>0.50)。
图4A示出四边形气道106(A=2，α=1.5)的瀑布状框架，每个壁上具有四个梯形敞开侧窗。其不包括悬臂102。图4B示出其具有梯形电极-PVDF-黄铜-PVDF-电极的悬臂的完整结构。图4C示出分别具有A=9且α=5的气道106，每个侧壁120上有13个梯形侧窗和电极-PVDF-黄铜-PVDF-电极的悬臂102。
气道阵列和成串下落的声子结构：组装气道106以形成用于提取大量风能的二维(2D)阵列，如图5A的左图所示。该阵列不仅形成模块化嵌板，而且还形成成串下落的声子格状结构。由于气道的锥形结构，处于不同层级的悬臂由于不同的周期长度而产生不同的2D声子晶体效应，如图5A右侧的四个层所示。这四个2D声子晶格图案的组合产生成串下落的声子结构，其能够吸收多波段声音能量波并抑制它们通过所述结构传播。
再次参见图5A，可通过在固体材料中制造充气柱形物(air-filledcylinder)阵列来制成2D声子晶格(见插图)，使得声速周期性地变化。该结构中用于不同声子的频散关系(虚线)(频率ω与波矢k的关系曲线图表)表示出在某些频率范围内不支持波传播(黄色区域)。这是声子带隙。在均质材料中，ω=c·k，其中c是声速，频散关系在该图中看上去为直线。在该结构中具有最高对称性的方向是Γ-X和Γ-M(见插图)6。
声子格状结构晶体利用诸如散射和干涉等波的基本特性来产生“带隙”，即波不能传播通过该结构的波长或频率范围。人工构造的材料的折射率中的周期变化产生声子格状晶体中的带隙。在声子晶格中，结构的密度和/或弹性常数周期性地变化。这改变了结构内的声速，进而导致形成声子带隙。图5B示出典型的二维声子晶格的声音频散图案及其与带隙的关系。
带结构中声子带隙的存在意味着可以使用带隙本身下方和上方的传播波模中的平坦区，其中，波群速度变为零。在这些区域中，振动动能局限于内部结构件的振荡运动(悬臂振动)形式，而不是被传送穿过材料的传播波。换句话说，子结构充当波阻尼器和动能吸收器。该想法意在通过电极-PVDF-黄铜-PVDF-电极的悬臂102来利用压电效应，并在带隙附近的激发频率下将悬臂的振动能量转换为谐振器中的电能。成串下落的声子的滤波效应不仅极大地提高了动电发电效率，而且使整个系统几乎无声。
通过引入成串下落的阵列结构极大地增加了带隙密度并产生了滤波效应，该成串下落的阵列结构在特定频率下共振，并产生很大的局部应变和能量。由于通过位于晶格框架中的电极-PVDF-黄铜-PVDF-电极的悬臂102将局部动能转换为电能，可实现能量采集的增强。
模块化和静音的风力发电机单元：如图6所示，WEP系统构造有气道106阵列、使输出功率平稳或调节输出功率的电路板和电耦合器、接收来自模块化发电单元110的电量的嵌板发电器(powerpanelgenerator)、前和后格栅以及吸收声波以进一步消除系统声音的保护壳。图6示出模块化发电单元110的组装流程图。图6未示出模块化发电单元110的模块电路140。
必要的电子电路：悬臂102内的多个层可经由串联和并联电路的组合而彼此连接，以有效地捕获由每个层产生的压电输出电压和电流。直接来自悬臂102的电力是非常规的交流电，其需要经由合适的变压器、整流器和控制电路调整为直流电流或所需的电压和频率。包括悬臂阵列117的悬臂102经由附加的串联和并联电路彼此连接。在替代实施例中可以通过不同方式实施本领域中的标准电路，以使电输出匹配应用需求。
图7A和7B示出具有用于第一实施例的必要电子元件的基本电路图的两个示例。电路板设计成本发明第一实施例的一部分，而电子元件和可充电电池是商业上可获得的。来自悬臂102的交流电被输入到电路板，以调节用于可充电电池的输出直流电压和电流并使输出直流电压和电流平稳(图7A)。对于一些应用，通过静态换流器将电流转换为所需的交流电，该静态换流器不具有任何移动部件并且被广泛地使用，从计算机中的小开关电源到传输大容量电力的大电力实用高压直流应用(图7B)。
更普遍地，每个悬臂102本身具有其自己的独立电路，其在将产生的交流电输出连接到系统中的其它悬臂之前将产生的交流电输出连接到桥式整流器。在各种替代实施例中，桥式整流器可以是全波整流器、半波整流器、单相整流器或多相整流器。它们都能工作，但是效率和成本会变化。在第一实施例中，系统中所有悬臂的经整流的电输出在串联电路中结合起来。在替代实施例中，根据应用，悬臂的经整流的电输出在串联电路、并联电路或它们的组合中结合起来。根据应用，替代实施例可还包括具有电容器、电荷泵、可充电电池、稳压器和其它电子元件的电路。
WEP系统的效率评估：Betz定律和性能系数：风能来自遵循质量守恒定律和空气动力学定律的质量流量。通过具有横截面S的任意风力发电机提取风能的效率受限于这些自然法则。风力发电机从风中产生的动能越多，风离开发电机时的速度越慢。如果我们试图从风中提取所有能量，那么空气将以零速离开，即，空气不能离开发电机。在该情况下，我们根本不能提取任何能量，因为所有空气均不能进入发电机。因此，明显的是，风力发电机不可能获得100%的效率。德国物理学家AlbertBetz建立所谓的Betz定律，该Betz定律宣称：最大16/27(或0.59)的风的动能可被转换为机械能7。该效率被称为性能系数，并由Cp,max表示。所有风力发电机均使用两步处理法将风动能优选地转换为机械能，然后从机械能转换为电能。因此，根据Betz定律，总的性能系数总小于0.59。
WEP系统的效率和相应的尺寸：因为空气具有质量，并移动而形成风，所以其具有如下的动能：
动能(焦耳)=1/2×m×V2
其中，m表示质量(kg)；V表示速度(米/秒)。通常，与能量相比，我们对功率更感兴趣。因为能量=功率×时间，并且密度更便于表达流动空气的质量，所以动能方程可转换为流动方程：
风力发电机嵌板区域中的功率P=0.5×DA×A×V3
其中，P表示以瓦特为单位的功率；DA表示空气密度(在海平面处为约1.225kg/m3400g，越高越小)；A表示风力发电机嵌板的受到风影响的面积(m2)；V表示以米/秒为单位的风速。
该方程得到自由流动风流中的功率。当然，不可能从风中提取所有功率，因为必须维持一些流动穿过嵌板。因此，需要包含一些附加项以得到用于风力发电机嵌板的实际方程。
风力嵌板功率：
P=0.5×DA×A×Cp×V3×CE
其中，P表示以瓦特为单位的功率；DA表示空气密度(在海平面处为约1.225kg/m3，越高越小)；A表示受到风影响的嵌板面积(m2)；Cp表示性能系数(0.59{Betz极限}是理论上可能的最大值，对于良好的气道的设计为0.5)；V表示以米/秒为单位的风速；CE表示悬臂阵列嵌板的转换效率(WEP的估计值为50%)。在良好设计的情况下，该方程可表达为：
P/A=0.5×1.225×0.5×V3×CE
如果我们想利用每秒10米(32.81英尺/秒)的风力资源获得3kW的发电机和50%的效率(CE)，那么嵌板面积“A”应当为3000/153=19.6m2，其需要2立方米的体积(2.616立方码)，因为WEP嵌板的厚度仅为10cm(3.84英寸)。
其它实施例与本文的发明构思一致。这些实施例包括多层悬臂结构以及在悬臂中采用与黄铜和PVDF不同的材料。例如，悬臂结构可以包括多个电极/PVDF层，接着是黄铜层，接着是多个PVDF/电极层。此外，任何弹性金属或弹性金属的组合可代替黄铜层，并且包括压电聚合物、压电陶瓷、压电晶体等的任何压电薄膜可代替PVDF层。
在第一实施例中，每个悬臂102包含夹在具有电极涂层的两个压电层之间的黄铜层。然而，其它实施例可采用这样的悬臂102，其仅在黄铜层的一侧上具有压电材料和电极或者根本不具有黄铜层。而且，不同的实施例实际上可以包括具有任何形状的悬臂，只要悬臂102的一侧或一部分固定到气道框架104窗口边缘。梯形用在第一实施例中，以符合气道的轮廓，并且在不减少气道瀑布状框架104的结构完整性的情况下增加悬臂102的表面积和效率。然而，悬臂102可采取任何形状。悬臂可还是单层或多层，在层之间有电极。
其它实施例可包括具有多种尺寸和构造的气道，并且它们可由多种材料制成，包括金属、塑料、木材、碳纤维、丙烯酸树脂等。第一实施例包含某些喷气尺寸比，以改善空气动力性能并提高电转换效率。然而，可以构造具有不同尺寸和比例的其它实施例以在各种风况下发电。
参考文献
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Claims (20)
1.一种气流能-电力转换系统，包括：
多个悬臂(102)，每个悬臂(102)包括电极(126)和至少一层压电材料(128)，每个悬臂(102)具有第一悬臂边缘(137)；
具有框架(104)的气道(106)，所述框架(104)具有进气口(122)和多个出气窗(112)，所述出气窗(112)中的每个具有第一窗口边缘(138)，其中，所述出气窗(112)中的每个的尺寸和构造适于容纳所述悬臂(102)中的一个，每个悬臂(102)的第一悬臂边缘附接至出气窗(112)之一的第一窗口边缘(138)；
所述气道(106)构造成使得当进气流(125)沿朝向所述进气口(122)的方向流动时，所述进气流(125)的一部分穿过所述多个出气窗(112)从而产生出气流(133)，所述出气流(133)在所述悬臂(102)中的每一个中引起应力和应变，从而在所述悬臂(102)的每一个中发电。
2.一种气流能-电力转换系统，包括：
多个悬臂(102)，每个悬臂(102)包括电极(126)和至少一层压电材料(128)，每个悬臂(102)具有第一悬臂边缘(137)；
具有框架(104)的气道(106)，所述框架(104)具有进气口(122)、出气端(124)和多个出气窗(112)，所述出气窗(112)各具有第一窗口边缘(138)，其中，所述出气窗(112)中的每个的尺寸和构造适于容纳所述悬臂(102)中的一个，每个悬臂(102)的第一悬臂边缘附接至出气窗(112)之一的第一窗口边缘(138)；
所述气道(106)构造成使得当进气流(125)沿朝向所述进气口(122)的方向流动时，所述进气流(125)的一部分穿过所述多个出气窗(112)从而产生出气流(133)，并且所述进气流(125)的一部分作为排气流(131)穿过所述出气端(124)，所述出气流(133)由此在覆盖出气窗(112)的悬臂(102)中引起应力和应变；
附接至每个悬臂(102)的气道电路(136)，该气道电路(136)从每个悬臂(102)采集由于压电材料的应力和应变所产生的电力。
3.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，其中，每个所述悬臂(102)还包括一层电极(126)，接着是至少一层压电材料(128)，然后是金属层(130)，接着是至少一层压电材料(128)，然后是一层电极(126)。
4.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，其中，所述框架(104)具有瀑布形状，该瀑布形状具有比所述出气端(124)大的进气口(122)，并且所述多个悬臂(102)的第一悬臂边缘(137)朝向所述进气口(122)定位。
5.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，其中，所述框架(104)具有瀑布形状，该瀑布形状具有比所述出气端(124)大的进气口(122)，并且所述多个悬臂(102)的第一悬臂边缘(137)朝向所述出气端(124)定位。
6.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，其中，所述气道(106)设计成所述进气口(122)的面积与所述出气端(124)的面积之比大于2。
7.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，其中，所述气道(106)的出气端(124)被节流，以调节允许穿过的空气量。
8.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，其中，所述进气流(125)是风。
9.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，其中，所述框架(104)的横截面形状选自由多边形、圆形和椭圆形构成的组中的任一种形状。
10.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，其中，多个所述悬臂(102)和所述出气窗(112)的形状选自由多边形、圆形和椭圆形构成的组中的任一种形状。
11.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，其中，所述压电材料(128)选自由聚合物、陶瓷和晶体构成的组中的任一种材料。
12.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，其中，多层压电材料(128)和电极(126)被用于形成每个悬臂(102)，所述压电材料(128)的正表面和负表面在所述悬臂(102)中以串联、并联或其组合的形式排列。
13.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，其中，所述气道电路(136)采集能量的方式是可加的。
14.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，其中，所述压电材料利用薄膜制造工艺来制造，该薄膜制造工艺在固体基底表面上形成至少一层非中心对称的压电颗粒薄膜，以形成所述压电材料。
15.如权利要求14所述的气流能-电力转换系统，其中，所述薄膜制造工艺是Langmuir-Blodgett工艺。
16.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，还包括模块化发电单元(110)，所述模块化发电单元(110)包括多个气道(106)，所述多个气道构造成使所述多个气道(106)产生声子阵列(118)，因此，所述进气流穿过每个所述出气窗(112)，并且所述出气流(133)引起并强化所述悬臂(102)的振动，所述悬臂(102)的振动产生的电力由所述气道电路(136)传送至模块电路(140)。
17.如权利要求16所述的气流能-电力转换系统，其中，所述模块化发电单元(110)还包括：
外壳(108)；
前格栅(132)和后格栅(134)，所述前格栅(132)和所述后格栅(134)定位成保持所述气道(106)固定，并允许空气自由地流入和流出所述气道(106)；以及
一起使用多个电子元件的气道电路(136)和模块电路(140)，所述多个电子元件通过导线连接成使得由所述悬臂(102)产生的电力在经由所述模块电路(140)采集时是可加的。
18.如权利要求2所述的气流能-电力转换系统，其中，所述气道电路(136)从桥式整流器、可充电电池、电压控制器、电容器、电荷泵及它们的任意组合构成的组中选择。
19.如权利要求17所述的气流能-电力转换系统，其中，多个所述模块化发电单元(110)安装在嵌板(114)中，所述进气流(125)在每个所述模块化发电单元(110)处产生一定量的电力，所述一定量的电力通过所述模块电路(140)、所述嵌板(114)和嵌板电路(142)传送，从而形成嵌板发电器。
20.如权利要求19所述的气流能-电力转换系统，其中，所述嵌板(114)可朝风的方向旋转。
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