CN104373295B - 混合式风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合式风力发电装置，该风力发电装置包括：风能接收组件，能够在风力的作用下旋转；曲柄连杆组件，曲柄连杆组件能够随风能接收组件一起旋转，并驱动滑动磁铁组件进行往复运动；滑动磁铁组件，能够在曲柄连杆组件的驱动下往复穿过电磁发电组件，并同时对摩擦发电组件施加压力；电磁发电组件，在滑动磁铁组件往复穿过电磁发电组件时，能够通过电磁感应原理产生电能；摩擦发电组件，在滑动磁铁组件的压力作用下，能够通过摩擦发电产生电能。本发明的混合式风力发电装置在摩擦发电组件周围设置感应线圈，从而利用电磁感应提高系统的输出电流，显著的提升了设备的发电效率。

Description

混合式风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电装置，尤其涉及一种利用收集的风能进行摩擦发电和电磁感应发电的风力发电装置。

背景技术

随着科技的进步以及工业的迅猛发展，人类对能源的需求越来越多，在可利用的能源日趋减少的情形下，人类不得不寻找新能源。风能作为自然界存在的巨大能量和清洁的可再生能源，由于其不需使用燃料，也不会产生辐射或空气污染的优点，得到了人们的高度关注和广泛应用。

风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。其中包括将风的动能转化为机械能，再把机械能转化为电能两个过程。将机械能转化为电能的方式大致有三种：静电、压电和电磁。传统的风能发电系统通常采用电磁感应的方式，这种风能发电系统体积庞大，成本高昂，同时在运输和安装的过程中，给用户带来了极大的不便；而压电式风能发电系统由于常规压电材料复杂的化学成分及晶体结构，难以实现大功率与小尺寸的结合。由此可见，传统的风力发电方式，无论其采用电磁感应的方式还是采用压电方式都具有无法弥补的缺陷。

相比之下，通过第一种方式，即静电的方式，从环境中回收机械能，完成对风能的收集则会更加有利。该方式可由摩擦发电机来实现。摩擦发电机中包含由薄膜材料构成的摩擦界面，当摩擦界面受到外力挤压时则会相互接触并摩擦，由此产生电能，从而实现了将机械能转变成电能的过程。从发电技术指标上看，最初，这种摩擦发电机产生的电压只能达到5V，通过研究和设计改进，现在，该发电机产生的电压可高达1000V，输出功率可达128mW/cm³。

由此可见，在风力发电中采用摩擦发电机通过静电方式将机械能转化为电能是一种可行的方案。但现有的通过摩擦发电机实现发电功能的风力发电机普遍存在发电模式单一、输出电压高但输出电流低、事故应变能力差、摩擦发电机使用寿命短等问题，严重制约了通过摩擦发电机实现发电的风力发电机的推广和普及。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具摩擦发电组件和电磁发电组件的混合式风力发电装置，以有效增长摩擦发电组件的使用寿命和提高风力发电装置的发电效率。

为实现上述目的，本发明的混合式风力发电装置的具体技术方案为：一种混合式风力发电装置，包括：风能接收组件，活动设置在底座上，能够在风力的作用下旋转；曲柄连杆组件，一端与风能接收组件相连，另一端与滑动磁铁组件相连，曲柄连杆组件能够随风能接收组件一起旋转，并驱动滑动磁铁组件进行往复运动；滑动磁铁组件，与曲柄连杆组件相连，能够在曲柄连杆组件的驱动下往复穿过电磁发电组件，并同时对摩擦发电组件施加压力；电磁发电组件，设置在滑动磁铁组件的前端，在滑动磁铁组件往复穿过电磁发电组件时，能够通过电磁感应原理产生电能；摩擦发电组件，设置在电磁发电组件的前端，在滑动磁铁组件的压力作用下，能够通过摩擦发电产生电能。

与现有风力发电装置相比，本发明的混合式风力发电装置具有以下优点：

本发明的混合式风力发电装置利用磁性同极相斥的原理代替接触按压方式，从而有效降低了按压接触时的能量损失以及对摩擦发电组件的损耗，提高了摩擦发电组件的使用寿命。同时，在摩擦发电组件周围设置感应线圈，从而利用电磁感应提高系统的输出电流，显著的提升了设备的发电效率。

此外，本发明的混合式风力发电装置结构简单，体积小，易于实现高密度集成，因此可以在大大减小风力发电机尺寸的同时，又具有较高的能量效率和密度，具有广泛的前景。

附图说明

图1为本发明的混合式风力发电装置的结构示意图；

图2为图1中的滑动磁铁组件的结构示意图；

图3为图1中的电磁发电组件的结构示意图；

图4a和图4b为图1中的摩擦发电机的第一种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图；

图5a和图5b为图1中的摩擦发电机的第二种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图；

图6a和图6b为图1中的摩擦发电机的第三种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图；

图7a和图7b为图1中的摩擦发电机的第四种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图；

图8为本发明的混合式风力发电装置中的储能组件的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种混合式风力发电装置做进一步详细的描述。

本发明的混合式风力发电装置包括风能接收组件、曲柄连杆组件、滑动磁铁组件、电磁发电组件和摩擦发电组件。其中，风能接收组件用于收集自然界中的风能，并将风能转换为机械能；曲柄连杆组件的一端与风能接收组件相连，另一端与滑动磁铁组件相连，用于将风能接收组件产生的机械能传递给滑动磁铁组件，以驱动滑动磁铁组件运动；滑动磁铁组件往复穿过电磁发电组件，并对摩擦发电组件施加压力，以使电磁发电组件和摩擦发电组件产生电能，实现机械能向电能的转换。

下面结合附图对本发明的混合式风力发电装置中的各组件的结构进行具体描述：

如图1所示，本发明的混合式风力发电装置包括底座11和纵向设置在底座11上的转轴2，转轴2的顶部设置有风翼1，风翼1和转轴2组成了本发明中的风能接收组件，当风力作用于风翼1上时，风翼1和转轴2能够一起旋转，从而将风能转换为机械能。应注意的是，为保证风翼1和转轴2的正常转动，本实施例的底座11上设置有固定架3，转轴2纵向穿过固定架3设置，由此，固定架3可对风翼1和转轴2进行支撑和定位，保证了设备运行的稳定性和安全性。

进一步，本发明中的风翼1主要用于收集自然界中的风能，可以是风杯和/或风叶等部件。如图1所示，本发明中主要以风杯为例进行描述，但本领域技术人员能够理解的是，本发明中的风翼1并不限于风杯这一种形式，任何能够在受到风力作用时驱动转轴2旋转的部件都可以作为风翼1。而且，风杯或风叶的形状应尽量设计为适合受气流影响而旋转的形状，例如，可以参照风轮的风叶、飞机的螺旋桨等形状进行设计，可选地，风杯可以为由半圆形空杯构成。另外，风翼1中的风杯的数量可以为多个，且每相邻的两个风杯之间的夹角相等。例如，图1中所示，风翼1中的风杯数量为四个，每相邻的两个风杯之间的夹角为90度。

进一步，参见图1，本发明的转轴2上设置有曲柄4，曲柄4的一端与转轴2相连，另一端与连杆5相铰接，连杆5的另一端则与滑动磁铁组件相连，由此，曲柄4和连杆5组成了本发明中的曲柄连杆组件。本发明的曲柄连杆组件中的曲柄4在转轴2的带动下做圆周运动，并通过连杆驱动滑动磁铁组件进行往复运动，以将风能接收组件中产生的机械能传递给滑动磁铁组件。

进一步，参见图1和图2，本发明中的滑动磁铁组件包括滑轨6和滑动设置在滑轨6上的滑动磁铁7，曲柄连杆组件中的连杆5与滑动磁铁7相连，滑动磁铁7可在滑轨6上进行往复移动。具体参见图2，本实施例中的滑动磁铁7包括滑块71、非磁性的间隔块72和动磁铁73，其中，动磁铁73为柱状结构，设置在滑块71的前端，且动磁铁73与滑块71之间设置有间隔块72，间隔块72优选为非磁性部件，其作用是在动磁铁73穿过电磁发电组件时辅助增加磁通量的变化，以使电磁发电组件达到更强的发电效果，而滑块71则滑动设置在滑轨6上，并与连杆5相连，由此，连杆5驱动滑块71与设置在滑块71上的动磁铁73一起在滑轨6上进行往复移动。

进一步，本发明中的滑动磁铁组件的前端设置有电磁发电组件，如图3所示，本实施例中的电磁发电组件包括套筒支撑架8和感应线圈81，套筒支撑架8为中空筒状结构，内部形成有贯穿套筒支撑架8的通孔82，感应线圈81缠绕在套筒支撑架8的外壁上，由此形成了传统的电磁感应装置。本发明的滑动磁铁组件中的动磁铁73在滑轨6上进行往复运动时可以往复穿过套筒支撑架8内部的通孔82，由此缠绕在套筒支撑架8的外壁上的感应线圈81上的磁通量会不断发生变化，根据法拉第电磁感应定律可知，此时感应线圈81内会产生感应电流，由此即实现了发电功能。

进一步，参见图1，本发明中的电磁发电组件的前端设置有摩擦发电组件，摩擦发电组件包括推压磁铁9和摩擦发电机10，推压磁铁9设置在摩擦发电机10上，并与套筒支撑架8内部的通孔82相对，由此，当滑动磁铁组件中的动磁铁73往复穿过套筒支撑架8内部的通孔82时，也可与推压磁铁9往复性靠近。应注意的是，本实施例中推压磁铁9与动磁铁73为同极性相对，因此，当动磁铁73与推压磁铁9靠近时，动磁铁73会对推压磁铁9施加排斥力，从而使推压磁铁9对摩擦发电机10进行挤压，摩擦发电机10通过挤压会发生形变，而当排斥力撤销之后，摩擦发电机10的形变消失，摩擦发电机10在此过程中会产生电能，由此即实现了发电功能。当然，本发明中的电磁发电组件也可不设置推压磁铁9，而是使滑动磁铁组件中的动磁铁73直接挤压摩擦发电机10，以进行发电。

下面参考图4a至图7b，对本发明中的摩擦发电机的具体结构进行详述：图4a和图4b分别示出了摩擦发电机的第一种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图。该摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极101，第一高分子聚合物绝缘层102，以及第二电极103。具体地，第一电极101设置在第一高分子聚合物绝缘层102的第一侧表面上；且第一高分子聚合物绝缘层102的第二侧表面与第二电极103相对设置。在上述结构中，第一高分子聚合物绝缘层102的第一侧表面与第一电极之间相对固定，第一高分子聚合物绝缘层102的第二侧表面与第二电极之间在受到挤压时接触摩擦并在第二电极和第一电极处感应出电荷。因此，在本实施例中，第一高分子聚合物绝缘层和第二电极相对设置的两个面作为摩擦发电机的摩擦界面，上述的第一电极和第二电极分别作为摩擦发电机的两个输出端。

为了提高摩擦发电机的发电能力，在第一高分子聚合物绝缘层102的第二侧表面(即相对第二电极103的面上)可以进一步设置微纳结构106。因此，当摩擦发电机受到挤压时，第一高分子聚合物绝缘层102与第二电极103的相对表面能够更好地接触摩擦，并在第一电极101和第二电极103处感应出较多的电荷。由于上述的第二电极主要用于与第一高分子聚合物绝缘层摩擦，因此，第二电极也可以称之为摩擦电极。

上述的微纳结构106具体可以采取如下两种可能的实现方式：第一种方式为，该微纳结构是微米级或纳米级的非常小的凹凸结构。该凹凸结构能够增加摩擦阻力，提高发电效率。所述凹凸结构能够在薄膜制备时直接形成，也能够用打磨的方法使第一高分子聚合物绝缘层的表面形成不规则的凹凸结构。具体地，该凹凸结构可以是半圆形、条纹状、立方体型、四棱锥型、或圆柱形等形状的凹凸结构。第二种方式为，该微纳结构是纳米级孔状结构，此时第一高分子聚合物绝缘层所用材料优选为聚偏氟乙烯(PVDF)，其厚度为0.5-1.2mm(优选1.0mm)，且其相对第二电极的面上设有多个纳米孔。其中，每个纳米孔的尺寸，即宽度和深度，可以根据应用的需要进行选择，优选的纳米孔的尺寸为：宽度为10-100nm以及深度为4-50μm。纳米孔的数量可以根据需要的输出电流值和电压值进行调整，优选的这些纳米孔是孔间距为2-30μm的均匀分布，更优选的平均孔间距为9μm的均匀分布。

下面具体介绍一下上述的摩擦发电机的工作原理。当该摩擦发电机受到推压磁铁的挤压时，该摩擦发电机的各层受到挤压，导致摩擦发电机中的第二电极与第一高分子聚合物绝缘层表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极和第二电极之间的电容发生改变，从而导致第一电极和第二电极之间出现电势差。当该摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，这时形成在第一电极和第二电极之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极和第二电极之间将再次产生反向的电势差。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流脉冲电信号。

根据发明人的研究发现，金属与高分子聚合物摩擦，金属更易失去电子，因此采用金属电极与高分子聚合物摩擦能够提高能量输出。相应地，在图4a和图4b所示的摩擦发电机中，第二电极由于需要作为摩擦电极(即金属)与第一高分子聚合物绝缘层进行摩擦，因此其材料可以选自金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。第一电极由于不需要进行摩擦，因此，除了可以选用上述罗列的第二电极的材料之外，其他能够制作电极的材料也可以应用，也就是说，第一电极除了可以选自金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金之外，还可以选自铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜等非金属材料。

由此可见，图4a和图4b所示的摩擦发电机主要通过金属(第二电极)与聚合物(第一高分子聚合物绝缘层)之间的摩擦来产生电信号，主要利用了金属容易失去电子的特性，使第二电极与第一高分子聚合物绝缘层之间形成感应电场，从而产生电压或电流。

应注意的是，本实施例中的摩擦发电机优选设置为拱形形状，以增加摩擦发电机在受到挤压时的形变量。具体来说，本实施例的摩擦发电机中的第一高分子聚合物绝缘层102和第一电极101可作为整体向外(朝向第二电极103的相反方向)拱起形成凸面，使第一高分子聚合物绝缘层102与第二电极103之间形成拱形间隙，以便两个摩擦面在不受力的情况下能够自动弹起。当然，也可设置为第二电极103(朝向第一高分子聚合物绝缘层102的相反方向)向外拱起形成凸面，或第二电极103与第一高分子聚合物绝缘层102和第一电极101同时向外拱起形成凸面，以使第一高分子聚合物绝缘层102与第二电极103之间形成拱形间隙。

本实施例中的摩擦发电机在摩擦电极与高分子聚合物层之间形成间隙，使两个摩擦面在不受力的情况下能够自动弹起，摩擦面的接触和分离速度都得以提高，从而使摩擦发电机的性能得以明显提高。

图5a和图5b分别示出了摩擦发电机的第二种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图。该摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极101，第一高分子聚合物绝缘层102，第二高分子聚合物绝缘层104以及第二电极103。具体地，第一电极101设置在第一高分子聚合物绝缘层102的第一侧表面上；第二电极103设置在第二高分子聚合物绝缘层104的第一侧表面上；其中，第一高分子聚合物绝缘层102的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层104的第二侧表面在受到挤压时接触摩擦并在第一电极和第二电极处感应出电荷。因此，在本实施例中，第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面作为摩擦发电机的摩擦界面。其中，第一电极和第二电极分别作为摩擦发电机的两个输出端。

为了提高摩擦发电机的发电能力，第一高分子聚合物绝缘层102和第二高分子聚合物绝缘层104相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构106，如图5b所示，微纳结构106是设置在第一高分子聚合物绝缘层102上。因此，当摩擦发电机受到挤压时，第一高分子聚合物绝缘层102与第二高分子聚合物绝缘层104的相对表面能够更好地接触摩擦，并在第一电极101和第二电极103处感应出较多的电荷。上述的微纳结构可参照上文的描述，此处不再赘述。

图5a和图5b所示的摩擦发电机的工作原理与图4a和图4b所示的摩擦发电机的工作原理类似。区别仅在于，当图5a和图5b所示的摩擦发电机的各层受到挤压时，是由第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的表面相互摩擦来产生静电荷的。因此，关于图5a和图5b所示的摩擦发电机的工作原理此处不再赘述。

图5a和图5b所示的摩擦发电机主要通过聚合物(第一高分子聚合物绝缘层)与聚合物(第二高分子聚合物绝缘层)之间的摩擦来产生电信号。另外，本实施例中的摩擦发电机也优选设置为拱形形状，以增加摩擦发电机在受到挤压时的形变量，也即第一高分子聚合物绝缘层102和第一电极101可作为整体向外(朝向第二电极103的相反方向)拱起形成凸面，和/或第二高分子聚合物层104和第二电极103可作为整体向外(朝向第一电极101的相反方向)拱起形成凸面，以使第一高分子聚合物绝缘层102与第二高分子聚合物层104之间形成拱形间隙。

在图5a和图5b所示的结构中第一电极和第二电极所用材料可以是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。可以看出，由于在图5a和图5b所示的结构中，第二电极不需要作为摩擦电极，因此，第二电极也可以选取非金属材料实现。

在上述两种结构中，上述的第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层可以分别选自聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的一种。其中，在第二种结构中，原则上第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层的材质可以相同，也可以不同。但是，如果两层高分子聚合物绝缘层的材质都相同，会导致摩擦起电的电荷量很小。因此优选地，第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的材质不同。

图6a和图6b分别示出了摩擦发电机的第三种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图。从图中可以看出，第三种结构在第二种结构的基础上增加了一个居间薄膜层，即：第三种结构的摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极101、第一高分子聚合物绝缘层102、居间薄膜层100、第二高分子聚合物绝缘层104以及第二电极103。具体地，第一电极设置在第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；第二电极设置在第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，且居间薄膜层设置在第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面和第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面之间。可选地，为了提高摩擦效果，居间薄膜层和第一高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构106，和/或居间薄膜层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构106，关于微纳结构的具体设置方式可参照上文描述，此处不再赘述。

在本实施例中，居间薄膜层为居间聚合物，其可以直接设置在第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层之间，且与第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间都不固定，这时，居间薄膜层与第一高分子聚合物绝缘层之间形成一个摩擦界面，居间薄膜层与第二高分子聚合物绝缘层之间形成另一个摩擦界面。

或者，居间薄膜层也可以与第一高分子聚合物绝缘层或第二高分子聚合物绝缘层中的一个相对固定，而与另一个接触摩擦。例如，居间薄膜层的第一侧表面固定在第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面上，且居间薄膜层的第二侧表面与第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面接触。此时，由于居间薄膜层与第二高分子聚合物绝缘层相对固定，因此，当该摩擦发电机受到挤压时，第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与居间薄膜层的第二侧表面接触摩擦并在第一电极和第二电极处感应出电荷。

在图6a和图6b所示的摩擦发电机中，居间薄膜层100的第一侧表面(即未设有微纳结构的一侧)是固定在第一高分子聚合物绝缘层102的第二侧表面上的，固定的方法可以是用一层薄的未固化的高分子聚合物绝缘层作为粘结层，经过固化后，居间薄膜层100将牢牢地固定于第一高分子聚合物绝缘层102上。居间薄膜层100设有微纳结构的一侧与第二高分子聚合物绝缘层104的第二侧表面接触。

图6a和图6b所示的摩擦发电机的材质可以参照第二种结构的摩擦发电机的材质进行选择。其中，居间薄膜层也可以选自透明高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和液晶高分子聚合物(LCP)以及聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、中的任意一种。其中，第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的材料优选透明高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；其中，居间薄膜层的材料优选聚二甲基硅氧烷(PDMS)。上述的第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、居间薄膜层的材质可以相同，也可以不同。但是，如果三层高分子聚合物绝缘层的材质都相同，会导致摩擦起电的电荷量很小，因此，为了提高摩擦效果，居间薄膜层的材质不同于第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层，而第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的材质则优选相同，这样，能减少材料种类，使本实用新型的制作更加方便。

在图6a和图6b所示的实现方式中，由于居间薄膜层100是一层聚合物膜，因此实质上与图5a和图5b所示的实现方式类似，仍然是通过聚合物(居间薄膜层)和聚合物(第一高分子聚合物绝缘层)之间的摩擦来发电的。其中，居间薄膜容易制备且性能稳定。另外，本实施例中的摩擦发电机也优选设置为拱形形状，以增加摩擦发电机在受到挤压时的形变量，也即第一高分子聚合物绝缘层102和第一电极101可作为整体向外(朝向第二电极103的相反方向)拱起形成凸面，和/或第二高分子聚合物层104和第二电极103可作为整体向外(朝向第一电极101的相反方向)拱起形成凸面，以使第一高分子聚合物绝缘层102、第二高分子聚合物层104与居间薄膜层100之间形成拱形间隙。

图7a和图7b分别示出了摩擦发电机的第四种结构的立体结构示意图和剖面结构示意图。该摩擦发电机包括:依次层叠设置的第一电极101，第一高分子聚合物绝缘层102，居间电极层105，第二高分子聚合物绝缘层104和第二电极103；其中，第一电极101设置在第一高分子聚合物绝缘层102的第一侧表面上；第二电极103设置在第二高分子聚合物绝缘层104的第一侧表面上，居间电极层105设置在第一高分子聚合物绝缘层102的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层104的第二侧表面之间。可选地，为了提高摩擦效果，第一高分子聚合物绝缘层102相对居间电极层105的面和居间电极层105相对第一高分子聚合物绝缘层102的面中的至少一个面上设置有微纳结构(图未示)；第二高分子聚合物绝缘层104相对居间电极层105的面和居间电极层105相对第二高分子聚合物绝缘层104的面中的至少一个面上设置有微纳结构(图未示)。关于微纳结构的具体设置方式可参照上文描述，此处不再赘述。在这种方式中，通过居间电极层105与第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间的摩擦产生静电荷，由此将在居间电极层105与第一电极和第二电极之间产生电势差。在本实施例中，居间电极层105是由能够制作电极的材料制作的。其中，第一电极和第二电极串联为摩擦发电机的一个输出端；居间电极层作为摩擦发电机的另一个输出端。

另外，本实施例中的摩擦发电机也优选设置为拱形形状，以增加摩擦发电机在受到挤压时的形变量，也即第一高分子聚合物绝缘层102和第一电极101可作为整体向外(朝向第二电极103的相反方向)拱起形成凸面，和/或第二高分子聚合物层104和第二电极103可作为整体向外(朝向第一电极101的相反方向)拱起形成凸面，以使第一高分子聚合物绝缘层102、第二高分子聚合物层104与居间电极层105之间形成拱形间隙。

在图7a和图7b所示的结构中，第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、第一电极和第二电极的材质可以参照第二种结构的摩擦发电机进行选择。居间电极层105可以选择导电薄膜、导电高分子、金属材料，金属材料包括纯金属和合金，纯金属选自金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨、钒等，合金可以选自轻合金(铝合金、钛合金、镁合金、铍合金等)、重有色合金(铜合金、锌合金、锰合金、镍合金等)、低熔点合金(铅、锡、镉、铋、铟、镓及其合金)、难熔合金(钨合金、钼合金、铌合金、钽合金等)。居间电极层105的厚度优选100μm-500μm，更优选200μm。

另外，本发明的混合式风力发电装置中的摩擦发电机的数量可以为多个，且多个摩擦发电机可以串联也可以并联。其中，当摩擦发电机并联时可提高电流的输出强度，而摩擦发电机串联时可提高电压的输出大小，从而能够解决单个摩擦发电机输出的电流或电压大小不能满足风能发电系统需求的问题。为了同时获得上述优势，也可以考虑将一部分摩擦发电机并联，将另一部分摩擦发电机串联。

下面结合图1至图3，对本发明的混合式风力发电装置的具体工作过程进行描述：

首先，当风吹动转轴2上的风翼1时，会促使风翼1旋转，进而带动转轴2旋转，以将风能转换为机械能。

其次，转轴2旋转的同时会带动曲柄4围绕转轴2做圆周运动，而曲柄4进行圆周运动的同时也会带动连杆5进行往复运动，由此与连杆5相连的滑块71便会在连杆5的带动下沿滑轨6进行前后移动，从而将转轴2上的机械能传递给滑块71。

然后，设置在滑块71前端的动磁铁73随滑块71一起在滑轨6上前后移动，并往复穿过设置在滑轨6前端的套筒支撑架8内部的通孔82，由于套筒支撑架8的外壁上缠绕有感应线圈81，故在动磁铁73往复穿过套筒支撑架8的时候，感应线圈81中便会产生电流。

最后，在动磁铁73往复穿过套筒支撑架8的同时，动磁铁73也会往复与设置在套筒支撑架8前端的推压磁铁9进行靠近，从而对推压磁铁9施加排斥力，推压磁铁9在排斥力的推动下挤压摩擦发电机10，由此在摩擦发电机10中产生电流。

本发明的混合式风力发电装置通过磁力相斥作用实现对摩擦发电机的挤压，由于滑动磁铁组件构成的传动部件与摩擦发电机之间可以不需要接触，因此，避免了传动部件与摩擦发电机之间的摩擦损耗，提高了摩擦发电机的使用寿命。而且在摩擦发电组件周围设置感应线圈，从而利用电磁感应提高系统的输出电流，显著的提升了设备的发电效率。

进一步，由于风速、用电需求等存在变化，导致产生的电能可能一时无法用尽，因此有必要对多余的电能进行存储，以备需求过大或发电量不足时使用。对此，本发明的混合式风力发电装置进一步包括储能组件，该储能组件与摩擦发电机和感应线圈的输出端相连，用于对摩擦发电机和感应线圈发出的电能进行存储。下面结合图8，对本发明中的储能组件的结构进行具体描述：

如图8所示，储能组件具体包括整流器121、滤波电容122、DC/DC变换器123和储能元件124。其中，整流器121的两个输入端与摩擦发电机和感应线圈的输出端相连，整流器121本质上是一种将交流电能转变为直流电能的电路，其原理是利用二极管的单向导通功能，把交流电转换成单向的直流脉动电压。在整流器121的输出端跨接有滤波电容122，利用该滤波电容的充放电特性，使整流后的直流脉动电压变成相对比较稳定的直流电压。进一步，将滤波后的直流电压接入DC/DC变换器123，对其进行变压处理，得到适合给储能元件124进行充电的电信号。至此摩擦发电机和感应线圈产生的交流电已经转变为可存储的直流电，并最终储存在指定的储能元件124中。储能元件124可以选用锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池或超级电容器。

由此可见，本发明的混合式风力发电装置通过对自然环境中的风能进行收集，经过一系列的转化变为电能，既可直接使用也可通过后续的储能组件将产生的电能进行存储，从而达到了对风能收集目的。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (16)

1.一种混合式风力发电装置，其特征在于，包括：

风能接收组件，活动设置在底座上，能够在风力的作用下旋转；

曲柄连杆组件，一端与风能接收组件相连，另一端与滑动磁铁组件相连，曲柄连杆组件能够随风能接收组件一起旋转，并驱动滑动磁铁组件进行往复运动；

滑动磁铁组件，与曲柄连杆组件相连，能够在曲柄连杆组件的驱动下往复穿过电磁发电组件，并同时对摩擦发电组件施加压力；

电磁发电组件，设置在滑动磁铁组件的前端，在滑动磁铁组件往复穿过电磁发电组件时，能够通过电磁感应原理产生电能，电磁发电组件设置在滑动磁铁组件的前端，包括套筒支撑架(8)和感应线圈(81)，套筒支撑架(8)内部形成有贯穿通孔(82)，感应线圈(81)缠绕在套筒支撑架(8)的外壁上，滑动磁铁组件中的滑动磁铁(7)能够往复穿过套筒支撑架(8)内部的通孔(82)，以在感应线圈(81)内产生电能；

摩擦发电组件，设置在电磁发电组件的前端，在滑动磁铁组件的压力作用下，能够通过摩擦发电产生电能，摩擦发电组件设置在电磁发电组件的前端，包括推压磁铁(9)和摩擦发电机(10)，推压磁铁(9)设置在摩擦发电机(10)上，并与套筒支撑架(8)内部的通孔(82)相对，滑动磁铁组件中的滑动磁铁(7)与推压磁铁(9)为同极性相对，以对推压磁铁(9)施加挤压摩擦发电机(10)的排斥力，使摩擦发电机(10)通过挤压产生电能。

2.根据权利要求1所述的混合式风力发电装置，其特征在于，滑动磁铁组件包括滑轨(6)和滑动磁铁(7)，滑动磁铁(7)滑动设置在滑轨(6)上，并与曲柄连杆组件相连，在曲柄连杆组件的驱动下，滑动磁铁(7)能够在滑轨(6)上进行往复运动；滑动磁铁(7)包括滑块(71)、间隔块(72)和动磁铁(73)，动磁铁(73)设置在滑块(71)的前端，非磁性的间隔块(72)设置在动磁铁(73)与滑块(71)之间，滑块(71)滑动设置在滑轨(6)上，并与曲柄连杆组件相连。

3.根据权利要求1所述的混合式风力发电装置，其特征在于，风能接收组件包括风翼(1)和转轴(2)，风翼(1)设置在转轴(2)的顶部，风力作用于风翼(1)上时，风翼(1)和转轴(2)能够一起旋转。

4.根据权利要求3所述的混合式风力发电装置，其特征在于，底座上设置有支撑风翼(1)和转轴(2)的固定架(3)，转轴(2)纵向穿过固定架(3)。

5.根据权利要求3所述的混合式风力发电装置，其特征在于，曲柄连杆组件包括曲柄(4)和连杆(5)，曲柄(4)的一端与风能接收组件中的转轴(2)相连，另一端与连杆(5)相铰接，连杆(5)的另一端与滑动磁铁组件相连，曲柄(4)能够随转轴(2)一起旋转，并通过连杆(5)驱动滑动磁铁组件进行往复运动。

6.根据权利要求1所述的混合式风力发电装置，其特征在于，摩擦发电机(10)包括：依次层叠设置的第一电极(101)，第一高分子聚合物绝缘层(102)，以及第二电极(103)；

第一电极(101)设置在第一高分子聚合物绝缘层(102)的第一侧表面上，第一高分子聚合物绝缘层(102)的第二侧表面朝向第二电极(103)设置；

第一电极(101)和第二电极(103)为摩擦发电机(10)的输出端。

7.根据权利要求6所述的混合式风力发电装置，其特征在于，第一高分子聚合物绝缘层(102)朝向第二电极(103)的面上设有微纳结构(106)。

8.根据权利要求6所述的混合式风力发电装置，其特征在于，摩擦发电机(10)为拱形形状，摩擦发电机(10)中的第二电极(103)与第一高分子聚合物绝缘层(102)之间具有拱形间隙。

9.根据权利要求6所述的混合式风力发电装置，其特征在于，摩擦发电机(10)进一步包括：设置在第二电极(103)和第一高分子聚合物绝缘层(102)之间的第二高分子聚合物绝缘层(104)；

第二电极(103)设置在第二高分子聚合物绝缘层(104)的第一侧表面上，第二高分子聚合物绝缘层(104)的第二侧表面与第一高分子聚合物绝缘层(102)的第二侧表面相对设置。

10.根据权利要求9所述的混合式风力发电装置，其特征在于，第一高分子聚合物绝缘层(102)和第二高分子聚合物绝缘层(104)相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构(106)。

11.根据权利要求9所述的混合式风力发电装置，其特征在于，摩擦发电机(10)为拱形形状，摩擦发电机(10)中的第二高分子聚合物绝缘层(104)与第一高分子聚合物绝缘层(102)之间具有拱形间隙。

12.根据权利要求9所述的混合式风力发电装置，其特征在于，摩擦发电机(10)进一步包括：设置在第一高分子聚合物绝缘层(102)和第二高分子聚合物绝缘层(104)之间的居间薄膜层(100)；

居间薄膜层(100)为聚合物薄膜层，居间薄膜层(100)和第一高分子聚合物绝缘层(102)相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构(106)，和/或居间薄膜层(100)和第二高分子聚合物绝缘层(104)相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构(106)。

13.根据权利要求12所述的混合式风力发电装置，其特征在于，摩擦发电机(10)为拱形形状，摩擦发电机(10)中的第二高分子聚合物绝缘层(104)、第一高分子聚合物绝缘层(102)与居间薄膜层(100)之间具有拱形间隙。

14.根据权利要求9所述的混合式风力发电装置，其特征在于，摩擦发电机(10)进一步包括：设置在第一高分子聚合物绝缘层(102)和第二高分子聚合物绝缘层(104)之间的居间电极层(105)；

居间电极层(105)和第一高分子聚合物绝缘层(102)相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构(106)，和/或居间电极层(105)和第二高分子聚合物绝缘层(104)相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构(106)；

第一电极(101)和第二电极(103)串联为摩擦发电机(10)的一个输出端，居间电极层(105)为摩擦发电机(10)的另一个输出端。

15.根据权利要求14所述的混合式风力发电装置，其特征在于，摩擦发电机(10)为拱形形状，摩擦发电机(10)中的第二高分子聚合物绝缘层(104)、第一高分子聚合物绝缘层(102)与居间电极层(105)之间具有拱形间隙。

16.根据权利要求1所述的混合式风力发电装置，其特征在于，还包括与电磁发电组件和摩擦发电组件相连的储能组件，储能组件包括：

整流器(121)，与电磁发电组件和摩擦发电组件相连；

滤波电容(122)，跨接在整流器(121)的输出端；

DC/DC变换器(123)，与滤波电容(122)的输出端相连；以及

储能元件(124)，与DC/DC变换器(123)的输出端相连。