CN105756861A - 一种低风速可启动的电磁—压电复合式风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低风速可启动的电磁—压电复合式风力发电机，包括风机叶片，附有磁铁与线圈的风机端盖，与风机端盖固联的第一轴，起支撑作用的轴承，表面附有球形突起的第二轴，离心式离合器，包住两轴的箱体以及箱体内壁嵌有的若干矩形悬臂梁压电振子。所述的离心式离合器联接第一轴与第二轴，实现第一轴与第二轴的离合。正常风速下，风机叶片带动风机端盖及第一轴转动，由于风机端盖中的线圈切割磁力线产生电能，此时离合器未传动，第二轴不转动。风速降低时，离合器工作，使得第一轴带动第二轴转动，同时第二轴上的凸起拨动箱体内壁上嵌有的悬臂梁压电振子，悬臂梁压电振子发生形变后，实现正压电效应，产生电能。

Description

一种低风速可启动的电磁—压电复合式风力发电机

技术领域:

本发明涉及新能源领域，具体涉及一种低风速可启动的电磁—压电复合式风力发电机。

背景技术

进入21世纪以来，随着科技的进步人类对新能源的开发与应用的程度加大，其中风能更是作为一种广泛存在的清洁能源备受重视。提高风能电能间的转化率一直是研究发电机的重点与难点。在传统风力发电机中，对风速的要求往往过高，为了提高对风能利用率，利用压电材料的特性，将压电装置运用到传统风力发电机上，可以降低发电机对风速的要求，提高风能的转化率。

对传统小型发电机的改造，应用压电悬臂梁提高压电装置的发电效率，使其在各风速下均能发电。同时为避免压电材料高频下的损毁，利用离心式离合器在高风速下停止压电发电装置的运行。应用同步电荷提取技术进一步提高压电部分的发电效率，并与电磁式发电装置所产生的电能共同为蓄电池充电。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术缺陷，提供一种低风速可开启，且高风速下自动保护压电材料的压电风能发电机。该发电机包括风机，悬臂梁式压电振子，离心式离合器及第一轴、第二轴。悬臂式压电振子的最优发电工况发生于风机转速较低时段，从而风机开启风速得以降低。启动的风机首先带动前后端盖进行回转运动，其内吸附的磁铁即转子部分与固定的盘型线圈即定子部分相对转动，切割磁感线，从而实现风能转换为机械能并通过电磁感应效应将机械能转换为电能，实现所述装置第一部分的电能收集。低速状态下，所述后端盖连接第一轴做回转运动，通过离心式离合器将转矩传递至第二轴，轴上凸起有效击打压电悬臂梁迫使其形变，从而通过压电效应将机械能转换为电能，实现所述装置第二部分的电能收集。高风速下，第一轴转速提高，当风速达到临界值时离心式离合器作用，离合器臂张开，实现第一轴与第二轴运动的分离，从而实现所述装置高风速下对压电材料的自动保护。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种低风速可开启，且高风速下自动保护压电材料的压电风能收集装置，风机在低风速下开启。压电发电装置中的压电发电材料根据装置所属风区最常风速进行选取，从而保证风机在低风速下的发电效率。

所述压电发电装置包括离心式离合器后端连接的第二轴，及圆柱形箱体内壁周向固定的压电悬臂梁。压电悬臂梁采用双晶模式，上下各附有PVDF薄膜。压电悬臂梁末端插在箱体内壁的滑槽里；自由端与第二轴上的凸起有重合，从而保证低风速下第二轴在旋转时有效打击压电悬臂梁。

在低风速下，风机叶片带动第二轴旋转，击打压电悬臂梁迫使其发生形变，从而利用压电效应产生电能并收集。

前述的低风速可开启及高风速下自动保护压电材料的压电风能收集装置中，所述的压电悬臂梁为模块化设计。压电悬臂梁末端插在箱体内壁的滑槽里，取下箱体后盖，每一片压电振子可以自由得从滑槽中滑出或向滑槽内安装新的压电振子，从而实现前述压电风能发电部分的模块化。

前述的离心式离合器外形为圆柱体，中心有通孔，内部设有两个离合器臂和对应的受压弹簧，离合器臂内含有高密度的质量球。低转速下弹簧压紧离合器臂，使其抱紧第二轴从而传递叶片旋转的转矩；高转速下，离合器臂与其内的质量球受离心力作用压缩弹簧，克服弹簧作用力张开，松开第二轴。从而实现传动的隔离，保护压电悬臂梁，避免其在高频激励下发生失效或发电情况不稳的情况。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明将风能转化为机械能，分别利用电磁感应效应和压电效应将机械能转化为电能，最终整流后为所需设备进行供电。压电设备收集的电能可用于远端无线传感节点或人员到达困难的低功耗器件或系统的自供电，使其不用定期更换化学电池，节省人力物力；发电机设备收集的电能可正常汇入电网或整流后供给家用小型设备，与传统风机类似；压电发电部分的设置使电机在较低风速下可开启，且能保证一定的发电量，相比原始单发电机发电的设备，本发明发电效率更高，实现了对低速风能的俘获；电机发电所在的第一轴和压电材料发电所在的第二轴可在一定转速下脱离，克服了引入压电材料发电带来的高频激励下发电不稳或材料易发生损坏的问题；模块化设计，可对悬臂梁进行更换和个数调节，方便维修和改造；本发明还具有材料消耗少，使用寿命长，成本低，易于生产、安装和维护等优点。

附图说明

图1是低风速可启动的电磁—压电复合式风力发电机示意图。

图2是风机局部示意图。

图3是离心式离合器示意图。

图中：1-风机；2-第一轴；3-第一轴承；4-第一轴承；5-第三轴承；6-离心式离合器；7-第二轴；8-箱体；9-悬臂梁压电振子；10-前端盖；11-磁铁；12-风机叶片；13-定子线圈；14-后端盖；15-凸起；16-离合器臂；17-机架；18-离合器质量球；19-离合器弹簧。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明，本具体实施方式在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些方式仅用于说明本发明而不限制本发明的范围。

如图1、图2和图3所示，本发明工作原理如下：风带动风机叶片(12)、前端盖(10)、后端盖(14)以及固定在前后端盖上面的磁铁(11)一同转动，线圈(13)通过轴承联接在前、后端盖上并且不随端盖转动，通过线圈(13)与磁铁(11)的相对转动构成了线圈切割磁感线的运动进而达到发电的目的，此为低风速和高风速情况下均有效的发电形式。与风机后端盖相联接的第一轴(2)通过第一轴承(3)和第二轴承(4)安放在箱体(8)内，第一轴(2)与第二轴(7)通过离心式离合器(6)相连接，在风速达到临界值的时候可通过离心式离合器(6)实现第一轴与第二轴的运动的连接与断开。第二轴(7)通过第三轴承(5)安放在箱体(8)内，第二轴(7)上部分位置设计有凸起(15)。悬臂梁压电振子(9)安插在箱体(8)的内壁上加工好的槽中，实现周向均布，轴向等距间隔且在一定长度内分布(总体上与凸起呈一一对应关系)。离心式离合器的主要部件有离合器臂(16)、质量球(18)、弹簧(19)，弹簧为根据需要的离合器力学关系所设计选用的。在低风速下，风带动风机前端盖10和后端盖(14)以及第一轴(2)转动，此时离心式离合器(6)不工作，离合器臂(16)夹紧第二轴(7)，使第一轴(2)的运动通过离心式离合器(6)传递给第二轴(7)，第二轴(7)的转动使得轴上凸起(15)以一定频率拨动悬臂梁压电振子(9)，通过悬臂梁压电振子(9)的压电效应发电，达到电磁—压电复合式发电效果。当风速上升到临界值，离心式离合器(6)内部质量球(18)所受离心力大于弹簧(19)的压力，于是便压缩弹簧(19)，使得离合器臂(16)张开，使第一轴(2)与第二轴(7)分开，避免了高频下压电振子易损坏且发电效率不高的缺点。

Claims (3)

1.一种低风速可启动的电磁—压电复合式风力发电机，其特征在于：其包括风机(1)、第一轴(2)、第一轴承(3)、第二轴承(4)、第三轴承(5)、离心式离合器(6)、第二轴(7)、箱体(8)和悬臂梁压电振子(9)；风机(1)包括前端盖(10)，磁铁(11)，叶片(12)，定子线圈(13)，后端盖(14)；当叶片(12)迎风时，叶片(12)带动前、后端盖(14)做回转运动，前、后端盖上吸附有磁铁(11)，从而定子线圈(13)切割磁感线进行电磁发电；第一轴(2)与后端盖(14)通过螺丝固定；离心式离合器(6)联接第一轴(2)与第二轴(7)，低风速时离心式离合器(6)传递第一轴(2)的转矩与动力给第二轴(7)，第二轴上的凸起(15)拨动悬臂梁压电振子(9)，悬臂梁压电振子(9)变形后产生电能；当风速增加到临界值时，风机叶片(12)及前端盖(10)、后端盖(14)带动第一轴(2)的转速升高，离心式离合器(6)作用，离合器臂(16)张开，从而实现第一轴(2)与第二轴(7)运动的分离；也避免了悬臂梁压电振子(9)在高频下易损坏且发电效率不高的缺点；箱体(8)固定在机架(17)上，第一轴(2)与第二轴(7)通过滚第一轴承(3)、第二轴承(4)和第三轴承(5)承接与箱体内；箱体内壁表面开有槽，槽上插有悬臂梁压电震子(9)，悬臂梁压电振子(9)自由端与第二轴上的凸起(15)有重合。

2.根据权利要求1所述的一种低风速可启动的电磁—压电复合式风力发电机，其特征在于：在低风速时风机叶片(12)切割磁感线进行电磁发电，同时第二轴上凸起(15)拨动悬臂梁压电振子(9)，悬臂梁压电振子(9)变形后产生电能，从而实现电磁—压电复合式风能收集方法。

3.根据权利要求1或2所述的一种低风速可启动的电磁—压电复合式风力发电机，其特征在于：所述的离心式离合器(6)包括质量球(18)、离合器臂(16)和弹簧(19)；离合器(6)一端与第一轴(2)固联，当风速增加到临界值时，第一轴(2)转速升高，离合器内质量球(18)受离心力，推动离合器臂(16)，离合器臂(16)克服弹簧(19)压力张开，从而实现第一轴(2)与第二轴(7)运动的分离。