CN107246353B - 一种利用摩擦发电原理的风力发电装置 - Google Patents

一种利用摩擦发电原理的风力发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及能源领域，特指一种利用摩擦发电原理的风力发电装置。该发电机的结构主要由支架(6)，主轴(4)，插片盘(2)，插片杆(8)构成。其中两对支架(6)分别安装固定于支撑处，起支撑整体结构作用。风力带动扇叶，从而带动主轴(4)转动。插片盘(2)安装在主轴(4)上，插片盘(2)上装有摩擦片(1)，同时支架(6)上均匀开八个孔，使得插片杆(8)固定于其上。另外本发明基于摩擦发电原理，构建结构更加完善稳定，性能更加优越的风力发电机。本发明采用模块化设计，便于拆装以及更换摩擦片，使得设备更容易实用化，易制备，易维护，使得使用的寿命得到延长，成本得到降低。从而促进风力发电机的广泛运用。

Description

一种利用摩擦发电原理的风力发电装置
技术领域
本发明涉及能源领域，特指一种利用摩擦发电原理的风力发电装置，在保证其发电稳定与足量的同时，降低制造成本；易于拆装与维护；重量大大减轻，真正做到轻量化设计。
背景技术
在一些平原或高原地带有丰富的风力资源。但是由于这些地区人口稀少，导致供电不经济，如果利用当地丰富的风力资源进行发电，既解决了当地居民的用电问题，也节省了国家的财力和物力，同时也有效的利用了自然资源。风力资源是取之不尽用之不绝的，利用风力发电可以减少环境污染，节省煤炭、石油等常规能源。风力发电技术可以灵活应用，既可以并网运行，也可以离网独立运行，还可以与其它能源技术组成互补发电系统。风电场运营模式可以为国家电网补充电力，小型风电机组可以为边远地区提供生产、生活用电。但是目前的风力发电机还存在着机组成本过高，以及维护困难等问题。
a)我国的风能资源极其丰富
我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW(陆地上离地10m高度资料计算)，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW。而2014年底全国电力装机约13.6亿kW，其中并网风电0.96亿kW。风能是没有公害的能源之一，而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。
b)风力发电机需要简化结构并且降低制造成本
风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行，我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电及机的系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器，这些机构复杂并且造价昂贵，导致风力发电成本往往高于常规发电站，如果可以将风力发电机制造成本降低，可以真正实现风力发电机的大幅度推广。
c)风力发电机需要降低维护成本
目前国内风力发电机的维护成本还是很高，维护费用包括：运维整体费用，定检费用和技术改造费用。具不完全统计，一个风场平均每年参考费用为240万，折合到每台费用为7万每台的维护费用。如此高昂的价格下，简化风力发电机的设计结构以及方便拆卸与安装就显得十分重要了。
国内外许多团队都在为此而努力，并取得了丰硕成果，但也存在一些尚未解决的问题。申请号为201521068165.9的中国发明专利申请公开了一种摩擦发电机,包括多个摩擦发电组件和多个固定连接部件，多个摩擦发电组件依次层叠设置，其中，每个摩擦发电组件包括多个单体摩擦发电机，多个固定连接部件分别设置在多个摩擦发电组件上，但该发电装置结构复杂，成本过高，不易大幅度推广。申请号为201510001078.X的中国发明专利申请公开了一种用于沙漠防风固沙与摩擦发电的风力摩擦发电装置，提供了一种防风固沙的风力摩擦发电装置，在风力驱动下，柔性摩擦电极抖动并与沙丘表面及风力扬起的沙粒摩擦，从而使得电极表面摩擦接触带电，与接地电极之间产生脉冲式静电电流，达到沙漠风力发电的目的，但是该结构所能发出的电流过小，在沙漠中不如利用更成熟的太阳能发电，可行性不高。在此背景下，对于摩擦风力发电机的结构改进以及降低成本就迫在眉睫了。而本发明基于摩擦发电原理，构建结构更加完善稳定，性能更加优越的风力发电机。
发明内容
本发明基于摩擦发电原理，构建轻量化，性能优越，结构稳定的风力发电机。本发明采用模块化设计，便于拆装以及更换摩擦片，使得设备更容易实用化，易制备，易维护，使得使用的寿命得到延长，成本得到降低。从而促进风力发电机的广泛运用。
本发明主体结构装配图如图一所示，结构主要由支架、，主轴，插片盘，插片杆，摩擦片和扇叶构成。两个支架分别通过地脚螺钉安装于基座，起支撑固定整体结构作用。主轴的两端安装在两个支架的中心，主轴的一端安装扇叶，风力带动扇叶，从而带动主轴转动。插片盘安装在主轴上，采用键连接。插片盘上装有摩擦片，同时支架边缘上均匀开八个孔，使得插片杆固定于其上。每支插片杆上装有另外的一副摩擦片，此处的摩擦片应该与插片盘上的摩擦片在空间位置上实现对正对齐，即当主轴旋转起来时，可以实现摩擦片之间的相互拍打，接触，摩擦与分离，从而形成电荷的移动。摩擦片采用三层结构，PDMS材料与铝箔胶带贴装在碳纤维贴片的正反两面上，占据碳纤维贴片的前端80％的部分，剩余部分由韧性材料包裹，从而让拍打过程中产生形变的摩擦片根部的弯曲应力主要由韧性材料承受，从而防止摩擦材料的磨损或折断，提高使用寿命。摩擦片设计为条状，根部插于槽内，从而大大增加了摩擦片之间的接触面积，提高了摩擦片安装的稳定性，提高了发电机的功率。
发电机包含两个电极，即电极一，电极二。插片杆上的摩擦片连接导线并通过各自插片杆上的槽通到支架，串联之后导出作为电极一。
插片盘上的摩擦片通过导线串联，串联之后的导线通过插片盘上开出的槽汇聚到一起，并穿过主轴中间的空腔导出。由于这部分导线将随着主轴旋转，故需外接电刷。
附图说明
图1所述为风力摩擦发电机的主体结构装配图。
图2所述为插片杆零件示意图。
图3所述为插片盘零件示意图。
图4所述为主轴零件示意图。
图5所述为风力摩擦发电机的正负电极结构示意图。
图6为摩擦片组成示意图。
图中：1、摩擦片，2、插片盘，3、扇叶，4、主轴，5、轴承端盖，6、支架，7、螺母，8、插片杆，9、电极一，10、电极二，11、PDMS材料，12、碳纤维贴片，13、铝箔胶带。
具体实施方式
本发明主要涉及三个部分的设计：支撑结构设计，摩擦结构设计以及排线结构设计。支撑结构主要包括支架6和插片杆8，以及主轴4的安装。支架6上打有地脚螺钉孔，用于整个装置的连接与固定。两个支架上有八个在360度上按步距角45度，位置均匀排布的通孔，插片杆8从一个支架的一端插入，从另一端伸出，然后用螺母锁紧，从而保证整体结构的稳定性，同时这样的结构便于拆装插片杆，使得其上的摩擦片便于检修与更换，同时这样用螺杆连接，大大减小了支架6的结构复杂性，从而使得支架更容易加工，减少了支架6的成本。插片杆插入支架6后，将杆旋转适当角度，使得槽对着外面，以便于摩擦片安装，安装上摩擦片后，再将杆旋转到对心方向，锁紧螺母7即可，这种设计安装方便，更换摩擦片时无需拆散整个框架，只需松开螺母7，重复上述步骤即可，同时可以按需添加插片杆8和插片盘2上摩擦片的数量，在我们系统研究发电机特性时，比较方便。主轴4的设计考虑插片盘2在安装精度与安装稳定性，以及主轴4本身轴向窜动，径向跳动的消除。因此我们在主轴4与支架6相接处，用轴承来控制径向跳动与轴向窜动，轴承一端用轴肩，另一端用轴承端盖5来确保轴承在主轴上的定位与安装的稳定性。插片盘2在主轴4上安装主要靠轴肩和轴套来控制位置度。插片盘2与主轴4之间用标准键连接。
本发明的摩擦结构设计主要包括摩擦片的安装和摩擦片的制备这两个方面。本发明在摩擦片与插片杆和插片盘的连接方面，创新的在杆与盘上开槽而非采用一个简单的螺钉连接，将摩擦片直接插装在其中，两侧再用螺钉拧紧，这种设计增加了联结结构的接触面积，极大减小了弯曲应力，有效防止摩擦片根部折断，延长了摩擦片的使用寿命。摩擦片的结构呈条状，大大增加了摩擦面积，从而减少了上下摩擦片的位置度误差的影响。摩擦片由三层材料构成：以碳纤维贴片层为基体，在一面贴装铝箔，另一面贴附PDMS。采用市场上常见的铝箔胶带即可将铝箔粘于碳纤维表面，由于铝材具有极好的延展性，拍打中产生的形变不会使其开裂。PDMS是一种高分子有机硅化合物，使用简单，具有极好的粘附性。制备摩擦片时，只需将粘稠的PDMS液体均匀涂抹在碳纤维贴片的表面，再以一定温度加热，使得PDMS固化，形成抗磨损抗弯曲能力极强的复合材料表面。同时由王中林团队的研究结果可知，材料表面结构通过微加工出各种阵列模型，其发电的效率、功率远远大于表面杂乱的材料，因此我们可以在PDMS固化时，采用微加工，使得PDMS材料摩擦发电性能得到充分发挥。由此我们可以制备一面是金属，一面是高分子聚合物的摩擦片，以满足发电机要求。
排线结构设计主要包括电极导线的排布、走线方法这两个方面。对称均匀结构使得输出效率更高，输出能量更容易收集，因此在设计中，将整体结构按环形排布于主轴周围，使得摩擦片之间的拍打具有周期性，即可使得所收集的电流具有类似交流电的特征。当风力带动扇叶，扇叶带动主轴4，主轴4带动插片盘2，插片盘2上的摩擦片1随之转动，与插片杆8上的摩擦片相互拍打，发生接触与分离。在接触与分离的过程中，金属与PDMS高分子聚合物本身的电荷平衡被打破，从而形成了电势差，产生得失电子的过程，进而形成了电荷流动，有效地将风能转化电能。导线在整体装置的排布要注意整体性与使用性，尽量避免不同导线相互缠绕，因此我们在插片杆8与插片盘2上都开设了专门的导线槽，用于导线的集束与走线，插片杆8上的导线是固定的，因此可直接通过支架6上的导线槽导出。而插片盘2上的导线会随着插片盘一起转动，因此将主轴的前端做成中空结构，方便将导线从主轴导出。具体来说，导线分别将插片杆8的摩擦片并联起来，合为一股线后通过导线槽导出，形成电极一9。另一输出极插片盘2上导线并联，合为一股线之后，通过轴的中心孔导出，由于此时导线会随中心轴旋转而旋转，需要外接电刷，从而形成电极二10。

Claims (4)

1.一种利用摩擦发电原理的风力发电装置，所述发电装置包括支架(6)，主轴(4)和扇叶(3)，两个支架(6)分别通过地脚螺钉安装于基座，起支撑固定整体结构作用；主轴(4)的两端安装在两个支架(6)的中心，主轴(4)的一端安装扇叶(3)，风力带动扇叶(3)，从而带动主轴转动，其特征在于：还设有插片盘(2)，插片杆(8)和摩擦片(1)，插片盘(2)安装在主轴(4)上，采用键连接，插片盘(2)上装有摩擦片(1)，同时支架(6)边缘上均匀开八个孔，使得插片杆(8)固定于其上，每支插片杆上装有另外的一副摩擦片，此处的摩擦片应该与插片盘上的摩擦片在空间位置上实现对正对齐，即当主轴旋转起来时，能够实现摩擦片之间的相互拍打，接触，摩擦与分离，从而形成电荷的移动；
摩擦片采用三层结构，PDMS材料(11)与铝箔胶带(13)贴装在碳纤维贴片(12)的正反两面上，占据碳纤维贴片( 12)的前端80％的部分，剩余部分由韧性材料包裹，从而让拍打过程中产生形变的摩擦片(1)根部的弯曲应力主要由韧性材料承受，从而防止摩擦材料的磨损或折断，提高使用寿命；
两个支架上有八个在360度上按步距角45度，位置均匀排布的通孔，插片杆从一个支架的一端插入，从另一端伸出，然后用螺母锁紧，从而保证整体结构的稳定性，同时这样的结构便于拆装插片杆，使得其上的摩擦片便于检修与更换，同时这样用螺杆连接，大大减小了支架的结构复杂性，从而使得支架更容易加工，减少了支架的成本；插片杆插入支架后，将杆旋转适当角度，使得槽对着外面，以便于摩擦片安装，安装上摩擦片后，再将杆旋转到对心方向，锁紧螺母即可，这种设计安装方便，更换摩擦片时无需拆散整个框架，只需松开螺母，重复上述步骤即可，同时可以按需添加插片杆和插片盘上摩擦片的数量；
在摩擦片与插片杆和插片盘的连接方面，将摩擦片直接插装在其中，两侧再用螺钉拧紧，增加了联结结构的接触面积，极大减小了弯曲应力，有效防止摩擦片根部折断，延长了摩擦片的使用寿命；摩擦片设计为条状，根部插于槽内，从而大大增加了摩擦片之间的接触面积，提高了摩擦片安装的稳定性，提高了发电机的功率。
2.如权利要求1所述的一种利用摩擦发电原理的风力发电装置，其特征在于：所述风力发电装置还设有电极一和电极二，插片杆上的摩擦片连接导线并通过各自插片杆上的槽通到支架，串联之后导出作为电极一；插片盘上的摩擦片通过导线串联，串联之后的导线通过插片盘上开出的槽汇聚到一起，并穿过主轴中间的空腔导出，由于这部分导线将随着主轴旋转，故需外接电刷，形成电极二。
3.如权利要求1所述的一种利用摩擦发电原理的风力发电装置，其特征在于：在主轴与支架相接处，用轴承来控制径向跳动与轴向窜动，轴承一端用轴肩，另一端用轴承端盖来确保轴承在主轴上的定位与安装的稳定性；插片盘在主轴上安装主要靠轴肩和轴套来控制位置度；插片盘与主轴之间用标准键连接。
4.如权利要求1所述的一种利用摩擦发电原理的风力发电装置，其特征在于：当风力带动扇叶，扇叶带动主轴，主轴带动插片盘，插片盘上的摩擦片随之转动，与插片杆上的摩擦片相互拍打，发生接触与分离；在接触与分离的过程中，金属与PDMS高分子聚合物本身的电荷平衡被打破，从而形成了电势差，产生得失电子的过程，进而形成了电荷流动，有效地将风能转化电能。
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