CN107288820A - 一种基于介电弹性体的风力发电装置 - Google Patents

一种基于介电弹性体的风力发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于介电弹性体的风力发电装置，所述风力发电装置(100)包括底座板(1)、支架(2)、介电弹性体(3)、风车组件(4)、以及连杆(5)，所述支架(2)和所述介电弹性体(3)均设于所述底座板(1)上，所述风车组件(4)设于所述支架(2)上，所述连杆(5)的一端与所述介电弹性体(3)连接，其另一端受所述风车组件(4)驱动，所述风车组件(4)旋转驱动所述连杆(5)往复运动，使得所述介电弹性体(3)呈现周期性压缩与回弹的运动状态，实现机械能与电能的转换。本发明提供的风力发电装置利用介电弹性体周期性压缩与回弹的运动状态发电，与能量源直接耦合，无需中间转换环节，无运动频率要求，适用范围广。

Description

一种基于介电弹性体的风力发电装置
技术领域
本发明涉及能源发电技术领域，具体涉及一种基于介电弹性体的风力发电装置。
背景技术
近年来，随着通信技术的发展，人类对电力的需求日趋增强，同时随着环保意识的进步，各种清洁能源的有效利用受到学界的广泛关注。
风能作为一种清洁的可再生能源，蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
风力发电的装置称作风力发电机组。目前风力发电机组的工作原理为电磁式，基本组成包括风轮、发电机、塔架，风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机均匀运转，把机械能转变为电能。铁塔作为构架支承风轮和发电机。现有的风力发电机组对风力的要求比较高，只有较大、较均匀的风力才能使得发电机发电，因此风力发电机组的位置一般比较偏远，远离城市，铁塔也一般修建得比较高，才能获得具有足够强度的风力。除此之外，风力发电机组一般还设有电子控制装置、偏航装置、液压系统、冷却系统等设备，因此现有的风力发电机组结构复杂，发电成本高，维护不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于介电弹性体的风力发电装置，用于解决现有的风力发电机组结构复杂、发电成本高的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于介电弹性体的风力发电装置，所述风力发电装置包括底座板、支架、介电弹性体、风车组件、以及连杆，所述支架和所述介电弹性体均设于所述底座板上，所述风车组件设于所述支架上，所述连杆的一端与所述介电弹性体连接，其另一端受所述风车组件驱动，所述风车组件旋转驱动所述连杆往复运动，使得所述介电弹性体呈现周期性压缩与回弹的运动状态，实现机械能与电能的转换。
优选地，所述介电弹性体的数量为多个，相邻的两个所述介电弹性体的运动状态相反。
相邻的两个介电弹性体的运动状态相反，能够逐级提升电压，在介电弹性体的击穿电压以内，介电弹性体的发电量可以最大化，同时节省了后续介电弹性体的低压源。
优选地，所述介电弹性体包括平行间隔设置的上圆环、下圆环、以及夹持于所述上圆环和所述下圆环之间的弹性体薄膜，所述上圆环与所述连杆连接，所述下圆环固定于所述底座板上。
本发明提供的介电弹性体通过上下圆环将弹性体薄膜固定，可以获得较大的驱动力，满足对外做功的需要，同时上下圆环的质量增加很小，功率质量比可以成倍提高，而且通过上下圆环的结构也便于安装。
优选地，所述弹性体薄膜呈圆台形。
在介电弹性体的击穿电压范围内，与圆柱形结构相比圆台形结构不易破裂，而且受力均匀，发电效率更高。
优选地，所述弹性体薄膜包括聚合物层、以及涂覆于所述聚合物层的两侧的柔性电极层。
本发明提供的风力发电装置通过聚合物层的压缩和回弹完成电能和机械能的转换，能量密度高，转换效率高。
优选地，所述聚合物层包括丙烯酸、硅橡胶、聚氨酯、丁腈、亚乙烯基氟化三氟乙烯中的任意一种。
本发明提供的各种聚合物层均具有很高的介电强度，较小的弹性模量以及很好的电场击穿特性。
优选地，所述柔性电极层包括导电碳酯、碳纳米管薄膜、石墨中的任意一种。
本发明提供的柔性电极层均具有良好的延展性，能够随着聚合物层的变形而变形。
优选地，所述风车组件包括风车曲轴、以及风叶，所述风车曲轴设于所述支架上，所述风叶设于所述风车曲轴的一端，所述连杆与所述风车曲轴连接。
本发明提供的风车组件利用风力旋转风叶，并在风车曲轴的带动下使得连杆随之往复运动，结构简单，可以连续不断的利用风能。
优选地，所述风车组件还包括设于所述风叶后端的加速装置，改变所述风叶的转速。
本发明提供加速装置改变风叶的转速，缩短介电弹性体的发电周期，提高风力发电装置的发电量。
优选地，所述风力发电装置还包括与所述介电弹性体连接的储电装置，储存所述介电弹性体转换的电能。
本发明提供储电装置收集电能，使得所述风力发电装置转换的电能得到及时的储存和利用，也可以供其他设备充电。
相比于现有技术，本发明提供的基于介电弹性体的风力发电装置具有以下优势：
一、本发明提供的风力发电装置利用介电弹性体受力周期性压缩与回弹的运动状态进行发电，与能量源直接耦合，无需中间转换环节，对风力的要求低，无运动频率要求，风车组件能够旋转即可，适用范围广，偏远地区或者城市里均可应用；
二、本发明通过风车组件和连杆的配合使得介电弹性体周期性运动，不需要复杂的铁塔等设备，结构简单，使用寿命长，加之介电弹性体自身具有发电比能量大、应变变形大的优点，本发明提供的风力发电装置能量密度高。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1示出了本发明一种优选实施方式的风力发电装置的结构示意图；
图2示出了图1中介电弹性体的结构示意图；
图3示出了图2中介电弹性体的俯视图；
图4示出了图2中介电弹性体呈压缩状态的原理图；
图5示出了图2中介电弹性体呈回弹状态的原理图。
附图标记
100-风力发电装置， 1-底座板，
2-支架， 3-介电弹性体，
31-上圆环， 311-通孔，
32-下圆环， 33-弹性体薄膜，
331-聚合物层， 332-柔性电极层，
4-风车组件， 41-风车曲轴，
411-主轴颈， 412-连杆颈，
413-曲柄， 42-风叶，
43-加速装置， 5-连杆，
6-储电装置。
具体实施方式
本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。
首先对本发明中涉及的名词进行解释。
应力：物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置，在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。
应力状态：物体中一点在所有可能方向上的应力称为该点的应力状态。
应力张量：应力状态的数学表示。
弹性应力：材料在施加一定负荷后发生形变，在除去外力后能迅速恢复原状的能力称为弹性。在弹性范围内，一定的形变所对应的力即为弹性应力。
麦克斯韦应力张量：描述电磁场带有之应力的二阶张量。麦克斯韦应力张量可以表现出电场力、磁场力和机械动量之间的相互作用。
电活性聚合物(Electroactive Polymers,EAP)：是一类能够在电场作用下，改变其形状或大小的聚合物材料。这类材料常见应用在执行器和传感器上。电活性聚合物的一个典型特性是能够在维持巨大受力作用的同时进行大幅度的变形。电活性聚合物的种类包括导电橡胶、离子交换膜金属复合材料、凝胶体、纳米管及介电弹性体等。
介电弹性体(Dielectric Elastomer,DE)：一种具有高介电常数的弹性体材料，其在外界电刺激下可改变形状或体积，当外界电刺激撤销后，又能恢复到原始形状或体积，从而产生应力和应变，将电能转换成机械能。
介电弹性体材料具有以下突出特点：1.具有大的发电比能量，0.4J/g，与之比较，压电材料中具有最优性能的单晶陶瓷约为0.1J/g，电磁材料约为0.04J/g；2.具有最大的应变变形，可达380％，与之比较，单晶陶瓷为1.7％，电磁材料为50％；3.可与能量源直接耦合，无需中间转换环节；4.柔顺性、耐冲击、材料密度低、成本低；5.可以在很宽范围的温度及湿度下工作。
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提供一种基于介电弹性体的风力发电装置100，所述风力发电装置100包括底座板1、支架2、介电弹性体3、风车组件4、连杆5以及储电装置6，所述支架2和所述介电弹性体3均设于所述底座板1上，所述风车组件4设于所述支架2上，所述连杆5的一端与所述介电弹性体3连接，其另一端受所述风车组件4驱动，具体的，所述风车组件4包括风车曲轴41、风叶42、以及加速装置43，所述风车曲轴41设于所述支架2上，所述风叶42设于所述风车曲轴41的一端，所述连杆5与所述风车曲轴41连接，所述加速装置43设于所述风叶42的后端。
所述风车组件4旋转驱动所述连杆5往复运动，使得所述介电弹性体3呈现周期性压缩与回弹的运动状态，实现机械能与电能的转换，所述介电弹性体3产生的电能由所述储电装置6储存。
所述底座板1为所述风力发电装置100的各部件提供支撑，其材质优选为轻、不易变形的刚性材质，包括亚克力板、树脂材料等。
所述支架2固定于所述底座板1上，所述支架2为两个相对设置的立柱，用于支撑所述风车组件4，每个所述立柱的顶部设有圆孔，所述风车组件4通过所述圆孔安装于所述支架2上，两个所述立柱之间设有多个所述介电弹性体3，所述立柱之间的距离由所述介电弹性体3的数量决定。
所述介电弹性体3为一种具有高介电常数的弹性体材料，其在外界电刺激下可改变形状或体积，当外界电刺激撤销后，又能恢复到原始形状或体积，从而产生应力和应变，将电能转换成机械能。
如图2及图3所示，所述介电弹性体3包括平行间隔设置的上圆环31、下圆环32、以及夹持于所述上圆环31和所述下圆环32之间的弹性体薄膜33，所述上圆环31与所述连杆5连接，所述下圆环32固定于所述底座板1上。
所述上圆环31为圆形的刚性材料，用于固定所述弹性体薄膜33，所述上圆环31上设有通孔311，所述连杆5的一端设于所述通孔311内。在本实施例中，所述通孔311的数量为4个，所述连杆5的一端设于任意一个所述通孔311中均可，当然，所述通孔311的数量也可以为其他。
所述下圆环32为刚性材料，用于固定所述弹性体薄膜33，所述下圆环32上也设有通孔，通过螺钉固定于所述底座板1上。
所述弹性体薄膜33包括聚合物层331、以及涂覆于所述聚合物层331的两侧的柔性电极层332。所述弹性体薄膜33形成“三明治”结构，类似于平行可变电容。
所述聚合物层331为电活性聚合物的一种，受到外力刺激时可改变形状或体积，由于所述聚合物层331为近似不可压缩的材料，即其材料体积大小不会改变，所以所述聚合物层331在水平方向(长宽面积方向)上扩展延伸时，其垂直方向(厚度方向)上就会收缩变小；待外力刺激撤销后，所述聚合物层331会恢复原状。所述聚合物层331包括丙烯酸、硅橡胶、聚氨酯、丁腈、亚乙烯基氟化三氟乙烯中的任意一种，当然，也可以为上述物质为基础的复合材料或者其他电活性聚合物，只要能够在电场作用下，改变其形状或大小即可。
所述柔性电极层332包括导电碳酯、碳纳米管薄膜、石墨中的任意一种，当然，也可以为其他具有延展性的柔性电极材料，能够随着所述聚合物层331的变形而变形。
在本实施例中，所述聚合物层331优选为丙烯酸，所述柔性电极层332优选为导电碳酯。
所述弹性体薄膜33优选呈圆台形，在所述介电弹性体3的击穿电压范围内，圆台形结构不易破裂，而且与圆柱体等其他形状相比，圆台形结构内部受力均匀，在相同厚度条件下，承载能力最高，也使得圆台形结构的发电效率更高。当然，所述介电弹性体3不限于圆台形结构，其他形状也属于本发明的保护范围。
所述介电弹性体3的发电原理：
如图4所示，当在所述介电弹性体3两端通过低压源施加低电压时，所述聚合物层331上下的两个所述柔性电极层332会带有异性电荷并因电荷之间的吸引力而互相靠近，产生静电力(即麦克斯韦应力)作用于所述聚合物层331上，由于所述聚合物层331具有延展性，因此两个所述柔性电极层332相互靠近时所述聚合物层331在厚度方向上被压缩，长宽面积方向上延伸，直到麦克斯韦应力和所述聚合物层331本身的弹性应力达到平衡。此时所述介电弹性体3呈压缩的运动状态，实现电能转变为机械能。
如图5所示，当电场移除后因所述聚合物层331本身的弹性应力大于麦克斯韦应力而使得所述聚合物层331的厚度恢复、长宽面积缩减，此时，所述弹性体薄膜33电容减小，由于电荷量不变，异性电荷被推离，同性电荷由于所述聚合物层331长宽面积的缩减而靠近，电荷密度增加，从而两个所述柔性电极层332之间的电压增加，所述弹性体薄膜33表面上的电荷的电能增加，由此完成机械能向电能的转换过程。
所述介电弹性体3的发电过程即为所述介电弹性体3的压缩与回弹的周期性运动过程，具体的，通过所述聚合物层331的压缩与回弹实现。
所述介电弹性体3的数量为多个，在本实施例中，所述介电弹性体3的数量为4个，所述介电弹性体3的数量越多，其发电量越多，因此可以根据发电需求，设计不同数量的所述介电弹性体3。
相邻的两个所述介电弹性体3的运动状态相反，即第一个介电弹性体3为压缩的运动状态时，第二个介电弹性体3为回弹的运动状态，第三个介电弹性体3与第一个介电弹性体3同步为压缩的运动状态，第四个介电弹性体3与第二个介电弹性体3同步为回弹的运动状态。
相邻的两个所述介电弹性体3的运动状态相反时，第一个介电弹性体3呈压缩状态发电，将发出的电量提供给第二个介电弹性体3，第二个介电弹性体3为回弹状态，将第一个介电弹性体3发出的电量储存，待第二个介电弹性体3呈压缩状态发电，再将发出的电量提供给第三个介电弹性体3，以此类推，始终有一半的介电弹性体3可以发电，保持了发电的持续性，另外此种方式可以逐级提升电压，在所述介电弹性体3的击穿电压以内，最后一个介电弹性体3的发电量可以最大化；同时第一个介电弹性体3发出的电量可以作为低压源提供给第二个介电弹性体3，节省了后续介电弹性体3的低压源，所述低压源的电压范围是200V-3000V，节省了低压源则可以节约能源。当然，相邻的两个所述介电弹性体3的运动状态同步，也属于本发明的保护范围。
如图1所示，所述风车组件4包括风车曲轴41、风叶42、以及加速装置43，所述风车曲轴41设于所述支架2上，所述风叶42设于所述风车曲轴41的一端，所述连杆5与所述风车曲轴41连接，所述加速装置43设于所述风叶42的后端。
所述风车曲轴41包括呈杆状的主轴颈411、多个连杆颈412、以及多个曲柄413，所述主轴颈411的一端与所述风叶42连接，所述主轴颈411的另一端依次穿过所述支架2上的圆孔安装于所述支架2上，所述连杆颈412的轴线平行设于所述主轴颈411的两侧，所述连杆颈412的两端分别通过所述曲柄413与所述主轴颈411连接。
所述风叶42为叶片结构，利用风力带动所述风叶42旋转，继而带动所述风车曲轴41转动，有效将干净清洁的风能资源利用起来。
所述加速装置43改变所述风叶42的转速，具体的，所述加速装置43可以为齿轮结构或者增速机，通过改变所述风叶42的转速，缩短所述介电弹性体3的发电周期，提高所述风力发电装置100的发电量。
所述连杆5的一端与所述介电弹性体3连接，其另一端与所述风车曲轴41连接，具体的，所述连杆5的一端设于所述介电弹性体3的通孔311内，所述连杆5的另一端与所述风车组件4的连杆颈412连接。
所述储电装置6储存所述介电弹性体3转换的电能，供给蓄电池或电子设备充电。所述储电装置6设有控制电路和电容，能够将所述介电弹性体3转换的电能储存。
低压源预先为第一个介电弹性体3提供电压，使得所述介电弹性体3预变形，有利于提高所述介电弹性体3的驱动能力。所述风叶42在风力的作用下旋转，并带动所述风车曲轴41转动，所述连杆5与所述连杆颈412连接的一端在所述主轴颈411的作用下做回转运动，所述连杆5的另一端带动所述介电弹性体3做上下往复运动，提供所述介电弹性体3一个强迫位移，使得所述聚合物层331发生变形，所述介电弹性体3进行压缩与回弹的周期性运动，产生电能。
以单个所述介电弹性体3发电为例，所述聚合物层331的外径80mm，内径35mm，低压源为500V，所述介电弹性体3连续变形50次，产生23mm位移，可以发电7.755mJ，通过改变所述介电弹性体3的大小和提高低压源的电压都可以进一步提升电量。
应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。

Claims (10)

1.一种基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于，所述风力发电装置(100)包括底座板(1)、支架(2)、介电弹性体(3)、风车组件(4)、以及连杆(5)，所述支架(2)和所述介电弹性体(3)均设于所述底座板(1)上，所述风车组件(4)设于所述支架(2)上，所述连杆(5)的一端与所述介电弹性体(3)连接，其另一端受所述风车组件(4)驱动，所述风车组件(4)旋转驱动所述连杆(5)往复运动，使得所述介电弹性体(3)呈现周期性压缩与回弹的运动状态，实现机械能与电能的转换。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于，所述介电弹性体(3)的数量为多个，相邻的两个所述介电弹性体(3)的运动状态相反。
3.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于，所述介电弹性体(3)包括平行间隔设置的上圆环(31)、下圆环(32)、以及夹持于所述上圆环(31)和所述下圆环(32)之间的弹性体薄膜(33)，所述上圆环(31)与所述连杆(5)连接，所述下圆环(32)固定于所述底座板(1)上。
4.根据权利要求3所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于，所述弹性体薄膜(33)呈圆台形。
5.根据权利要求3所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于，所述弹性体薄膜(33)包括聚合物层(331)、以及涂覆于所述聚合物层(331)的两侧的柔性电极层(332)。
6.根据权利要求5所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于，所述聚合物层(331)包括丙烯酸、硅橡胶、聚氨酯、丁腈、亚乙烯基氟化三氟乙烯中的任意一种。
7.根据权利要求5所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于，所述柔性电极层(332)包括导电碳酯、碳纳米管薄膜、石墨中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于，所述风车组件(4)包括风车曲轴(41)、以及风叶(42)，所述风车曲轴(41)设于所述支架(2)上，所述风叶(42)设于所述风车曲轴(41)的一端，所述连杆(5)与所述风车曲轴(41)连接。
9.根据权利要求8所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于，所述风车组件(4)还包括设于所述风叶(42)后端的加速装置(43)，改变所述风叶(42)的转速。
10.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于，所述风力发电装置(100)还包括与所述介电弹性体(3)连接的储电装置(6)，储存所述介电弹性体(3)转换的电能。
CN201710573620.8A 2017-07-14 2017-07-14 一种基于介电弹性体的风力发电装置 Active CN107288820B (zh)

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