CN108488046A - 一种风车发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风车发电装置，包括摩擦发电组件和风车组件，其中摩擦发电组件，包括同轴的转子、定子和摩擦层；所述定子表面同圆心排列若干个扇形单元，分别为第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极与外电路连接；所述转子为间隔排列若干同圆心的扇形单元；所述风车组件，包括风车主体和支撑轴；所述风车主体与转子直接固定，风车转动时可以带动转子在支撑轴上自由旋转，所述支撑轴与定子固定；所述摩擦层铺设在转子和定子任意部件上面，位于转子和定子中间，摩擦层与其相接触的扇形单元发生周期性地摩擦，在第一电极和第二电极之间不断地产生电势差，实现了利用风能的高效发电。

Description

一种风车发电装置

技术领域

本发明属于风车发电技术领域，具体涉及一种能够将风吹动风车转动的机械能转换成电能的风车摩擦发电装置并应用于风力发电。

背景技术

随着不可再生能源的逐渐短缺以及物联网大数据时代的快速发展，开发洁净无害的新型能源迫在眉睫。目前利用环境中的能源将其转化为电能的技术主要集中在太阳能、风能、潮汐能等。其中，传统风能的收集主要依靠大量铁塔，成本很高且需要占用大片土地面积。自2012年摩擦纳米发电机能够实现将生活中被忽略的微小的机械能转换为电能至今，越来越多关于新能源的研究涉及摩擦发电领域。摩擦纳米发电机可以收集多种形式的机械能，人体运动能、水波能、风能等等生活中的机械能，具有成本低、结构简单、适用范围广等优势。

中国专利CN104343637A公开了一种风力发电装置，该装置采用静电的方式将环境中的机械能转换为电能，但是该发电装置需要杠杆部件、蜗轮蜗杆、凸轮传动等部件，其结构复杂，体积笨重。现有的风能发电装置，成本高、所占空间大、影响美观等，因此，如果能够实现一种结构简单、收集被忽略的微风能源、美观且具有较高发电效率的风能发电装置，将具有非常重要的意义。

发明内容

要解决的技术问题

本发明所解决的技术问题是现有的风能发电装置主要依靠铁塔、蜗轮蜗杆、转动轴等复杂部件，从而发电机的结构复杂，成本和技术要求高，体积笨重，所占空间大、影响美观等问题。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种风车发电装置，该风车发电装置包括：

摩擦发电组件和风车组件，其中摩擦发电组件，包括同轴的转子、定子和摩擦层；其中所述的转子和定子表面间隔排列若干同圆心的扇形单元；所述定子包括基底和基底上的扇形单元，扇形单元分别为第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极同圆心相邻交叉排列，所述第一电极和第二电极与外电路连接；所述风车组件，包括风车主体和支撑风车的支撑轴；所述摩擦发电组件的转子与所述风车主体直接固定，风车主体转动时可以带动所述转子在所述支撑轴上自由旋转，所述定子与所述的支撑轴固定；所述摩擦层铺设在转子和定子任意部件上面，所述摩擦层的材料与其相互摩擦的扇形单元材料存在不同的摩擦电极序，特定情况下也可以是相同的摩擦电极序。

风车组件，包括风车主体和支撑风车的支撑轴，其中风车主体可以在支撑轴上自由旋转。

进一步地，所述的风车主体，可以为任意叶片个数和形状，例如，4叶风车、太阳花形状的风车等；

进一步地，所述的支撑轴，可以为柔性可弯曲的材质，也可以为硬性不可弯曲的材质；

摩擦发电组件，包括转子和定子，所述转子与风车主体直接固定，所述定子的基底固定在所述的支撑轴上，当风车主体旋转时带动所述转子旋转，可以与所述定子发生相对运动；

进一步地，所述的转子与风车主体直接固定，固定方式可以通过粘贴、溅射、电镀、焊接、任意可以将两个物体进行固定的其他方式；

进一步地，所述的摩擦层铺设在所述定子表面，当风车主体带动转子旋转时，转子上的若干个扇形单元与铺设在定子上的摩擦层材料发生摩擦，根据摩擦起电和静电感应原理，定子上的第一电极和第二电极之间产生电势差，驱动电子移动，在外电路中产生电流，驱动电子设备；

进一步地，所述的摩擦层铺设在所述转子表面，当风车主体带动转子旋转时，定子上的若干个扇形单元与铺设在转子上的摩擦层材料发生摩擦，根据摩擦起电和静电感应原理，定子上的第一电极和第二电极之间产生电势差，驱动电子移动，在外电路中产生电流，驱动电子设备；

进一步地，所述摩擦层铺设在转子和定子任意部件上的方式可以为粘贴、溅射、电镀、焊接、任意可以将两个物体进行固定的其他方式；

进一步地，所述摩擦层，材料选自绝缘体、导体或者半导体材料，所述摩擦层材料与和其进行摩擦的扇形单元材料具有不同的摩擦电极序，特定情况下也可以是相同的摩擦电极序；

进一步地，所述的定子上的第一电极和第二电极，材料为任意可以导电的材料，选自金属导体、半导体、导电高分子或导电陶瓷材料；

进一步地，所述转子上的扇形单元，材料为任意可以摩擦起电的材料，包括导体、半导体、和绝缘材料；

进一步地，所述导体包括可以导电的金属导体、高分子材料和陶瓷材料；所述金属导体包括纯金属或合金，所述纯金属包括金、银、铜、铁、铝、铂、钯、镍、钛、钒、铬、锰、硒、钼和钨；所述合金包括铝合金、铜合金、钛合金、镁合金、铍合金、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、钽合金和铁合金；所述的导电高分子包括聚吡咯、聚苯胺、聚丙烯腈、石墨烯及其衍生物、聚酞菁类化合物、聚氧化乙烯；以上列举的材料均为常见的材料，因为可以导电的材料不胜枚举，故所列举的材料种类对本发明的权利要求不受限制；

进一步地，所述的半导体包括金刚石、闪锌矿、方铅矿、氧化亚铜、锗、硅、酞菁、氮化镓、碳化硅、氧化锌、铟锡氧化物、离子掺杂的半导体；以上列举的材料均为常见的材料，因为可以导电的材料不胜枚举，故所列举的材料种类对本发明的权利要求不受限制；

进一步地，所述的绝缘材料包括聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚薄膜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、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、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素薄膜、天然橡胶、乙基纤维素、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、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维薄膜、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯薄膜、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、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、木头和不具有导电性能的高分子聚合物；以上列举的材料均为常见的材料，因为绝缘的材料不胜枚举，故所列举的材料种类对本发明的权利要求不受限制；

进一步地，所述转子材料和定子材料存在相同或者不同摩擦电极序时，摩擦层可以与转子合二为一；所述定子材料为导电材料且与转子材料存在相同或者不同摩擦电极序时，摩擦层可以与定子合二为一；

进一步地，所述定子、转子和摩擦层，表面可以有至少一种具有微米、纳米、次微结构的微观结构，微观结构选自纳米线、纳米棒、纳米带、纳米颗粒、纳米晶、纳米管、纳米锥、纳米球、纳米阵列、微米球、自组装结构；

进一步地，所述定子，表面的若干个第一电极和若干个第二电极扇形单元，同圆心相邻交叉排列；

进一步地，所述定子，表面的第一电极扇形单元和第二电极扇形单元总圆心角的和，与表面所有相邻第一电极和第二电极间隔圆心角度的和，相加等于360°；

进一步地，所述转子，表面所有扇形单元圆心角的和，与所有扇形单元间隔圆心角度数的和，相加等于360°；

进一步地，所述定子表面的扇形单元的圆心角和尺寸可以相同，也可以不同，不受限制；所述转子表面的扇形单元的圆心角和尺寸可以相同，也可以不同，不受限制；

进一步地，所述转子和定子表面上的扇形单元数量和圆心角可以任意选择；

进一步地，所述转子和定子表面扇形单元圆心角为360度，转子定子可以为圆形之外的正方形、长方形、其他任意形状；定子上的第一电极和第二电极可以合二为一，摩擦发电的工作模式为单电极输出；

进一步地，所述的定子包括基板，用于支撑所述的第一电极和第二电极；

进一步地，所述的基板为刚性基板，包括亚克力、环氧树脂、聚乙烯板、聚氯乙烯板、金属板、合金板或者泡沫塑料板，不限于上述材料，其他刚性材料同样可以适用；

与现有风力发电装置相比，本发明的风车发电装置具有以下有益效果：

1、本发明的一种风车发电装置，包括风车组件和摩擦发电组件，所述的摩擦发电装置包括定子和转子，所述的转子与风车主体直接固定，风车主体带动所述转子旋转，无需蜗轮蜗杆、转动轴等复杂部件，可见与现有的风力发电技术相比，所述的风车发电装置具有结构简单，节约成本，技术要求低的优势；

2、本发明的一种风车发电装置，所述的定子包括基底、第一电极和第二电极，将定子固定在支撑轴上，所述转子可以在支撑轴上自由旋转，位于转子和定子中间的摩擦层材料可以与定子和转子上的扇形单元发生周期性摩擦，通过摩擦起电和电极感应原理将机械能转换成电能，所述的风车发电装置具有灵活、有利于多个风车发电装置的集成，所占空间小，外形美观等特点，是一种绿色环保，经济节约的风力发电模式；

3、本发明的一种风车发电装置，涉及到风力摩擦发电领域且绿色环保，制备简单，外形美观，因此具有广泛的应用前景，适用于供电、装饰、娱乐，以及用于科普教学教具模型展示。

附图说明

为了使本发明的内容更容易理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明做进一步地详细说明，其中

图1是一种典型的风车发电装置；

图2是一种摩擦发电组件中定子的典型示意图；

图3是一种摩擦发电组件中转子的典型示意图；

图4是本发明实施例1中利用摩擦发电的基本原理图；

图5是本发明实施例1中一种风车发电装置实物图；

图6是本发明实施例1中一种风车发电装置整流后短路电流数据图；

图7是另一种摩擦发电组件中定子和转子的典型示意图。

具体实施方法

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

本发明提供一种风车发电装置。该风车发电装置包括风车组件和摩擦发电组件，摩擦发电组件的转子直接与风车主体固定，当风能驱动风车主体转动时，风车直接带动摩擦发电机的转子旋转，从而转子与摩擦发电组件的定子发生相对运动，因摩擦起电和静电感应原理在定子上的第一电极和第二电极之间产生电势差，驱动电子流动并在外电路中产生电流，较现有的风力摩擦发电，该风车发电装置具有组成简单，成本低，技术要求不高、占用空间小、外形美观等特点。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。具体如下：

实施例1

1、一种典型风车发电装置的组成

一种典型风车发电装置包括风车组件1和摩擦发电组件2，风车组件包括风车主体11和支撑轴12，摩擦发电组件包括同轴的定子21、转子23、摩擦层24；其中所述的定子21包括基底22、第一电极25和第二电极26，基底22表面相邻交叉排列若干以支撑轴12为圆心的第一电极25和第二电极26，第一电极25和第二电极26表面铺设摩擦层24，图1是一种以4叶风车为风能接收主体的典型风车发电装置示意图。

所述定子21的基底22表面为以支撑轴12为圆心辐射向外且间隔排列的第一电极25和第二电极26，如图2所示。本实施例中，定子基底22上第一电极25和第二电极26为圆心角相同的扇形单元。本实施例中，转子23表面的扇形单元的圆心角相等，如示意图3所示。本实施例中定子基底22选用刚性的环氧树脂FR-4，厚度为2mm，第一电极25和第二电极26材料均选用纯金属铜，厚度为35μm。摩擦层24通过粘贴的方式贴在定子21表面，材料选用聚四氟乙烯。

2、一种典型风车发电装置的工作原理

本实施例中摩擦发电组件2中的转子23和定子21表面的扇形单元具有相同的圆心角，转子23直接粘贴在本实施例风车主体11的背面，风车11与支撑轴12同轴，摩擦层24粘贴在定子21表面，定子21中起支撑作用的基底22与支撑轴12固定，当起风时，风车11带动转子23在支撑轴12上面自由旋转，旋转的转子23上的扇形单元与粘贴在定子21表面的摩擦层24发生摩擦。下面结合附图中示意图4对本实施例中摩擦发电工作原理进行详细说明，本实施例中转子23的扇形单元材料选自纯金属铜，摩擦层24材料选自聚四氟乙烯，金属铜与聚四氟乙烯之间的摩擦电极序不同，根据摩擦起电现象，转子23扇形单元与摩擦层24相互摩擦，转子23扇形单元表面带正电荷，摩擦层24带负电荷，由于电荷积累此时位于定子21上的第一电极25和第二电极26分别带有等量的负电荷和正电荷，如示意图4(a)所示。当转子23扇形单元旋转一定角度时，由于静电感应原理，第一电极25中的电子经过外电路流向第二电极26，此时在外电路中产生电流，如示意图4(b)所示。当转子23扇形单元继续旋转与第二电极26对齐时，第一电极25和第二电极26分别带有等量的正电荷和负电荷，如示意图4(c)所示。转子23扇形单元周期性地重复示意图4的过程，外电路中不断地有电流对外电路供电。

3、一种风车发电装置的输出性能

本实施例中以4叶风车为风能接收主体，示意图5为本实施例中一种风车发电装置的典型实物图。在微风吹动下，本实施例中的风车发电装置输出的电流经过整流桥整流之后最大输出可达2.6μA，如示意图6所示。

以上所述的实施例，只是本发明中较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

实施例2

在本发明实施例1基础上的另一种典型风车发电装置包括风车组件1和摩擦发电组件2，风车组件包括风车主体11和支撑轴12，摩擦发电组件包括同轴的定子21、转子23，摩擦层24；其中所述的定子21包括基底22，基底22表面沉积一层金属镍，金属镍为电极，基底22固定在支撑轴12上，表面铺设摩擦层24材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯，本实施例中定子上的第一电极25和第二电极26合二为一，为圆心角为360°的圆形，转子同样为圆心角为360°的圆形，本实施例中转子和定子示意图如图7所示。本实施例中定子基底22选用刚性的环氧树脂FR-4，厚度为2mm。

以上所述的实施例，只是本发明中较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风车发电装置，包括摩擦发电组件和风车组件，其中摩擦发电组件，包括同轴的转子、定子和摩擦层，风车组件包括风车主体和支撑轴。

2.根据权利要求1所述，一种风车发电装置，其特征在于，所述的转子和定子表面间隔排列若干同圆心的扇形单元；所述定子上的扇形单元分别为第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极同圆心相邻交叉排列，所述第一电极和第二电极与外电路连接；所述风车组件，包括风车主体和支撑风车主体的支撑轴，其中风车主体可以在支撑轴上自由旋转；所述转子与所述风车主体直接固定，风车转动时可以带动所述转子在所述支撑轴上自由旋转，所述定子与支撑轴固定；所述摩擦层铺设在转子和定子任意部件上面，所述摩擦层的材料与其相互摩擦的扇形单元的材料存在不同的摩擦电极序，特定情况下摩擦电极序也可以相同。

3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种风车发电装置，其特征在于，所述的风车主体，可以为任意叶片个数和形状，例如，4叶风车，太阳花形状的风车；所述的支撑轴，可以为柔性可弯曲的材质，刚性不可弯曲的材质；所述的转子与风车主题的固定的方式可以通过粘贴、溅射、电镀、焊接、任意可以将两个物体进行固定的其他方式。

4.根据权利要求1所述的一种风车发电装置，其特征在于，所述的摩擦层铺设在所述定子表面，当风车带动转子旋转时，转子上的若干个扇形单元与铺设在定子上的摩擦层材料发生摩擦，根据摩擦起电和静电感应原理，定子上的第一电极和第二电极之间产生电势差，驱动电子移动，在外电路中产生电流，驱动电子设备；所述的摩擦层铺设在所述转子表面，当风车带动转子旋转时，定子上的若干个扇形单元与铺设在转子上的摩擦层材料发生摩擦，根据摩擦起电和静电感应原理，定子上的第一电极和第二电极之间产生电势差，驱动电子移动，在外电路中产生电流，驱动电子设备；摩擦层铺设在转子和定子任意部件上的方式可以为粘贴、溅射、电镀、焊接、任意可以将两个物体进行固定的方式；所述摩擦层，材料选自任意绝缘体、导体或者半导体材料，所述摩擦层材料与和其进行摩擦的扇形单元材料具有不同的摩擦电极序，特定情况下摩擦电极序可以相同。

5.根据权利要求1所述的一种风车发电装置，其特征在于，所述定子和转子表面的扇形单元同圆心排列；所述定子和转子表面扇形单元的圆心角可以任意角度，相互之间不受限制。

6.根据权利要求1-5所述的一种风车发电装置，其特征在于，所述转子材料和定子材料存在相同或者不同摩擦电极序时，摩擦层可以与转子合二为一；所述定子材料为导电材料且与转子材料存在相同或者不同摩擦电极序时，摩擦层可以与定子合二为一；所述的定子材料为任意导电材料，选自金属导体、半导体、导电高分子或任意导电材料；所述的转子材料为任意可以摩擦起电的材料，选自绝缘体、导体或者半导体材料；所述的导体包括可以导电的纯金属或合金、高分子材料和陶瓷材料。

7.根据权利要求4和6所述的一种风车发电装置，其特征在于，所述金属导体包括但不限于金、银、铜、铁、铝、铂、钯、镍、钛、钒、铬、锰、硒、钼和钨、铝合金、铜合金、钛合金、镁合金、铍合金、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、铁合金、铌合金和钽合金；所述的半导体包括但不限于金刚石、闪锌矿、方铅矿、氧化亚铜、锗、硅、酞菁、氮化镓、碳化硅、氧化锌；所述的导电高分子包括但不限于聚吡咯、聚苯胺、聚丙烯腈、聚苯硫醚、石墨烯及其衍生物、聚酞菁类化合物；所述导电材料包括但不限于铟锡氧化物、碳布、离子掺杂的半导体、导电陶瓷材料和导电薄膜材料；所述的绝缘材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚薄膜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、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、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素薄膜、天然橡胶、乙基纤维素、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、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维薄膜、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯薄膜、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、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、木头和不具有导电性能的高分子聚合物中的至少一种或几种的组合；以上所列举的材料为常见的材料对本发明的权利要求不受限制。

8.根据权利要求1-7所述的一种风车发电装置，其特征在于，转子、定子和摩擦层可以至少一种具有微米、纳米、次微结构的微观结构，微观结构选自纳米线、纳米棒、纳米带、纳米颗粒、纳米晶、纳米管、纳米锥、纳米球、纳米阵列、纳米花、微米球、自组装结构中的一种或几种的组合。

9.根据权利要求1-8所述的一种风车发电装置，其特征在于，所述转子和定子表面扇形单元圆心角为360度，转子定子可以为圆形之外的正方形、长方形、其他任意形状；定子上的第一电极和第二电极可以合二为一，摩擦发电的工作模式为单电极输出。

10.根据权利要求1-9所述的一种风车发电装置，其特征在于，根据摩擦起电和静电感应原理，风车组件带动摩擦发电组件工作向外电路供电，可用于供电、传感、装饰、娱乐，以及用于科普教学教具模型展示。