CN108667340A - 一种基于静电机理的风能发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于静电机理的风能发电机，该发电装置应用于风能的采集并将其转化为电能，包括多个悬臂摩擦式发电单元，悬臂摩擦式发电单元分布于一基底上，借由迎风装置，悬臂摩擦式发电单元能够在风力作用下产生振动，将风能转化为电能进行存储或者为用电设备供电。本发明根据其力电转换特性，将风能引起的振动机械能转化为电能。与现有的风能发电装置相比，该静电发电装置具有使用寿命长、易与其他加工工艺集成、高能量转化率、适用范围广等优势。

Description

一种基于静电机理的风能发电机
技术领域
本发明涉及一种摩擦发电装置，尤其涉及一种基于静电机理的风能发电机。
背景技术
风能是自然界中一种非常常见的机械能，在气候变暖和能源危机的全球性危机下，已经被广泛认识到是一种重要的可再生绿色能源。将风能转化为电能的传统方法是基于电磁感应的原理和涡轮机结构。然而，基于该方法的器件有很多的缺点，包括体积和质量较大、安装成本较高、在低风速条件下驱动运转较难、效率较低等。上述缺点在很大程度上限制了该技术的广泛应用，尤其是在我们日常生活中普遍存在的弱风环境。近年研制出来的基于双压电晶片换能器结构的风力技术，能够解决传统风力发电的低启动速度的缺点，且体积较小，但该技术结构较为复杂、输出效率低。因此，发展风力发电的新概念、新技术，并将风力发电推广到较大的适用范围和人们的日常生活中，具有极大的必要性和现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于静电机理的风能发电机，能够用于风能的收集，并能根据其力电特性将风能转化为电能，同时该装置还具有应用范围广、易加工、绿色环保的优点。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种基于静电机理的风能发电机，包括迎风装置、基底和竖直固定在基底上的具有立方体结构的摆动臂和固定臂，摆动臂和固定臂均呈矩阵式排布，且摆动臂矩阵和固定臂矩阵在行和列上均交错布置；所述摆动臂的四个侧壁均设置有第一介电材料层，固定臂的四个侧壁均设置有第二介电材料层，第一介电材料层和第二介电材料层极性相反，介电材料层与臂体之间还设置有电极层；同一臂体上的介电材料层之间，以及电极层之间不相互连通；迎风装置具有由两个挡风板组成的十字结构，挡风板与多个位于同一行或同一列中的摆动臂的顶端固定连接，迎风装置在风力作用下使摆动臂发生弯曲，使得摆动臂和固定臂上的介电材料层发生接触并产生摩擦，分别形成正负电荷，两种介电材料之间形成电势差，摆动臂的电极层和固定臂上的电极层分别形成该发电机的正负极。当风力撤销后，摆动臂回复到竖直状态复。
进一步地，所述摆动臂分为上部分和下部分，下部分横截面较上部分横截面小。所述第一介电材料层和第二介电材料层仅在上半部分所在区域进行设置。
进一步地，迎风装置为多个；由外围向中心，挡风板的高度递增。
进一步地，还包括电能储存装置，所述摆动臂上的电极层与电能储存装置的正负极中的一极相连，固定臂上的电极层与电能储存装置的正负极中的另一极相连。
本发明的有益效果是：本发明将摩擦发电单元固定于基底上，通过电线串联起来，可以根据其力电转换特性，将风能引起的振动机械能转化为电能，并输出至储能装置。与现有的风能发电装置相比，该静电发电装置具有使用寿命长、易与其他加工工艺集成、高能量转化率、适用范围广等优势。
附图说明
图1是该风能发电机的整体结构图；
图2是该发电机迎风装置的结构示意图；
图3是迎风装置与摆动臂的连接图；
图4是该风能发电机下部分横剖图；
图5是该风能发电机上部分横剖图；
图6是固定臂与摆动臂的细部构造图；
图7是风力作用下固定臂与摆动臂的位置变化图；
图8是风力作用下固定臂与摆动臂的位置变化图；
图9是风力作用下该发电机的运动状态图；
图10是风力作用下该发电机的运动状态图。
图中标号：1摆动臂；2固定臂；3第一介电材料层；4第二介电材料层； 5第一电极层；6第二电极层；7基底；8迎风装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
如图1所示，本发明涉及一种基于静电机理的风能发电机，包括多个悬臂摩擦式发电单元，悬臂摩擦式发电单元分布于一基底7上，借由迎风装置8，悬臂摩擦式发电单元7能够在风力作用下产生振动，从而将风能转化为电能进行存储或者为用电设备供电。
基底7可以安装在大型土木结构上，悬臂摩擦式发电单元包括摆动臂1和固定臂2，作为优选，摆动臂1分为上部分和下部分，下部分横截面面积较小，且刚度满足在风力作用下易产生挠度并在风力撤销后能回复到竖直静止状态，上部分可与固定臂2横截面面积相同，且与固定臂2共同组成摩擦发电单元。摆动臂1和固定臂2在基底7上呈间隔式矩阵排列，即摆动臂1矩阵和固定臂2 矩阵在行和列上均交错布置，如图5所示；悬臂的数量依环境条件而定。第一介电材料层3布设在摆动臂1表面，第二介电材料4层布设在固定臂2表面，两种介电材料层3、4极性相反，固定臂1和摆动臂2的构造均满足使各自四个表面的介电材料彼此隔开。第一介电材料层3与摆动臂1接触面设有第一电极层5，第二介电材料层4与固定臂2接触面设有第二电极层6。
迎风装置8具有由两个挡风板组成的十字结构，挡风板与多个位于同一行或同一列的摆动臂1的顶端固定连接，静止状态下，第一介电材料3与第二介电材料4不接触，迎风装置8受风力作用下，摆动臂1下部分产生挠度，第一介电材料3随摆动臂1上部分在顺风向产生位移与第二介电材料4接触并产生摩擦，分别形成正负电荷，两种介电材料之间形成电势差，电极层分别形成该发电机的正负极。风力撤销后，挠度恢复。
将所有摆动臂1上的第一电极层5连接至电能储存装置的正负极中的一极相连，将所有固定臂2上的第二电极层6与电能储存装置的正负极中的另一极相连，形成供电网络，本发明的发电装置即可为电能储存装置供电。
作为优选的方案，迎风装置8为多个。由外围向中心，十字板的高度递增。
其中，对于单个摩擦发电单元，当其工作时，两种介电材料3、4的接触面积S(t)由最小到最大变化。当两种介电材料接3、4触面积最大时，电极层充电，两个涂有介电材料的电极层5、6的表面获得相反的静电荷，具有相等的电荷密度σ(接触摩擦产生的电荷密度)。并且当两种介电材料3、4接触面积逐渐变小时，电荷经外加电路产生电流。当负载电阻给定为R时，由基尔霍夫定律得控制方程为：
其中，该一阶微分方程的边界条件为Q(t＝0)＝Q(T＝0)＝0。V(t)即为单个摩擦发电单元的输出电压。

Claims (4)

1.一种基于静电机理的风能发电机，其特征在于，包括迎风装置(8)、基底(7)和竖直固定在基底(7)上的具有立方体结构的多个摆动臂(1)和多个固定臂(2)，摆动臂(1)和固定臂(2)均呈矩阵式排布，且摆动臂(1)矩阵和固定臂(2)矩阵在行和列上均交错布置；所述摆动臂(1)的四个侧壁均设置有第一介电材料层，固定臂(2)的四个侧壁均设置有第二介电材料层，第一介电材料层和第二介电材料层极性相反，介电材料层与臂体之间还设置有电极层；同一臂体上的介电材料层之间，以及电极层之间不相互连通；
迎风装置(8)具有由两个挡风板组成的十字结构，挡风板与多个位于同一行或同一列中的摆动臂(1)的顶端固定连接，迎风装置(8)在风力作用下使摆动臂(1)发生弯曲，使得摆动臂(1)和固定臂(2)上的介电材料层发生接触并产生摩擦，分别形成正负电荷，两种介电材料之间形成电势差，摆动臂(1)的电极层和固定臂(2)上的电极层分别形成该发电机的正负极。当风力撤销后，摆动臂(1)回复到竖直状态复。
2.根据权利要求1所述的风能发电机，其特征在于，所述摆动臂(1)分为上部分和下部分，下部分横截面较上部分横截面小。所述第一介电材料层和第二介电材料层仅在上半部分所在区域进行设置。
3.根据权利要求1所述的风能发电机，其特征是，迎风装置(8)为多个；由外围向中心，挡风板的高度递增。
4.根据权利要求1所述的风能发电机，其特征是，还包括电能储存装置，所述摆动臂(1)上的电极层与电能储存装置的正负极中的一极相连，固定臂(2)上的电极层与电能储存装置的正负极中的另一极相连。
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