CN109698544A - 基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统，包括：集成的多个摩擦纳米发电机，将风能转化为电信号输出，每一摩擦纳米发电机包括：第一电极板；第二电极板，与第一电极板对应设置，与第一电极板之间存在距离；以及振动膜，设置于第一电极板与第二电极板之间，在上、下振动过程中与第一电极板以及第二电极板能实现接触、分离；其中，所述振动膜与第一电极板和第二电极板的材料均存在摩擦电极序差异。该风力发电系统的发电效率高、风速感应灵敏、制作简单、体积小且结构适应性强，可作为风力发电塔的替代方案。

Description

基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统

技术领域

本公开属于风力发电技术领域，涉及一种基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统。

背景技术

目前对于可再生能源的收集在工业和学术界得到很高的关注，其中风能是一种资源丰富的清洁可再生能源，成为新能源开发和利用的一种新的布局方向。

现有风力发电机的工作原理为：风轮在风力的作用下旋转，将风的动能转变为风轮轴的机械能，然后发电机在风轮轴的带动下旋转发电，但是目前基于风能的收集集中在风力发电塔的使用上，而现有的风力发电塔占地面积大，高度在50米到120米之间，一般来说较高的风力发电塔需要合适的地质环境，才能确保风力发电塔的牢固安装、运行，且所有风力发电设备均需要考察当地的气候环境，需要有大量的风力资源可以被利用，因此出于现有风力发电塔占地面积大、且需要合适的地质环境的要求，风力发电塔的分布一般较为偏远，增加了运输成本和占地成本。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统，包括：集成的多个摩擦纳米发电机，将风能转化为电信号输出，每一摩擦纳米发电机包括：第一电极板；第二电极板，与第一电极板对应设置，与第一电极板之间存在距离；以及振动膜，设置于第一电极板与第二电极板之间，在上、下振动过程中与第一电极板以及第二电极板能实现接触、分离；其中，所述振动膜与第一电极板和第二电极板的材料均存在摩擦电极序差异。

在本公开的一些实施例中，该基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统，还包括：变压器，与摩擦纳米发电机相连接，将摩擦纳米发电机输出的电信号进行电压变换；以及管理电路，与变压器相连接，将电压变换后的电信号转变为恒压信号和脉冲电流信号进行输出；其中，变压器将摩擦纳米发电机输出的电信号进行电压变换至管理电路能承受的电压范围内。

在本公开的一些实施例中，该基于摩擦纳米发电机的风力发电系统，还包括：储能元件，与管理电路相连接，存储输出的恒压信号和脉冲电流信号。

在本公开的一些实施例中，每一个摩擦纳米发电机依次连接有一变压器和一管理电路，多个摩擦纳米发电机采用平行排布的方式进行集成。

在本公开的一些实施例中，变压器与管理电路固定于一支撑杆的两侧，沿着支撑杆间隔排布有若干个摩擦纳米发电机组，每一摩擦纳米发电机组中包括至少两个摩擦纳米发电机，每一摩擦纳米发电机组中的摩擦纳米发电机以扇叶形状分布。

在本公开的一些实施例中，摩擦纳米发电机还包括：垫片，设置于第一电极板与第二电极板之间，调节第一电极板与第二电极板之间的距离。

在本公开的一些实施例中，摩擦纳米发电机还包括：固定件，穿过第一电极板、垫片、第二电极板，固定该第一电极板和第二电极板；在第一电极板、第二电极板以及垫片相对应的位置上设置有供固定件穿过的孔洞，该孔洞与固定件的形状相互匹配。

在本公开的一些实施例中，摩擦纳米发电机中第一电极板与第二电极板之间的距离介于3mm～8mm之间；和/或每个摩擦纳米发电机的长宽比介于1∶1～50∶1之间。

在本公开的一些实施例中，第一电极板和第二电极板的材料为以下材料中至少一种：铝合金金属板、铜钢金属板或镍钢金属板；和/或振动膜的材料为以下材料中至少一种：尼龙膜、PEP膜。

在本公开的一些实施例中，摩擦纳米发电机输出的信号经过变压器后将电压变换至10V～20V输入到管理电路；经过管理电路之后输出的电压稳定在恒定值，该恒定值包括：1.5V、2V、3.6V或5V；输出的电流为100mA的脉冲电流。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统，具有以下有益效果：

通过将摩擦纳米发电机采用平行排布或者沿着支撑杆间隔排布的方式实现集成，并与变压器和管理电路进行连接，输出稳定的恒压信号和脉冲电流信号，并将获得的稳定信号存储在储能元件中，发电效率高、风速感应灵敏、制作简单、体积小且结构适应性强，可作为风力发电塔的替代方案。

附图说明

图1A为根据本公开实施例基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统的一种结构示意图。

图1B为根据本公开实施例基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统的另一种结构示意图。

图2为根据本公开实施例风力发电集成系统中摩擦纳米发电机的一种典型结构示意图。

图3为根据本公开实施例摩擦纳米发电机的工作原理示意图。

图4为根据本公开实施例基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统中摩擦纳米发电机的输出电信号结果图。

图5为根据本公开实施例基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统经过变压器之后的输出电信号结果图。

图6A为根据本公开实施例基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统经过变压器和管理电路之后的电压变化图。

图6B为根据本公开实施例基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统经过变压器和管理电路之后的电流变化图。

【符号说明】

11-摩擦纳米发电机； 12-变压器；

13-管理电路； 14-储能元件；

21-电极板； 22-垫片；

23-固定件； 24-振动膜。

具体实施方式

本公开提供了一种基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统，通过将摩擦纳米发电机采用平行排布或者沿着支撑杆间隔排布的方式实现集成，并与变压器和管理电路进行连接，输出稳定的恒压信号和脉冲电流信号，并将获得的稳定信号存储在储能元件中，发电效率高、风速感应灵敏、制作简单、体积小且结构适应性强，可作为风力发电塔的替代方案。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统。

图1A为根据本公开实施例基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统的一种结构示意图。图1B为根据本公开实施例基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统的另一种结构示意图。

参照图1A-1B所示，本公开的基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统，包括：多个摩擦纳米发电机11，用于将风能转化为电信号进行输出；变压器12，与摩擦纳米发电机11相连接，将摩擦纳米发电机11输出的电信号进行电压变换；管理电路13，与变压器12相连接，将电压变换后的电信号转变为恒压信号和脉冲电流信号进行输出；以及储能元件14，存储输出的恒压信号和脉冲电流信号；其中，多个摩擦纳米发电机采用平行排布的方式进行集成；或者变压器与管理电路固定于一支撑杆的两侧，沿着支撑杆间隔排布有若干个摩擦纳米发电机组，每一摩擦纳米发电机组中包括至少两个摩擦纳米发电机，每一摩擦纳米发电机组中的摩擦纳米发电机以扇叶形状分布。

图2为根据本公开实施例风力发电集成系统中摩擦纳米发电机的一种典型结构示意图。

下面结合图1A、图1B和图2，对本公开的基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统的各个部分进行详细介绍。

参照图1A所示，多个摩擦纳米发电机11平行排列，每个摩擦纳米发电机11依次与一变压器12、一管理电路13相连接，将摩擦纳米发电机产生的交流信号转变为稳定的恒压信号和脉冲电流信号进行输出，并与储能元件14相连接，将输出的稳定的恒压信号和脉冲电流信号存储在储能元件14中。此种平行排布的集成方式中，摩擦纳米发电机最大个数的选择是根据储能元件14的存储量来确定的。需要说明的是，图1A中的外边框是为了将多个摩擦纳米发电机11、变压器12、管理电路以及储能元件14形成于一个框中，代表它们为一个整体，构成了该风力发电集成系统，并不对本公开的保护范围作限缩。

参照图1B所示，变压器12和管理电路13固定于支撑杆两侧，沿着支撑杆间隔排布有多个摩擦纳米发电机组，每一摩擦纳米发电机组中包括多个摩擦纳米发电机11，每一摩擦纳米发电机组中的摩擦纳米发电机11以扇叶形状分布，其中，摩擦纳米发电机11的输出端先连接变压器12，再连接管理电路13，摩擦纳米发电机11依次与变压器12和管理电路13实现串联，将摩擦纳米发电机11产生的交流信号转变为稳定的恒压信号和脉冲电流信号进行输出，并与储能元件14相连接，将输出的稳定的恒压信号和脉冲电流信号存储在储能元件14中。此种间隔排布的集成方式中，摩擦纳米发电机最大个数的选择也是根据储能元件的存储量来确定的。

本实施例中，由于管理电路能承受的电压输入范围为：10V～20V，而摩擦纳米发电机输出的电压范围超过该范围，因此引入变压器进行电压转换，经过变压器后的输出电压范围为10V～20V，经过管理电路之后输出恒定电压和脉冲电流，输出的恒定电压有1.5V、2V、3.6V、5V不同档位可选，这里经过变压器和管理电路之后输出的为恒定电压3.6V或者5V，输出的电流为100mA的脉冲电流。

本实施例中，储能元件14可以是锂离子电池或者电容器等具有储能作用的元件，当然，优选存储量高的储能元件。

参照图2所示，在该基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统中，摩擦纳米发电机11包括：上、下两个电极板21，在电极板21的两端具有孔洞；垫片22，对应孔洞的位置，设置于上、下电极板21之间，以调节上、下电极板21之间的距离；固定件23，穿过上、下电极板21之间的孔洞和垫片22，固定上、下电极板21；以及振动膜24，设置于上、下电极板之间。

本实施例中，每个摩擦纳米发电机的尺寸均相同，该尺寸是以摩擦纳米发电机的电极板尺寸作为衡量尺寸。

本公开不限制每个摩擦纳米发电机尺寸大小，优选长宽比为1∶1～50∶1的尺寸。本实施例中，每个摩擦纳米发电机以10cm×1cm的尺寸为基准，金属板长宽可以等比例增加或者减小，比如长度放大5倍，宽度放大5倍，形成的尺寸为：50cm×5cm；长度缩小10倍，宽度缩小10倍，形成的尺寸为：10mm×1mm，始终保持长宽比为10∶1。

本公开的多个摩擦纳米发电机的尺寸可以不同，优选相同尺寸的摩擦纳米发电机进行集成，且本公开的摩擦纳米发电机的尺寸也不局限于实施例所示的尺寸，根据实际需要和性能优化可以进行其他尺寸的设计。

本实施例中，电极板21的材料包括但不限于：铝合金金属板、铜钢金属板、镍钢金属板等；电极板21两端的孔洞为圆形孔洞，直径为0.5mm。

通过选用不同厚度的垫片22或者改变垫片22的个数实现上、下电极板之间的距离调节，本实施例中，垫片22调节上、下电极板21之间的距离为3mm～8mm。

本实施例中，采用螺丝作为固定件23，与圆形孔洞配合，通过旋紧螺丝实现对上、下电极板的固定。

本实施例中，振动膜24的材料包括但不限于：尼龙膜、PEP膜等，厚度在0.1mm左右，当风吹过摩擦纳米发电机时，振动膜24上、下振动，在与上、下电极板接触、分离的过程中产生感应电荷、电动势，形成电信号输出。振动膜24的两端对应固定件23的形状也设置有孔洞，使得固定件23可以穿过，同时固定件23在两端起到支撑、固定振动膜24基准位置的作用。

需要说明的是，孔洞的形状不局限于圆形，可以是其他规则或者不规则的形状，只要与固定件的形状进行匹配，能够实现对上、下电极板的固定即可；上、下电极板的材料可以相同，也可以不同，振动膜的材料只要符合与上、下电极板的材料之间存在摩擦电极序差异即可。

针对现实需要，可以采用第一种平行排布的集成方式或者第二种间隔排布的集成方式或者二者结合的方式进行对应选择。这两种摩擦纳米发电机的排布方式有各自的优势：第一种平行排布的形式，与百叶窗类似，通过平行排布，可以同时实现多个摩擦纳米发电机的方向变化进而来收集风能，并且方向变化一致，操作简便，可以设置于室内或窗户的位置；采用第二种间隔排布的形式，可置于屋顶或者比较空旷的地方，用来收集不同方向的风能。

图3为根据本公开实施例摩擦纳米发电机的工作原理示意图。

参照图3所示，来介绍基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统中利用该摩擦纳米发电机来收集风能的工作原理。其中，图3中(a)、(b)、(c)、(d)图均为工作过程中的瞬态图，为一个循环的周期。下面以振动膜位于上、下电极板之间的状态为初始状态进行描述。初始状态下，当风吹过该摩擦纳米发电机时，振动膜上、下振动，这里以先向上振动为例，当振动膜向上运动与上极板接触时，由于静电感应产生等量的异种电荷，如图3中(b)所示，这里以上电极板带正电荷、振动膜带负电荷作为举例说明；然后振动膜与上电极板分离，逐渐向下电极板靠近，此过程中上、下电极板的电势相应变化，二者的感应正电荷的总量与振动膜的负电荷相当；随着振动膜向下运动，上电极板的电荷逐渐减少、下电极板的感应电荷逐渐增加，但上电极板的电势高于下电极板，因此随着振动膜向下运动，连接外电路或负载时，电子从下电极板流向上电极板，参照图3中(c)所示的电子流向，即产生从上极板到下极板的电流，当振动膜位于上、下电极板的中间位置时，上、下电极板各自与振动膜之间的静电感应作用力达到平衡，使得上、下极板感应出等量正电荷，图3中(c)以上、下电极板各带两个正电荷示意；当振动膜向下运动至与下极板接触时，由于静电感应产生等量的异种电荷，如图3中(d)所示，下电极板带正电荷、振动膜带负电荷；然后振动膜与下电极板分离，逐渐向上电极板靠近，同理，随着振动膜向上运动，下电极板的电荷逐渐减少、上电极板的感应电荷逐渐增加，但下电极板的电势高于上电极板，因此随着振动膜向上运动，连接外电路或负载时，电子从上电极板流向下电极板，参照图3中(a)所示的电子流向，即产生从下极板到上极板的电流，当振动膜处于上、下电极板的中间位置时，上、下电极板各自与振动膜之间的静电感应作用力达到平衡，使得上、下极板感应出等量正电荷，图3中(a)以上、下电极板各带两个正电荷示意。如此循环，即可产生稳定的交流信号。

对于上述基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统的性能进行了测试实验。

当集成的多个摩擦纳米发电机的长×宽×高分别为：500mm×20mm×5.4mm，对应的风速为13m/s时，进行了该摩擦纳米发电机的输出性能测试。图4为根据本公开实施例基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统中摩擦纳米发电机的输出电信号结果图，其中，(a)为输出电压图，(b)为输出电流图。参照图4中(a)和(b)可知，该摩擦纳米发电机的输出电压为330V，电流为82μA。

随后，对该摩擦纳米发电机输出的信号经过变压器处理之后输出的结果进行了测试。图5为根据本公开实施例基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统经过变压器之后的输出电信号结果图，其中，(a)为输出电压图，(b)为输出电流图。参照图5中(a)和(b)可知，摩擦纳米发电机的输出信号经过变压器之后的输出电压为15V，电流为0.6mA。

接着，对该摩擦纳米发电机输出的信号经过变压器和管理电路处理之后输出的结果进行了测试。图6A和图6B分别为根据本公开实施例基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统经过变压器和管理电路之后的电压变化图和电流变化图。参照图6A和图6B可知，摩擦纳米发电机的输出信号经过变压器和管理电路之后的电压从0V上升到3.6V需要的时间仅为1.42s，之后电压稳定在3.6V；输出的电流信号为脉冲信号，且电流脉冲信号为100mA，两个脉冲信号之间的时间间隔为0.18s。

此外，针对不同尺寸的摩擦纳米发电机在不同风速下的电学性能输出还进行了三个对比实验。

实验一：整个集成的多个摩擦纳米发电机为一个长方体结构，其长×宽×高分别为：500mm×20mm×5.4mm，当吹过该摩擦纳米发电机的风速为13m/s时，在摩擦纳米发电机的输出电压-时间和电流-时间关系图中(与图4类似，这里不再画出示意)可以看出，该摩擦纳米发电机的输出电压为330V，电流为82μA。

实验二：整个集成的多个摩擦纳米发电机为一个长方体结构，其长×宽×高分别为：500mm×20mm×5.4mm，当吹过该摩擦纳米发电机的风速为10m/s时，在摩擦纳米发电机的输出电压-时间和电流-时间关系图中(与图4类似，这里不再画出示意)可以看出，该摩擦纳米发电机的输出电压为208V，电流为45.8μA。

实验三：整个集成的多个摩擦纳米发电机为一个长方体结构，其长×宽×高分别为：500mm×20mm×3.6mm，当吹过该摩擦纳米发电机的风速为13m/s时，在摩擦纳米发电机的输出电压-时间和电流-时间关系图中(与图4类似，这里不再画出示意)可以看出，该摩擦纳米发电机的输出电压为181V，电流为38.2μA。

根据上述对比实验可以大致得出一个规律：不同尺寸的摩擦纳米发电机对应的电学性能输出不同，相同尺寸的摩擦纳米发电机在不同风速下对应的电学性能输出也不同。本公开的基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统的发电效率高、风速感应灵敏、制作简单、体积小且结构适应性强，对于气候环境和地质环境的要求没有那么苛刻。

综上所述，本公开提供了一种基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统，通过将摩擦纳米发电机采用在电路板上平行叠加或者沿着支撑杆间隔排列的方式实现集成，并与变压器和管理电路进行连接，输出稳定的恒压信号和脉冲电流信号，并将获得的稳定信号存储在储能元件中，发电效率高、风速感应灵敏、制作简单、体积小且结构适应性强，可作为风力发电塔的替代方案。

需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，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。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统，包括：集成的多个摩擦纳米发电机，将风能转化为电信号输出，每一摩擦纳米发电机包括：

第一电极板；

第二电极板，与第一电极板对应设置，与第一电极板之间存在距离；以及

振动膜，设置于第一电极板与第二电极板之间，在上、下振动过程中与第一电极板以及第二电极板能实现接触、分离；

其中，所述振动膜与第一电极板和第二电极板的材料均存在摩擦电极序差异。

2.根据权利要求1所述的风力发电集成系统，还包括：

变压器，与摩擦纳米发电机相连接，将摩擦纳米发电机输出的电信号进行电压变换；以及

管理电路，与变压器相连接，将电压变换后的电信号转变为恒压信号和脉冲电流信号进行输出；

其中，变压器将摩擦纳米发电机输出的电信号进行电压变换至管理电路能承受的电压范围内。

3.根据权利要求2所述的风力发电系统，还包括：

储能元件，与管理电路相连接，存储输出的恒压信号和脉冲电流信号。

4.根据权利要求2或3所述的风力发电集成系统，其中，每一个所述摩擦纳米发电机依次连接有一变压器和一管理电路，多个摩擦纳米发电机采用平行排布的方式进行集成。

5.根据权利要求2或3所述的风力发电集成系统，其中，所述变压器与管理电路固定于一支撑杆的两侧，沿着支撑杆间隔排布有若干个摩擦纳米发电机组，每一摩擦纳米发电机组中包括至少两个摩擦纳米发电机，每一摩擦纳米发电机组中的摩擦纳米发电机以扇叶形状分布。

6.根据权利要求1至5任一项所述的风力发电集成系统，其中，所述摩擦纳米发电机还包括：

垫片，设置于第一电极板与第二电极板之间，调节第一电极板与第二电极板之间的距离。

7.根据权利要求6所述的风力发电集成系统，其中，所述摩擦纳米发电机还包括：

固定件，穿过第一电极板、垫片、第二电极板，固定该第一电极板和第二电极板；

在所述第一电极板、第二电极板以及垫片相对应的位置上设置有供固定件穿过的孔洞，该孔洞与固定件的形状相互匹配。

8.根据权利要求1至7任一项所述的风力发电集成系统，其中：

所述摩擦纳米发电机中第一电极板与第二电极板之间的距离介于3mm～8mm之间；和/或

每个所述摩擦纳米发电机的长宽比介于1∶1～50∶1之间。

9.根据权利要求1至8任一项所述的风力发电集成系统，其中：

所述第一电极板和第二电极板的材料为以下材料中至少一种：铝合金金属板、铜钢金属板或镍钢金属板；和/或

所述振动膜的材料为以下材料中至少一种：尼龙膜、PEP膜。

10.根据权利要求1至9任一项所述的风力发电集成系统，其中，所述摩擦纳米发电机输出的信号经过变压器后将电压变换至10V～20V输入到管理电路；经过管理电路之后输出的电压稳定在恒定值，该恒定值包括：1.5V、2V、3.6V或5V；输出的电流为100mA的脉冲电流。