CN109882359B - 一种基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，包括风车、盘式凸轮机构、多层介电弹性体膜叠加发电单元、机壳、尾翼、回转体、支撑塔柱、电缆和高压启动电路及电能收集装置；其中，风车的风车转轴与盘式凸轮机构的凸轮转轴连接，凸轮转轴上设置有多个凸轮，每个凸轮的外周均分布有多个多层介电弹性体膜叠加发电单元，凸轮转动能够带动多层介电弹性体膜叠加发电单元做周期性拉伸与压缩的直线往复运动，利用介电弹性体材料的形变，实现机械能与电能的转换；本发明具有质量轻，能量密度高，结构简单，成本低，易于维护等优点，同时发电装置内部的发电单元空间利用率高，发电效率也得到了进一步提高。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置。
背景技术
传统能源的日益减少，节能减排与新能源的开发已经成为世界各国解决目前日益严重的能源问题的根本途径，可再生能源的开发利用逐渐为人们所重视。有研究表明，仅地球上每年可以利用的风能就是当前世界各国年消耗能量的四倍之多。但是据目前有关报告来看，风力发电仅占总发电量的1％，风力仍具有巨大的发展潜力。风电作为清洁的可再生能源，对于促进经济社会和谐发展具有极其重要的作用，已成为当今世界电力发展不可阻挡的潮流和趋势。
介电弹性体(Dielectric Elastomer)是一类可在电压下改变其形状或尺寸的聚合物材料的统称，电活性聚合物具有柔性好、变形大、强度持久、能量密度大和能量转换效率高等多项优点，在面向低频能量收集领域具有巨大的潜力。
故由介电弹性体材料制造的多层介电弹性体膜叠加的风力发电机与传统风力发电机相比，具有质量轻，能量密度高，结构简单，成本低，易于维护，不污染环境等诸多优点；而且它不需要齿轮机构进行增速，对风速要求不高，能在较宽的频率范围内高效工作，迎风自动调节，机电转换率高，适用范围较广。
现有大多公开发明专利关于介电弹性体相关发电机装置大多采用曲柄连杆机构或是偏心轮机构，一般只能在某平面内单一方向对介电弹性体发电单元做拉伸或压缩直线往复运动，发电机内部发电单元空间利用率不高，发电效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，以解决上述现有技术存在的问题，具有空间利用率高，发电效率高的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，包括风车、盘式凸轮机构、多层介电弹性体膜叠加发电单元、机壳、尾翼、回转体、支撑塔柱、电缆和高压启动电路及电能收集装置；
其中，所述风车设置于所述机壳的首端，所述盘式凸轮机构和多层介电弹性体膜叠加发电单元设置于所述机壳内部，所述尾翼设置于所述机壳尾端，所述支撑塔柱支撑于所述机壳底部，所述回转体设置于所述机壳与所述支撑塔柱之间，所述电缆连接于所述多层介电弹性体膜叠加发电单元与高压启动电路及电能收集装置之间；
所述风车的风车转轴与所述盘式凸轮机构的凸轮转轴连接，所述凸轮转轴上设置有多个凸轮，每个所述凸轮的外周均分布有多个多层介电弹性体膜叠加发电单元，所述凸轮转动能够带动所述多层介电弹性体膜叠加发电单元做周期性拉伸与压缩的直线往复运动，利用介电弹性体材料的形变，从而实现机械能与电能的转换。
优选地，所述凸轮与所述机壳之间还设置有一环形机架，所述环形机架与所述机壳之间通过周向均布的多根辐条固定连接，每两根所述辐条之间设置有一个所述多层介电弹性体膜叠加发电单元，所述多层介电弹性体膜叠加发电单元的一端与所述机壳连接，所述多层介电弹性体膜叠加发电单元的另一端安装有一梯形连杆，所述梯形连杆上设置有一推杆，所述推杆的端部设置有滚子，所述推杆的杆体穿过所述环形机架的通孔使所述滚子与所述凸轮的外轮廓接触设置，位于所述滚子与所述环形机架之间的所述推杆的杆体上设置有回复弹簧，位于所述环形机架与所述梯形连杆之间的所述推杆的杆体上还设置有限位器。
优选地，所述多层介电弹性体膜叠加发电单元的形状为矩形，所述多层介电弹性体膜叠加发电单元与所述机壳通过卡槽卡接。
优选地，所述凸轮的外轮廓由交替设置四个弧形凸起和弧形凹槽构成，且每个所述凸轮的外周均匀分布有8个所述多层介电弹性体膜叠加发电单元。
优选地，所述凸轮的外轮廓上还设置有用于对所述滚子导向限位的滑轨。
优选地，所述风车转轴与所述凸轮转轴通过联轴器连接，所述凸轮转轴的首端和尾端通过轴承座支撑。
优选地，所述风车的首端还设置有导流罩。
优选地，所述风车设置有三片叶片。
优选地，所述机壳为密封式机壳。
优选地，所述支撑塔柱底部还设置有与地面连接的基座，所述高压启动电路及电能收集装置设置于所述基座的顶部。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明提供的基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，具有质量轻，能量密度高，结构简单，成本低，易于维护等诸多优点，而且对风速要求不高，能在较宽的频率范围内高效工作，迎风自动调节，机电转换率高，适用范围较广；与现有的多数介电弹性体发电机相比，本发明的发电机内部发电单元空间利用率高，发电效率也得到了进一步提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置的结构示意图；
图2为本发明中基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置的机壳内部的正视图；
图3为本发明中基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置的机壳内部的俯视图；
图4为本发明中基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置的凸轮机构的正视图；
图5为本发明中多层介电弹性体膜叠加发电单元的发电原理图；
图中：1为导流罩；2为风车；3为风车转轴；4为轴承座；4-1为前端轴承座；4-2为后端轴承座；5为盘式凸轮机构；5-1为凸轮转轴；5-2为凸轮；5-3为滚子；5-4为回复弹簧；5-5为环形机架；5-6为推杆；5-7为限位器；5-8为梯形连杆；6为多层介电弹性体膜叠加发电单元；7为机壳；8为尾翼；9为回转体；10为支撑塔柱；11为电缆；12为高压启动电路及电能收集装置；13为基座；14为固定卡槽；15为辐条。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，以解决现有技术存在的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供一种基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，如图1所示，包括风车2、盘式凸轮机构5、多层介电弹性体膜叠加发电单元6、机壳7、尾翼8、回转体9、支撑塔柱10、电缆11和高压启动电路及电能收集装置12；
其中，风车2设置于机壳7的首端，盘式凸轮机构5和多层介电弹性体膜叠加发电单元6设置于机壳7内部，尾翼8设置于机壳7尾端，支撑塔柱10支撑于机壳7底部，回转体9设置于机壳7与支撑塔柱10之间，电缆11连接于多层介电弹性体膜叠加发电单元6与高压启动电路及电能收集装置12之间；
风车2的风车转轴3与盘式凸轮机构5的凸轮转轴5-1连接，凸轮转轴5-1上设置有多个凸轮5-2，每个凸轮5-2的外周均分布有多个多层介电弹性体膜叠加发电单元6，风车2转动带动风车转轴3转动，进而使凸轮5-2转动，凸轮5-2转动能够带动多层介电弹性体膜叠加发电单元6做周期性拉伸与压缩的直线往复运动，利用介电弹性体材料在预拉伸情况下施加一定电压下改变其形状或尺寸，可以将使其形变的机械能转化为电能，从而实现发电；实现了将风能转换为机械能，机械能转换为电能，从而实现发电。
于本具体实施例中，如图2-4所示，凸轮5-2与机壳7之间还设置有一环形机架5-5，环形机架5-5与机壳7之间通过周向均布的多根辐条15固定连接，每两根辐条15之间设置有一个多层介电弹性体膜叠加发电单元6，多层介电弹性体膜叠加发电单元6的一端与机壳7连接，多层介电弹性体膜叠加发电单元6的另一端安装有一梯形连杆5-8，梯形连杆5-8上设置有一推杆5-6，推杆5-6的端部设置有滚子5-3，推杆5-6的杆体穿过环形机架5-5的通孔使滚子5-3与凸轮5-2的外轮廓接触设置，位于滚子5-3与环形机架5-5之间的推杆5-6的杆体上设置有回复弹簧5-4，位于环形机架5-5与梯形连杆5-8之间的推杆5-6的杆体上还设置有限位器5-7。
本实施例中，凸轮转轴5-1的长度根据其上叠加的凸轮5-2的个数决定，凸轮5-2的设置个数根据发电需要决定，具体发电过程中凸轮转轴5-1带动凸轮5-2旋转，凸轮5-2将旋转运动给紧靠其边缘的滚子5-3，当滚子5-3运动至凸轮5-2轮廓距离凸轮转轴5-1中心最远时，回复弹簧5-4被压缩至最短，推杆5-6被压至最远距离，此时固定于梯形连杆5-8与固定卡槽14之间的多层介电弹性体膜叠加发电单元6在膜内部弹性回复力的作用下回缩至预拉伸状态；反之，当滚子5-3运动至凸轮5-2轮廓距离凸轮转轴5-1中心最近时，回复弹簧5-4在回复弹力作用下恢复至最长，推杆5-6被弹簧拉伸至最远距离，其中限位器5-7在推杆5-6上的设置位置决定了其拉伸长度，此时固定于梯形连杆5-8与机壳7之间的多层介电弹性体膜叠加发电单元6在弹簧弹力的作用下被拉伸至最大距离，利用介电弹性体材料在预拉伸情况下施加一定电压下改变其形状或尺寸，可以将使其形变的机械能转化为电能，从而实现发电。
于本具体实施例中，多层介电弹性体膜叠加发电单元6的形状为矩形，容易制作加工，且拉伸时相比于其他形状不易损坏；而且采用并联接线的方式叠加有利于将发电机产生的微小电流汇集到电能收集装置；与机壳7通过卡槽卡接，容易安装及维护更换多层介电弹性体膜叠加发电单元6。
于本具体实施例中，凸轮5-2为盘式凸轮5-2，凸轮5-2的外轮廓由交替设置四个弧形凸起和弧形凹槽构成，且每个凸轮5-2的外周均匀分布有8个多层介电弹性体膜叠加发电单元6；凸轮5-2的外轮廓上还设置有用于对滚子5-3导向限位的滑轨。
于本具体实施例中，风车转轴3与凸轮转轴5-1通过联轴器连接，凸轮转轴5-1的首端和尾端通过轴承座4支撑，首尾端的轴承座4分别为前端轴承座4-1和后端轴承座4-2,；风车2的首端还设置有导流罩1，导流罩1在风车2迎风状态下，气流依照其流线型型均匀分布，使得风车2的各叶片受力均匀；风车2设置有三片叶片，与其他多叶片风车2相比，其综合性能好，风能利用效率较高；其叶片材质则选用质量轻、刚性好，耐腐蚀的材质。
于本具体实施例中，机壳7为密封式机壳7。
于本具体实施例中，支撑塔柱10的底部还设置有与地面连接的基座13，高压启动电路及电能收集装置12设置于基座13的顶部。
本发明中，采用盘式凸轮机构5，使多层介电弹性体膜叠加发电单元6周向均匀且对称地处在同一个平面上，各发电单元之间均存在一定的角度(360°/n，n为凸轮5-2机构的滚子5-3、推杆5-6数目或多层介电弹性体膜叠加发电单元6的个数)，相比与目前多数介电弹性体相关发电机在某平面内只能在单一方向对介电弹性体发电单元做拉伸或压缩直线往复运动，本发明可以4个方向同时对介电弹性体发电单元做拉伸或者压缩直线往复运动，极大地提高空间利用率，提高发电效率。
本发明中，n个多层介电弹性体膜叠加发电单元组合起来，既可以利用单个换能单元压缩力，提高机电转换效率，又能最大化利用空间，使得结构紧凑，增加发电量，发电效率进一步提高；进一步地，多层介电弹性体膜叠加发电单元6为多个，当盘式凸轮机构5使任意两个推杆5-6在竖直方向水平面呈一条直线(即角度为180°)时，这两个推杆5-6中所连接的多层介电弹性体膜叠加发电单元6，与其相邻的其它发电单元所处发电状态(拉伸或者压缩)相反；其中，任意一个发电单元与其相邻的其它发电单元所处发电状态(拉伸或者压缩)相反，可以保证介电弹性体发电单元产生的电压平稳，以及产生的电流通过并联汇流叠加在一起可以平稳持续的输出。
需要说明的是，本发明中的多层介电弹性体膜叠加发电单元6也可以采取其他形状结构，如规则形状棱台、圆台等。
如图5所示，本发明中的多层介电弹性体膜叠加发电单元6的发电原理如下：以单层介电弹性体膜为例，给拉伸的薄膜充电，然后撤去外力F，薄膜在弹性回复力的作用下回缩到初始形状或预拉伸状态，此过程中弹性回复力克服静电力做功，使得薄膜同侧电极上的同性电荷之间距离缩小，异侧电极上的异性电荷之间距离增加，从而使得电势能增加，将输入的机械能转换为电能。从本质上讲，此发电方式属于电容式发电。
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，其特征在于：包括风车、盘式凸轮机构、多层介电弹性体膜叠加发电单元、机壳、尾翼、回转体、支撑塔柱、电缆和高压启动电路及电能收集装置；
其中，所述风车设置于所述机壳的首端，所述盘式凸轮机构和多层介电弹性体膜叠加发电单元设置于所述机壳内部，所述尾翼设置于所述机壳尾端，所述支撑塔柱支撑于所述机壳底部，所述回转体设置于所述机壳与所述支撑塔柱之间，所述电缆连接于所述多层介电弹性体膜叠加发电单元与高压启动电路及电能收集装置之间；
所述风车的风车转轴与所述盘式凸轮机构的凸轮转轴连接，所述凸轮转轴上设置有多个凸轮，每个所述凸轮的外周均分布有多个多层介电弹性体膜叠加发电单元，所述凸轮转动能够带动所述多层介电弹性体膜叠加发电单元做周期性拉伸与压缩的直线往复运动，利用介电弹性体材料的形变，从而实现机械能与电能的转换；
所述凸轮与所述机壳之间还设置有一环形机架，所述环形机架与所述机壳之间通过周向均布的多根辐条固定连接，每两根所述辐条之间设置有一个所述多层介电弹性体膜叠加发电单元，所述多层介电弹性体膜叠加发电单元的一端与所述机壳连接，所述多层介电弹性体膜叠加发电单元的另一端安装有一梯形连杆，所述梯形连杆上设置有一推杆，所述推杆的端部设置有滚子，所述推杆的杆体穿过所述环形机架的通孔使所述滚子与所述凸轮的外轮廓接触设置，位于所述滚子与所述环形机架之间的所述推杆的杆体上设置有回复弹簧，位于所述环形机架与所述梯形连杆之间的所述推杆的杆体上还设置有限位器。
2.根据权利要求1所述的基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，其特征在于：所述多层介电弹性体膜叠加发电单元的形状为矩形，所述多层介电弹性体膜叠加发电单元与所述机壳通过卡槽卡接。
3.根据权利要求1所述的基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，其特征在于：所述凸轮的外轮廓由交替设置四个弧形凸起和弧形凹槽构成，且每个所述凸轮的外周均匀分布有8个所述多层介电弹性体膜叠加发电单元。
4.根据权利要求3所述的基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，其特征在于：所述凸轮的外轮廓上还设置有用于对所述滚子导向限位的滑轨。
5.根据权利要求1所述的基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，其特征在于：所述风车转轴与所述凸轮转轴通过联轴器连接，所述凸轮转轴的首端和尾端通过轴承座支撑。
6.根据权利要求1所述的基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，其特征在于：所述风车的首端还设置有导流罩。
7.根据权利要求1所述的基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，其特征在于：所述风车设置有三片叶片。
8.根据权利要求1所述的基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，其特征在于：所述机壳为密封式机壳。
9.根据权利要求1所述的基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，其特征在于：所述支撑塔柱底部还设置有与地面连接的基座，所述高压启动电路及电能收集装置设置于所述基座的顶部。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20211208 Address after: 423000 room 104, unit 2, building 6, chengling international, No. 96, Ouyanghai Road, Longtan street, Guiyang County, Chenzhou City, Hunan Province Patentee after: Chenzhou Xiangshui Tiantangshan Wind Power Generation Co.,Ltd. Address before: 830001 No. 62 Yan'an Road, Urumqi, Xinjiang Uygur Autonomous Region Patentee before: XINJIANG University |
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| TR01 | Transfer of patent right |