CN110149072A - 一种新型的低频风能收集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的低频风能收集器，包括风力组件、支撑套筒、摩擦发电组件、电磁发电组件；所述风力组件，包括扇叶和转轴，扇叶安装在转轴的一端，转轴的另一端插入支撑套筒内并与支撑套筒通过轴承连接；摩擦发电组件和电磁发电组件安装在支撑套筒内，且摩擦发电组件套设在转轴上并随转轴转动，电磁发电组件安装在摩擦发电组件和支撑套筒之间并与摩擦发电组件并联连接。本发明构简单、可移植性强、成本低，非常适用于人们日常生活中复杂的外界环境，可以大规模、多地区布置。并且电磁式与摩擦电式的能量收集技术相复合，很好地实现了在低频条件下高效的收集风能，极大地拓宽了本发明的适用范围。

Description

一种新型的低频风能收集器

技术领域

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种新型的低频风能收集器。

背景技术

随着化石燃料的减少和日益严重的环境污染问题，能源危机面临着巨大的挑战，人们迫切希望寻找到新型的、绿色的清洁能源代替化石燃料。风能作为自然界中广泛存在的绿色能源，储量丰富，可再生，清洁而且分布广泛，是一种理想的绿色能源。目前，人们对风能的利用主要是基于传统的电磁感应原理制作的风力涡轮机收集风能，但其对风能的收集效率很低，主要原因在于风力涡轮机装置巨大，只能收集强烈的、高频的风能，而且风力涡轮机通常布置在偏远的高海拔地区，不能充分的利用日常生活中最广泛存在的微弱的、低频的风能。

发明内容

针对上述现有技术中描述的不足，本发明提供一种新型的低频风能收集器，可以充分的利用环境中广泛存在的微弱的、低频的风能，是一种收集人们日常生活中最广泛存在的风能的理想策略，填补了人们对微弱的、低频的风能收集邻域的空白。

本发明所采用的技术方案如下：

一种新型的低频风能收集器，包括风力组件、支撑套筒、摩擦发电组件、电磁发电组件；所述风力组件，包括扇叶和转轴，扇叶安装在转轴的一端，转轴的另一端插入支撑套筒内并与支撑套筒通过轴承连接；摩擦发电组件和电磁发电组件安装在支撑套筒内，且摩擦发电组件套设在转轴上并随转轴转动，电磁发电组件安装在摩擦发电组件和支撑套筒之间并与摩擦发电组件并联连接。

具体地，所述摩擦发电组件，包括支撑板、至少一层摩擦发电单元和引出组件，各摩擦发电单元相互并联设置安装在支撑板上并通过引出组件将电流引出；各摩擦发电单元的滚筒依次套设且相邻滚筒之间间隔可以设置为1cm，当然可根据实际情况进行设置，各滚筒上的铜带Ⅰ和铜带Ⅱ分别一一对应。

在本发明中，所述摩擦发电组件，优选为包括三层摩擦发电单元，每层摩擦发电单元结构相同，仅仅是PTFE小球的数量不同，但是都能平铺铺满一个铜带。

每层摩擦发电单元，均包括滚筒、PTFE小球、铜带Ⅰ、铜带Ⅱ、正电极、负电极；滚筒的两端开口处分别与一个支撑板固定，转轴穿过支撑板后将滚筒限定在转轴上并使滚筒随转轴一起转动。

铜带Ⅰ和铜带Ⅱ交替贴附在滚筒内壁，且相邻的铜带Ⅰ和铜带Ⅱ之间设有绝缘隔离区；铜带Ⅰ和铜带Ⅱ的设置方式类似于手指交叉，相邻两个铜带Ⅰ连接，相邻两个铜带Ⅱ连接；PTFE小球设置在滚筒内并铺满铜带Ⅰ或铜带Ⅱ。

正电极设置在铜带Ⅰ上，负电极设置在与正电极相邻的铜带Ⅱ上，负电极与正电极分列于滚筒的两侧且正电极与负电极分别经一个穿出支撑板的导线与引出组件连接。

所述引出组件，包括正极引出环、负极引出环、正极引出条、负极引出条；正极引出环和负极引出环分别套设在最外层摩擦发电单元的滚筒外壁，且正极引出环与各摩擦发电单元的正极引出导线连接，负极引出环与各摩擦发电单元的负极引出导线连接，正极引出条和负极引出条固定在支撑套筒内壁，正极引出条与正极引出环接触，负极引出条与负极引出环接触，且正极引出条和负极引出条分别经一个穿出支撑套筒的导线引出。

在风力作用下转轴带动支撑板转动，固定在支撑板上的各滚筒随之一起转动，转动过程中，每层的PTFE小球在重力作用下与所处的铜带之间产生滚动摩擦，运动当中PTFE小球处于相对静止的位置，两个电极之间便产生了周期性的相对运动，促使产生的电流输出经引出组件传输。

所述电磁发电组件，包括若干并联设置的电磁发电单元，每个电磁发电单元均包括永磁体和发电线圈，永磁体固定在支撑板的外端面，发电线圈固定在支撑套筒内壁上并与永磁体一一对应，且各永磁铁与铜带Ⅰ和铜带Ⅱ一一对应；各发电线圈分别经穿出支撑套筒的导线引出。

本发明中永磁铁的数量与铜带的数量是相同的，用以提供稳定的磁场，当永磁铁随支撑板一起转动时，发电线圈是固定不动的，发电线圈就会在相对运动中切割磁感线产生感应电动势。

本发明的支撑套筒主要起到密封和支撑的作用，为内部提供稳定的工作环境，扇叶和转轴连接在一起，当风力驱动时，静止的支撑套筒和旋转的摩擦发电组件会有相对的运动，因此摩擦发电组件和电磁发电组件会同时工作，对外电路输出电能。

并且本发明使用的摩擦发电组件基于接触起电和静电感应的耦合效应，是一种结构简单、成本低、可移植性强、寿命长、无污染的微能源采集器，可以充分的利用环境中广泛存在的微弱的、低频的风能，是一种收集人们日常生活中最广泛存在的风能的理想策略，填补了人们对微弱的、低频的风能收集邻域的空白。

本发明构简单、可移植性强、成本低，非常适用于人们日常生活中复杂的外界环境，可以大规模、多地区布置。并且电磁式与摩擦电式的能量收集技术相复合，很好地实现了在低频条件下高效的收集风能，极大地拓宽了本发明的适用范围。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明的结构示意图。

图2为本发明单个滚筒的剖开图。

图3为本发明摩擦发电组件的发电原理图。

图4为本发明摩擦发电组件在4m/s风速下的开路电压图。

图5为本发明摩擦发电组件在4m/s风速下的短路电流图。

图6为本发明电磁发电组件在4m/s风速下的开路电压图。

图7为本发明电磁发电组件在4m/s风速下的短路电流图。

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付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。

一种新型的低频风能收集器，如图1所示，包括风力组件1、支撑套筒2、摩擦发电组件3、电磁发电组件4；所述风力组件1，包括扇叶100和转轴101，扇叶100安装在转轴101的一端，转轴101的另一端插入支撑套筒2内并与支撑套筒2通过轴承连接；摩擦发电组件3和电磁发电组件4安装在支撑套筒2内，且摩擦发电组件3套设在转轴101上并随转轴101转动，电磁发电组件4安装在摩擦发电组件3和支撑套筒2之间并与摩擦发电组件3并联连接。

具体地，所述摩擦发电组件3，包括支撑板301、至少一层摩擦发电单元和引出组件307，各摩擦发电单元相互并联设置安装在支撑板301上并通过引出组件将电流引出；各摩擦发电单元的滚筒300依次套设且相邻滚筒之间间隔可以设置为1.5cm，当然可根据实际情况进行设置，各滚筒300上的铜带Ⅰ303和铜带Ⅱ304分别一一对应。

在本发明中，所述摩擦发电组件3，包括三层摩擦发电单元，如图1所示，每层摩擦发电单元结构相同，仅仅是PTFE小球的数量不同，但是都能平铺铺满一个铜带。

每层摩擦发电单元，均包括滚筒300、PTFE小球302、铜带Ⅰ303、铜带Ⅱ304、正电极305、负电极306；滚筒300的两端开口处分别与一个支撑板301固定，转轴101穿过支撑板301后将滚筒300限定在转轴101上并使滚筒300随转轴101一起转动。

铜带Ⅰ303和铜带Ⅱ304交替贴附在滚筒300内壁，且相邻的铜带Ⅰ303和铜带Ⅱ304之间设有绝缘隔离区；铜带Ⅰ303和铜带Ⅱ304的设置方式类似于手指交叉，相邻两个铜带Ⅰ303连接，相邻两个铜带Ⅱ304连接；PTFE小球302设置在滚筒300内并铺满铜带Ⅰ303或铜带Ⅱ304。

正电极305设置在铜带Ⅰ303上，负电极306设置在与正电极305相邻的铜带Ⅱ304上，负电极306与正电极305分列于滚筒300的两侧且正电极305与负电极306分别经一个穿出支撑板301的导线与引出组件连接。

所述引出组件307，包括正极引出环3071、负极引出环3072、正极引出条3073、负极引出条3074；正极引出环3071和负极引出环3072分别套设在最外层摩擦发电单元的滚筒300外壁，且正极引出环3071与各摩擦发电单元的正极引出导线连接，负极引出环3072与各摩擦发电单元的负极引出导线连接，正极引出条3073和负极引出条3074固定在支撑套筒2内壁，正极引出条3073与正极引出环3071接触，负极引出条3074与负极引出环3072接触，且正极引出条3073和负极引出条3074分别经一个穿出支撑套筒2的导线引出。

如图3所示，本发明中摩擦发电组件的工作原理如下：第一阶段，滚筒保持静止，滚筒上的单瓣铜带也称为铜电极和PTFE小球相互对齐，由于接触面电子亲和势的差异，所以会有等量的正电荷和负电荷分别聚集在铜电极和PTFE小球上。第二阶段，风力驱动下，滚筒开始旋转，PTFE小球在重力的作用下和铜电极之间产生滚动摩擦，二者之间会有一个相对的位移产生，PTFE小球此时均匀的铺在两瓣铜电极上，相邻铜电极之间的电位差就建立起来了，这就促使正电荷通过外部回路对外输出电能，直到相邻电极之间的电位差消失。第三阶段，在滚筒的继续转动下，PTFE小球再次铺满单瓣铜电极，相当于回到初始状态，持续的对外部电路输出电能。

本发明测试了摩擦发电组件在在4m/s风速下的发电情况，具体如图4和图5所示。从图中可以看出，摩擦发电组件在4m/s风速下的开路电压和短路电流分别为600V和5μА。

所述电磁发电组件4，包括若干并联设置的电磁发电单元，每个电磁发电单元均包括永磁体400和发电线圈401，永磁体400固定在支撑板301的外端面，发电线圈401固定在支撑套筒2内壁上并与永磁体400一一对应，且各永磁铁400与铜带Ⅰ303和铜带Ⅱ304一一对应；各发电线圈401分别经穿出支撑套筒2的导线引出。

而电磁发电组件的工作原理为：第一阶段，永磁体的位置和发电线圈的位置一一对应，通过每个发电线圈的磁通达到最大值，但是发电线圈中没有电流产生。第二阶段，当滚筒开始旋转，通过发电线圈的磁通便会不断地衰减，于是发电线圈中会产生感应电流，形成一个新的磁场来阻止磁通地减少。第三阶段，当永磁体的位置和发电线圈的位置再次相互对应时，通过发电线圈的磁通达到最大值，相当于回到了初始状态，但此时发电线圈中是有感应电流的。于是，在风力的驱动下，电磁发电组件将会不断的向外部电路输出电能，当然通过相应的电源管理电路对电信号进行处理便可用于传感器单元供能。

本发明测试了电磁发电组件在4m/s风速下的发电情况，具体如图6和图7所示。从图中可以看出，电磁发电组件在4m/s风速下的开路电压和短路电流分别为0.2V和15mA。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新型的低频风能收集器，其特征在于：包括风力组件（1）、支撑套筒（2）、摩擦发电组件（3）、电磁发电组件（4）；风力组件（1）的转轴（101）插入支撑套筒（2）内并与支撑套筒（2）通过轴承连接；摩擦发电组件（3）和电磁发电组件（4）安装在支撑套筒（2）内，且摩擦发电组件（3）套设在转轴（101）上并随转轴（101）转动，电磁发电组件（4）安装在摩擦发电组件（3）和支撑套筒（2）之间并与摩擦发电组件（3）并联连接；所述摩擦发电组件（3），包括支撑板（301）、至少一层摩擦发电单元和引出组件（307），各摩擦发电单元相互并联设置安装在支撑板（301）上并通过引出组件将电流引出；各摩擦发电单元的滚筒（300）依次套设，且各滚筒（300）上的铜带Ⅰ（303）和铜带Ⅱ（304）分别一一对应。

2.根据权利要求1所述的新型的低频风能收集器，其特征在于：所述风力组件（1），包括扇叶（100）和转轴（101），扇叶（100）安装在转轴（101）的一端。

3.根据权利要求1所述的新型的低频风能收集器，其特征在于：所述摩擦发电组件（3），包括三层摩擦发电单元。

4.根据权利要求1或3所述的新型的低频风能收集器，其特征在于：所述摩擦发电单元，包括滚筒（300）、PTFE小球（302）、铜带Ⅰ（303）、铜带Ⅱ（304）、正电极（305）、负电极（306）；滚筒（300）的两端开口处分别与一个支撑板（301）固定，转轴（101）穿过支撑板（301）后将滚筒（300）限定在转轴（101）上并使滚筒（300）随转轴（101）一起转动；

铜带Ⅰ（303）和铜带Ⅱ（304）交替贴附在滚筒（300）内壁，且相邻的铜带Ⅰ（303）和铜带Ⅱ（304）之间设有绝缘隔离区；相邻两个铜带Ⅰ（303）连接，相邻两个铜带Ⅱ（304）连接；PTFE小球（302）设置在滚筒（300）内并铺满铜带Ⅰ（303）或铜带Ⅱ（304）；

正电极（305）设置在铜带Ⅰ（303）上，负电极（306）设置在与正电极（305）相邻的铜带Ⅱ（304）上，负电极（306）与正电极（305）分列于滚筒（300）的两侧且正电极（305）与负电极（306）分别经一个穿出支撑板（301）的导线与引出组件连接。

5.根据权利要求4所述的新型的低频风能收集器，其特征在于：所述引出组件（307），包括正极引出环（3071）、负极引出环（3072）、正极引出条（3073）、负极引出条（3074）；正极引出环（3071）和负极引出环（3072）分别套设在最外层摩擦发电单元的滚筒（300）外壁，且正极引出环（3071）与各摩擦发电单元的正极引出导线连接，负极引出环（3072）与各摩擦发电单元的负极引出导线连接，正极引出条（3073）和负极引出条（3074）固定在支撑套筒（2）内壁，正极引出条（3073）与正极引出环（3071）接触，负极引出条（3074）与负极引出环（3072）接触，且正极引出条（3073）和负极引出条（3074）分别经一个穿出支撑套筒（2）的导线引出。

6.根据权利要求1所述的新型的低频风能收集器，其特征在于：所述电磁发电组件（4），包括若干并联设置的电磁发电单元，每个电磁发电单元均包括永磁体（400）和发电线圈（401），永磁体（400）固定在支撑板（301）的外端面，发电线圈（401）固定在支撑套筒（2）内壁上并与永磁体（400）一一对应，且各永磁铁（400）与铜带Ⅰ（303）和铜带Ⅱ（304）一一对应；各发电线圈（401）分别经穿出支撑套筒（2）的导线引出。