CN110231495A - 自供能风速测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自供能风速测量装置，包括：底座与转动模块和摩擦发电模块，其中，底座与转动模块包括底座、转轴和风杯，底座用于支撑自供能风速测量装置，转轴用于固定风杯，并使风杯旋转产生风能；摩擦发电模块与底座与转动模块相连，用于将风能转化为电能，以分析电能得到所处环境的风速。该装置具有结构简单、无需电源、成本低的特点，可以有效测量一定范围内的风速并实现将自然环境中的风能转化为电能的功能。

Description

自供能风速测量装置
技术领域
本发明涉及风速测量技术领域，特别涉及一种自供能风速测量装置。
背景技术
风速测量技术在气象、民航、公路与桥梁及采矿等行业都有广泛的应用需求。目前，用于风速测量的新型传感器、数据采集与处理技术等都取得了长足的发展，其中便携式数字式风速测量仪在工业生产中已获得广泛的应用。然而，野外自然环境中风速测量方面还有一些急需解决的关键问题，如数据采集、处理及能源供应等问题。
2012年佐治亚理工学院教授王中林研究团队发明的摩擦纳米发电机(TENG)，能够利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把机械能转换为电能，鉴于此，如何将自然环境中的风能转化为电能，在无需外接电源的情况下实现风速的测量成为可能，需亟待解决。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种自供能风速测量装置。
为达到上述目的，本发明提出了自供能风速测量装置，包括：底座与转动模块，所述底座与转动模块包括底座、转轴和风杯，其中，所述底座用于支撑所述自供能风速测量装置，所述转轴用于固定所述风杯，并使所述风杯旋转产生风能。摩擦发电模块，所述摩擦发电模块与所述底座与转动模块相连，用于将所述风能转化为电能，以分析所述电能得到所处环境的风速。
本发明实施例的自供能风速测量装置，克服了传统数字式风速仪必须依靠外部电源的缺点，拓宽了风速仪的使用环境范围，并可在工作时，将风能转化为电能，不仅无需电源对其供电，在一定情况下，其输出电能还可以驱动一些低功耗的电子设设备，例如：温度计、湿度计、LED指示灯，同时，结构简单易于制造，实现较为容易。
另外，根据本发明上述实施例的自供能风速测量装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述底座中间存在一个圆形凹槽和通孔，所述通孔用于嵌住所述转轴。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述底座由透明亚克力材料制成。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述转轴上设有一个轴肩，且端部设有一个螺纹孔，以使用螺钉将所述风杯与所述转轴固定。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述摩擦发电模块包括：球形滚动体和印刷电路板，所述球形滚动体的个数与所述印刷电路板中铜交叉电极的对数相同，所述印刷电路板的直径等于所述底座的圆形凹槽直径。柔性电路，用于制作所述铜交叉电极，其中，所述铜交叉电极的长度等于所述圆形凹槽的圆周长度，宽度大于所述球形滚动体的直径，且小于所述圆形凹槽的深度。所述导线分别与印刷电路板上的铜交叉电极与柔性电路内的铜交叉电极相连。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述柔性电路为一个长条形的可弯曲柔性电极，所述柔性电路的基底材料为聚酯薄膜。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述摩擦发电模块还包括第一摩擦发电机和第二摩擦发电机，其中，所述第一摩擦发电机由所述球形滚动体与所述印刷电路板表面的电极形成，所述第二摩擦发电机由所述球形滚动体与所述柔性电路表面的电极形成。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的自供能风速测量装置结构示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为正视图，(c)为局部剖面图；
图2为根据本发明实施例的转轴线条图；
图3为根据本发明实施例的底座线条图；
图4为根据本发明实施例的印刷电路板的结构示意图；
图5为根据本发明实施例的柔性电路的结构示意图；
图6为根据本发明实施例的第一摩擦发电机的工作原理图；
图7为根据本发明实施例的第一摩擦发电机输出电压和风速的关系图。
附图标记说明：10-自供能风速测量装置、100-底座与转动模块、101-底座、102-转轴、103-风杯、104-螺钉、200-摩擦发电模块、201-球形滚动体、202-印刷电路板、203-柔性电路和204-导线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的自供能风速测量装置。
图1是本发明一个实施例的自供能风速测量装置结构示意图。
如图1所示，该自供能风速测量装置10包括：底座与转动模块100和摩擦发电模块200。
其中，底座与转动模块100包括底座101、转轴102和风杯103，底座101用于支撑自供能风速测量装置，转轴102用于固定风杯103，并使风杯103旋转产生风能。
进一步地，在本发明的一个实施例中，底座101中间存在一个圆形凹槽和通孔，通孔用于嵌住转轴。其中，底座101由透明亚克力材料制成。
进一步地，在本发明的一个实施例中，转轴102上设有一个轴肩，且端部设有一个螺纹孔，以使用螺钉104将风杯103与转轴102固定，其中，转轴102的材料也为透明亚克力材料。
具体而言，底座与旋转模块100包括：底座101、转轴102、风杯103和螺钉104四部分。各部分的具体内容及其功用如下：
风杯103，是由轻质金属板材冲压制成，采用最常见的三杯式风杯。受风力的吹动发生旋转运动；
螺钉104，为标准件。用于将风杯103与转轴102固连在一起；
如图2所示，转轴102，为一加工件，由不导电的塑料加工而成，通常选用透明亚克力材料制作。用螺钉104将风杯103与转轴102连接在一起，风杯103带动转轴102发生旋转运动；
如图3所示，底座101，为一加工件，由不导电的塑料加工而成，通常选用透明亚克力材料制作。整体形状为圆形，中间挖有凹槽，起到支撑整个装置的作用，内凹形状与转轴102的轴肩所围成的空间构成了摩擦发电模块200的安装空间。
进一步地，本发明实施例的摩擦发电模块200与底座与转动模块100相连，用于将风能转化为电能，以分析电能得到所处环境的风速。
也就是说，摩擦发电模块200可以将风能转化为电能，分析其产生的电压信号即可知道装置所处环境的风速。
进一步地，在本发明的一个实施例中，摩擦发电模块200包括：
球形滚动体201和印刷电路板202，球形滚动体201的个数与印刷电路板202中铜交叉电极的对数相同，印刷电路板202的直径等于底座101的圆形凹槽直径。
可以理解的是，球形滚动体201一般采用聚四氟乙烯材料制作，其数量等于印刷电路板202上的交叉电极对数。
柔性电路203，用于制作铜交叉电极，其中，铜交叉电极的长度等于圆形凹槽的圆周长度，宽度大于球形滚动体201的直径，且小于圆形凹槽的深度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，柔性电路203为一个长条形的可弯曲柔性电极，柔性电路的基底材料为聚酯薄膜(PET)。
也就是说，柔性电路203为一个长条形的可弯曲柔性电极，以聚酯薄膜为基底，在PET薄膜上制作出铜交叉电极，长度等于底座的圆形凹槽的圆周长度，宽度大于球形滚动体201的直径，小于凹槽的深度。其中，导线204(图中未标出)分别与印刷电路板202上的交叉电极与柔性电路203内的交叉电极相连。
可选地，在本发明的一个实施例中，摩擦发电模块200还包括第一摩擦发电机和第二摩擦发电机，其中，第一摩擦发电机由球形滚动体201与印刷电路板202表面的电极形成，第二摩擦发电机由球形滚动体201与柔性电路203表面的电极形成，从而两个摩擦发电机能够大幅提高风能收集量。
也就是说，该装置不仅能测量风速，其输出电能还可以驱动其他低功耗用电设备，所以本发明是实施例也可以是一种能量收集装置。
具体而言，摩擦发电模块200包括：球形滚动体201、印刷电路板202、柔性电路203和导线204。各部分的内容及其功用如下：
有以下两方面：1、作为球形滚动体201支撑转轴102的旋转运动；2、与印刷电路板202、柔性电极203构成摩擦发电机；
如图4所示，印刷电路板202在环氧树脂基板表面印刷圆环形的交叉电路，作为交叉电极。粘贴在底座101的凹型槽的底平面，与球形滚动体201构成第一摩擦发电机；
如图5所示，柔性电路203在柔性聚脂(PET)薄膜表面印刷交叉电路，作为交叉电极，将其粘贴在底座101凹型槽的内侧曲面，与球形滚动体201构成第二摩擦发电机；
导线204，数量若干。将其与印刷电路板202连接，从而获得第一摩擦发电机产生的电能；将其与柔性电路203连接，从而获得第二摩擦发电机产生的电能。其中，交叉电路均采用纯铜材料。
进一步地，如图6所示，第一摩擦发电机的工作原理为：
PTFE(聚四氟乙烯)球相互之间紧密接触，所有的PTFE球同时与电极A或者电极B接触。在初始阶段Ⅰ，假设PTFE球与电极A紧密接触，由于PTFE材料比铜的摩擦电序列更低，二者接触时PTFE球更易吸收电子使其表面呈负电性，与其接触的铜交叉电极表面失去电子从而呈现正电性，带负电的PTFE球旋转运动将会导致电子经外电路从电极B流向电极A，直至阶段Ⅲ再一次达到电荷平衡；当PTFE球继续沿着圆形轨道旋转时，电子经外电路从电极A回流到电极B，直至再一次达到阶段Ⅰ的状态。交叉电极的设计促进了电荷的周期性转移，在PTFE球的持续不断地旋转中，电流产生。
可以理解的是，第二摩擦发电机的工作原理与第一摩擦发电机的工作原理相同。
基于上述内容，本发明实施例的自供能风速测量装置风速测量原理为：
第一摩擦发电机由于PTFE球与铜交叉电极之间周期性的接触-分离从而产生周期性的电压，利用第一摩擦发电机产生的电压信号与风速之间的关系可以测量实际的风速大小。在风洞中利用可控风速对装置进行试验，在风速分别为3、4、5、6、7m/s时，测量第一摩擦发电机输出的电压信号的均方根值，如图7所示，从图中可以看出，第一摩擦发电机的输出电压均方根值与风速大小近似于线性关系，因此在实际环境中，测量风速测量装置输出电压信号的均方根值，根据其与风速间的线性关系可以得知环境中的实际风速大小。
下面对本发明实施例中的各部分分别说明具体实施方式。
风杯103为市场采购，受风力吹动产生旋转运动；
螺钉104为标准件，可从市场直接采购，需1个；
转轴102为加工件，由于金属导电会影响测量结果，所以一般选择不导电的透明亚克力材料铣削加工，端部加工出一个螺纹孔。通过螺钉104将其与风杯103固连在一起，风吹动风杯103旋转，带动转轴102旋转，转轴103上加工出轴肩，轴肩压在球形滚动体201上，摩擦力带动球形滚动体201沿环形轨道旋转；
球形滚动体201，材料为聚四氟乙烯(PTFE)，可从市场上购买，其数量需等于印刷电路板202上的交叉电极对数。其受到转轴肩摩擦作用而沿着转轴102与底座101所围成的环形轨道发生旋转运动，分别与印刷电路板202和柔性电路203构成两个摩擦发电机；
印刷电路板202，采用成熟的PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)加工工艺制作，在环氧树脂基板上制作出交叉电路，如图4所示，直径等于底座101的圆形凹槽直径。用胶水将其粘贴在底座101的凹型槽底面。球形滚动体201旋转时，与交叉的铜电极发生周期性的接触-分离，产生电流；
柔性电路203，为一个长条形的可弯曲柔性电极，长度等于底座101的凹槽内侧面圆周长度，宽度要大于球形滚动体201的直径，小于凹槽的深度。在PET薄膜上制作出铜交叉电路，因为PET薄膜可弯曲，用胶水将其粘贴在底座101凹槽内的侧面，球形滚动体201旋转时，与交叉的铜电极发生周期性的接触-分离，产生电流；
导线204，数量若干，可从市场购买。将其与印刷电路板202表面的交叉电极相连，输出第一摩擦发电机产生的电压信号；将其与柔性电路203表面的交叉电极相连，输出第二摩擦发电机产生的电压信号。
综上所述，根据本发明实施例提出的自供能风速测量装置，克服了传统数字式风速仪必须依靠外部电源的缺点，拓宽了风速仪的使用环境范围，并可在工作时，将风能转化为电能，不仅无需电源对其供电，在一定情况下，其输出电能还可以驱动一些低功耗的电子设设备，例如：温度计、湿度计、LED指示灯，同时，结构简单易于制造，实现较为容易。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种自供能风速测量装置，其特征在于，包括：
底座与转动模块，所述底座与转动模块包括底座、转轴和风杯，其中，所述底座用于支撑所述自供能风速测量装置，所述转轴用于固定所述风杯，并使所述风杯旋转产生风能；
摩擦发电模块，所述摩擦发电模块与所述底座与转动模块相连，用于将所述风能转化为电能，以分析所述电能得到所处环境的风速。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底座中间存在一个圆形凹槽和通孔，所述通孔用于嵌住所述转轴。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述底座由透明亚克力材料制成。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转轴上设有一个轴肩，且端部设有一个螺纹孔，以使用螺钉将所述风杯与所述转轴固定。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述摩擦发电模块包括：
球形滚动体和印刷电路板，所述球形滚动体的个数与所述印刷电路板中铜交叉电极的对数相同，所述印刷电路板的直径等于所述底座的圆形凹槽直径。
柔性电路，用于制作所述铜交叉电极，其中，所述铜交叉电极的长度等于所述圆形凹槽的圆周长度，宽度大于所述球形滚动体的直径，且小于所述圆形凹槽的深度；
导线，所述导线分别与印刷电路板上的铜交叉电极与柔性电路内的铜交叉电极相连。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述柔性电路为一个长条形的可弯曲柔性电极，所述柔性电路的基底材料为聚酯薄膜。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述摩擦发电模块还包括第一摩擦发电机和第二摩擦发电机，其中，所述第一摩擦发电机由所述球形滚动体与所述印刷电路板表面的电极形成，所述第二摩擦发电机由所述球形滚动体与所述柔性电路表面的电极形成。
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