CN111082704A - 一种几何非线性压电-摩擦复合风能采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种几何非线性压电‑摩擦复合风能采集器，包括曲面阻流体、弹性梁、曲面限位支架、基座，弹性梁上方设有曲面阻流体，曲面阻流体固定连接在弹性梁顶部的自由端，弹性梁左右两侧对称布置有曲面限位支架，曲面限位支架的内侧面设置为曲面，弹性梁与曲面限位支架均固定连接在基座上，弹性梁左右两侧面上均粘接有摩擦发电阴极，曲面限位支架的曲面上粘接有摩擦发电阳极，摩擦发电阳极与弹性梁上的摩擦发电阴极相对布置，弹性梁底部的固定端处设置有压电层，压电层粘接在弹性梁左右两侧，压电层设于摩擦发电阴极下方；本发明增加了能量采集器的有效工作频率范围，并且在高风速下避免了压电片因变形量过大而损毁，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及风能采集技术领域，具体地说是一种几何非线性压电-摩擦复合风能采集器。
背景技术
微电子器件广泛应用于工业、军事、航空航天、生物医学、环境监测、消费电子等诸多领域。目前，这些设备主要由化学电池供电，其寿命有限且对环境有害。随着新型材料、微纳制造和集成电子等技术的迅速发展，微电子器件所需的能耗显著降低。而风能是自然界中最丰富的能源之一，且风能对白天或夜晚的依赖性很小，因此可以被持续有效地转换为电能。将风能转换为电能，可以实现自供能传感、控制与驱动，具备灵活、节能环保、可持续的优势，在环境监测和军事侦测等领域均具有广阔的应用前景。
然而，目前大部分风能采集装置功率转换效率低，体积大、制造和安装、维修成本高，对环境的影响大。尽管风能采集装置小型化能降低成本以及对环境的影响，但是输出功率也会降低，并且工作风速范围有限也使得小型风能采集的应用困难重重。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种几何非线性压电-摩擦复合风能采集器，增加了能量采集器的有效工作频率范围，并且在高风速下避免了压电片因变形量过大而损毁，可靠性高。
为实现上述目的设计一种几何非线性压电-摩擦复合风能采集器，包括曲面阻流体1、弹性梁2、曲面限位支架4、基座7，所述弹性梁2上方设有曲面阻流体1，所述曲面阻流体1固定连接在弹性梁2顶部的自由端，所述弹性梁2左右两侧对称布置有曲面限位支架4，所述曲面限位支架4的内侧面设置为曲面，所述弹性梁2与曲面限位支架4均固定连接在基座7上，所述弹性梁2左右两侧面上均粘接有摩擦发电阴极3，所述曲面限位支架4的曲面上粘接有摩擦发电阳极5，所述摩擦发电阳极5与弹性梁2上的摩擦发电阴极3相对布置，所述弹性梁2底部的固定端处设置有压电层6，所述压电层6粘接在弹性梁2左右两侧，所述压电层6设于摩擦发电阴极3下方，且与摩擦发电阴极3间隔布置。
进一步地，所述曲面限位支架4与摩擦发电阳极5之间还设置有软胶8。
进一步地，所述摩擦发电阳极5从内到外依次为聚酰亚胺双面胶带9、薄铜片10、聚酰亚胺双面胶带9、聚甲醛薄膜11，所述薄铜片10通过聚酰亚胺双面胶带9粘接于曲面限位支架4上，所述薄铜片10电连接导线，所述聚甲醛薄膜 11通过聚酰亚胺双面胶带9粘接于薄铜片10上，所述摩擦发电阳极5电连接的导线分别电连接超级电容的两端。
进一步地，所述摩擦发电阴极3从内到外依次为聚酰亚胺双面胶带9和全氟乙烯丙烯共聚物薄膜12，所述全氟乙烯丙烯共聚物薄膜12通过聚酰亚胺双面胶带9粘接于弹性梁2上。
进一步地，所述压电层6从内到外依次为聚酰亚胺双面胶带9和压电片13，所述压电片13通过聚酰亚胺双面胶带9粘接于弹性梁2底部。
进一步地，所述压电片13与超级电容电连接。
进一步地，所述曲面阻流体1与弹性梁2长度方向一致或与弹性梁2垂直布置。
进一步地，所述弹性梁2采用弹性材料制成，所述弹性梁2为沿竖直方向延伸的片状结构。
进一步地，所述曲面阻流体1采用横截面呈圆形或圆弧形的柱体，所述曲面阻流体1沿竖直方向布置或沿水平方向布置。
进一步地，所述曲面阻流体1的曲面圆心角为110°。
本发明同现有技术相比，通过曲面限位构造几何非线性，增加了能量采集器的有效工作频率范围，并且在高风速下避免了压电片因变形量过大而损毁，可靠性高；而且，将构造几何非线性的曲面用于摩擦纳米发电，提高了功率输出，值得推广应用。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是图1中A处的局部放大图；
图3是图1的正视图；
图4是图1的侧视图；
图5是图1的部分结构示意图；
图6是本发明另一种阻流体形状的结构示意图；
图7是本发明另一种阻流体布置方式的结构示意图；
图中：1、曲面阻流体 2、弹性梁 3、摩擦发电阴极 4、曲面限位支架 5、摩擦发电阳极 6、压电层 7、基座 8、软胶 9、聚酰亚胺双面胶带 10、薄铜片 11、聚甲醛薄膜 12、全氟乙烯丙烯共聚物薄膜 13、压电片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如图1至图5所示，为提高低风能采集器的有效工作风速范围、器件可靠性以及功率输出，本发明提供了一种几何非线性压电-摩擦复合风能采集器，包括曲面阻流体1、弹性梁2、曲面限位支架4、基座7，弹性梁2上方设有曲面阻流体1，曲面阻流体1为曲面结构，曲面阻流体1固定连接在弹性梁2 顶部的自由端，弹性梁2左右两侧对称布置有曲面限位支架4，曲面限位支架4 的内侧面设置为曲面，弹性梁2与曲面限位支架4均固定连接在基座7上，弹性梁2左右两侧面上均粘接有摩擦发电阴极3，曲面限位支架4的曲面上粘接有摩擦发电阳极5，摩擦发电阳极5与弹性梁2上的摩擦发电阴极3相对布置，弹性梁2底部的固定端处设置有压电层6，压电层6粘接在弹性梁2左右两侧，压电层6设于摩擦发电阴极3下方，且与摩擦发电阴极3间隔布置。
其中，曲面限位支架4与摩擦发电阳极5之间还设置有软胶8，该软胶8既可以减少冲击也可以使得摩擦发阴极与阳极表面充分接触。摩擦发电阳极5从内到外依次为聚酰亚胺双面胶带9、薄铜片10、聚酰亚胺双面胶带9、聚甲醛薄膜11，薄铜片10通过聚酰亚胺双面胶带9粘接于曲面限位支架4上，薄铜片 10电连接导线，聚甲醛薄膜11通过聚酰亚胺双面胶带9粘接于薄铜片10上，两侧摩擦发电阳极5电连接的导线分别电连接超级电容的两端。摩擦发电阴极3 从内到外依次为聚酰亚胺双面胶带9和全氟乙烯丙烯共聚物薄膜12，全氟乙烯丙烯共聚物薄膜12通过聚酰亚胺双面胶带9粘接于弹性梁2上。压电层6从内到外依次为聚酰亚胺双面胶带9和压电片13，压电片13通过聚酰亚胺双面胶带 9粘接于弹性梁2底部，压电片13与超级电容电连接。
本发明中，曲面限位支架4的曲面依据弹性梁2的材料、尺寸确定，可以通过实验拟合，使得摩擦发电阴极3与摩擦发电阳极5贴合面积最大。弹性梁2 采用弹性材料制成，弹性梁2为沿竖直方向延伸的片状结构，曲面阻流体1与弹性梁2长度方向一致或与弹性梁2垂直布置；曲面阻流体1的曲面圆心角约为110°，曲面阻流体1也可更换为其他形状的阻流体；优选为，曲面阻流体1 采用横截面呈圆形或圆弧形的柱体，曲面阻流体1沿竖直方向布置或沿水平方向布置；如图6所示，曲面阻流体1为与弹性梁2长度方向一致的圆柱形；如图7所示，曲面阻流体1为与弹性梁2垂直布置的横截面呈圆弧形的柱体。
本发明实施的工作原理为：曲面阻流体1在风的作用下会产生内外压力差从而产生摆动，实验证明本发明实施例所述的阻流体设计具有最佳效果，也可以选择其他形状的阻流体，阻流体摆动带动弹性梁2振动，从而粘贴在悬臂梁根部压电层6发生形变，压电片13因为压电效应而发电，压电片13产生的电能可以直接使用或存储在超级电容。曲面限位支架4使得振动系统具有非线性刚度，从而增加工作频率范围，并且当风速增加时，曲面限位支架4使得弹性梁2不会发生过大的变形以致损坏压电片13，因此采集器可以在更高的风速下可靠工作。弹性梁2也会反复拍打曲面限位支架4，从而使弹性梁2两侧的摩擦发电阴极3与曲面限位支架4粘接的摩擦发电阳极4接触-分离，软胶8既可以减少冲击，也可以使得摩擦发阴极与阳极表面充分接触，在接触的时候，聚甲醛薄膜11失去电子成为电容的阳极板，全氟乙烯丙烯共聚物薄膜12得到电子，并且因为材料特性不容易失去电子，从而成为电容的阴极板，当它们接触-分离因为电容发生变化从而产生电流。摩擦发电产生的电能可以直接使用或存储在超级电容。压电和摩擦纳米发电都可以给超级电容充电，然后使用，从而实现两种发电机制的复合。
本发明与现有技术相比，结构新颖、简单，设计合理，通过曲面限位构造几何非线性，增加能量采集器的工作频率范围，并且在高风速下避免压电片因变形量过大而损毁，可靠性高；将构造几何非线性的曲面用于摩擦纳米发电，提高了功率输出。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种几何非线性压电-摩擦复合风能采集器，其特征在于：包括曲面阻流体(1)、弹性梁(2)、曲面限位支架(4)、基座(7)，所述弹性梁(2)上方设有曲面阻流体(1)，所述曲面阻流体(1)固定连接在弹性梁(2)顶部的自由端，所述弹性梁(2)左右两侧对称布置有曲面限位支架(4)，所述曲面限位支架(4)的内侧面设置为曲面，所述弹性梁(2)与曲面限位支架(4)均固定连接在基座(7)上，所述弹性梁(2)左右两侧面上均粘接有摩擦发电阴极(3)，所述曲面限位支架(4)的曲面上粘接有摩擦发电阳极(5)，所述摩擦发电阳极(5)与弹性梁(2)上的摩擦发电阴极(3)相对布置，所述弹性梁(2)底部的固定端处设置有压电层(6)，所述压电层(6)粘接在弹性梁(2)左右两侧，所述压电层(6)设于摩擦发电阴极(3)下方，且与摩擦发电阴极(3)间隔布置。
2.如权利要求1所述的几何非线性压电-摩擦复合风能采集器，其特征在于：所述曲面限位支架(4)与摩擦发电阳极(5)之间还设置有软胶(8)。
3.如权利要求1所述的几何非线性压电-摩擦复合风能采集器，其特征在于：所述摩擦发电阳极(5)从内到外依次为聚酰亚胺双面胶带(9)、薄铜片(10)、聚酰亚胺双面胶带(9)、聚甲醛薄膜(11)，所述薄铜片(10)通过聚酰亚胺双面胶带(9)粘接于曲面限位支架(4)上，所述薄铜片(10)电连接导线，所述聚甲醛薄膜(11)通过聚酰亚胺双面胶带(9)粘接于薄铜片(10)上，所述摩擦发电阳极(5)电连接的导线分别电连接超级电容的两端。
4.如权利要求1所述的几何非线性压电-摩擦复合风能采集器，其特征在于：所述摩擦发电阴极(3)从内到外依次为聚酰亚胺双面胶带(9)和全氟乙烯丙烯共聚物薄膜(12)，所述全氟乙烯丙烯共聚物薄膜(12)通过聚酰亚胺双面胶带(9)粘接于弹性梁(2)上。
5.如权利要求1所述的几何非线性压电-摩擦复合风能采集器，其特征在于：所述压电层(6)从内到外依次为聚酰亚胺双面胶带(9)和压电片(13)，所述压电片(13)通过聚酰亚胺双面胶带(9)粘接于弹性梁(2)底部。
6.如权利要求5所述的几何非线性压电-摩擦复合风能采集器，其特征在于：所述压电片(13)与超级电容电连接。
7.如权利要求1所述的几何非线性压电-摩擦复合风能采集器，其特征在于：所述曲面阻流体(1)与弹性梁(2)长度方向一致或与弹性梁(2)垂直布置。
8.如权利要求1至7中任一项所述的几何非线性压电-摩擦复合风能采集器，其特征在于：所述弹性梁(2)采用弹性材料制成，所述弹性梁(2)为沿竖直方向延伸的片状结构。
9.如权利要求1所述的几何非线性压电-摩擦复合风能采集器，其特征在于：所述曲面阻流体(1)采用横截面呈圆形或圆弧形的柱体，所述曲面阻流体(1)沿竖直方向布置或沿水平方向布置。
10.如权利要求1所述的几何非线性压电-摩擦复合风能采集器，其特征在于：所述曲面阻流体(1)的曲面圆心角为110°。
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Cited By (2)
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| CN112682252B (zh) * | 2020-12-21 | 2022-04-19 | 吉林大学 | 一种杆体结构及其仿生无桨叶摩擦风力发电装置 |
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