CN112761850A - 一种微小型流体发电机 - Google Patents

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    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

本发明涉及一种微小型流体发电机,属新能源技术领域。转子上设有动电极、主体上设有定电极,左端盖和挡板上装有电路板和传感器,左端盖上设有定电极环和辅助定电极,挡板上设有动电极环和辅助动电极,左右端盖装在主体两侧,挡板装在转子左侧,主体设有定起电层和定电极组,转子上设有动起电层和动电极组,滚柱装在主体和转子间并形成滚柱组;定动电极环分别压接在定动电极组上,定动电极环分别与辅助定动电极连成回路;转子端部装有叶片;转子转动时滚柱与动定起电层上产生异种电荷,滚柱组与动定电极间的电势差交替地增加和减小,动定电极与其所连接的辅助电极间产生电子交换,将机械能转换成电能,电能经转换处理后供给传感器及发射系统。

Description

一种微小型流体发电机
技术领域
本发明属于新能源技术领域,具体涉及一种微小型流体发电机,用于风与河水等流体能量收集,为相关监测系统提供实时的能量供应。
背景技术
风能、水流能广泛存在于自然界中,风力和水利发电已成为当今世界主流的能源。以往人们只注重大规模风力和水利发电系统的研究,近年来,随着无线传感网络技术的日趋成熟及其在环境监测、大型建筑物及桥梁的健康监测、工业、军事、公共安全以及河流水质污染与防洪预警等领域应用的普及,为其提供持续能源供应的微小型流体发电机的研究受到国内外学者的广泛关注,其原因在于:化学电池的能量有限、其使用时间远远小于无线传感监测系统的寿命,故需经常更换,严重制约了无线传感网络监测系统在远程及危险环境中的推广应用。目前已提出的微小型流体能发电机基本都是基于电磁原理和压电原理的,因压电式发电机的发电过程中不会产生电磁干扰,更适用于无线网络节点等无线系统的应用需求。然而,由于压电发电机直接利用压电振子端部质量的惯性力使其弯曲变形并发电,其主要弊端是:压电振子双向变形、压电片承受交变的拉压应力作用且缺少必要的限位措施,压电振子尺度及系统固有频率可调节范围小,故可靠性低、风速适应能力差。故基于新原理、新结构的微小型流体能发电依然是诸多领域所急需的。
发明内容
本发明提出一种微小型流体发电机,本发明采用的实施方案是:所提出的一种微小型流体发电机主要包括主体、转子、滚柱、支架、左右端盖、挡板及转换器,转子上设有动电极、主体上设有定电极,左端盖和挡板上安装有电路板和传感器,左端盖上设有定电极环和辅助定电极,挡板上设有动电极环和辅助动电极。
主体上设有体腔,体腔的外壁由内向外依次设有定起电层和定电极组,定起电层为等厚结构,定电极组由定电极构成,定电极沿体腔的圆周方向均布;定电极由定电极体和定端子构成,定电极体嵌入于主体中,定端子位于主体左侧;定电极体与体腔的轴线平行;转子的外缘自外向内依次设有动起电层和动电极组,动起电层为等厚结构,动电极组由动电极构成,动电极沿转子的圆周方向均布,转子为阶梯结构,动电极由动电极体和动端子构成,动电极体嵌入于转子中,动端子位于转子的左侧;动电极体与转子的轴线平行。
滚柱经支架安装在主体和转子之间,支架由侧板和隔板构成,隔板将滚柱分隔成所含滚柱数量相等的滚柱组,滚柱组的数量大于等于3;左端盖和右端盖经螺钉安装在主体的两侧,挡板经螺钉安装在转子的左侧;定电极环压接在定电极组的定端子上,动电极环压接在动电极组的动端子上;定电极环与辅助定电极经导线与左端盖上的电路板相连形成回路,动电极环与辅助动电极经导线与挡板上的电路板相连形成回路;传感器经导线与其所在的左端盖或挡板上的电路板相连。
定电极、动电极及滚柱组的圆心角均与极间角相等,定电极的圆心角是指定电极体圆周方向弧长所对应的圆心角,动电极的圆心角是指动电极体圆周方向弧长所对应的圆心角,滚柱组的圆心角是指滚柱组中最外侧两个滚柱的经过体腔或转子圆心的切线间的夹角,极间角是指圆周方向上相邻的两个定电极之间或两个动电极之间的夹角。
转子的端部经螺钉安装有转换器,转换器由轴套和叶片构成,转换器的功能是将流体动能转换成转子的旋转能;工作中,转子随转换器转动时,滚柱在主体和转子中间滚动,滚柱与动起电层及定起电层相互接触并滚动的过程中会产生摩擦电荷,由于不同材料吸引电子的能力不同,滚柱与动起电层和定起电层滚动接触生成异种摩擦电荷,定电极和动电极上产生感应电荷及电势差;滚柱组滚动过程中交替地与动电极和定电极重叠与分离,进而使滚柱组与动电极或定电极间的电势差交替地增加和减小,此时如动电极与辅助动电极经导线连接、定电极与辅助定电极经导线连接、或动电极和定电极与大地连接,则动电极和定电极与其所连接的辅助电极间或大地之间便产生电子交换,进而将机械能转换成电能;实际工作中,动电极环和定电极环经不同的导线组和电路板与其所连接的辅助电极连接形成回路;所生成的电能经电路板上的转换电路处理后供给传感器,传感器实时地获得流体环境温度、流体流速即转子的转速等参数,所获得的相关参数信息再经电路板上的发射单元发射出去,进而完成自供电环境监测过程。
上述工作中,滚柱组与某个动电极或定电极重叠是指所述滚柱组的圆心角与动电极或定电极的圆心角有重叠,滚柱组与动电极或定电极对称重叠是指二者圆心角的对称中心线重合;滚柱组与某个动电极或定电极分离是指滚柱组的圆心角与动电极或定电极的圆心角无重叠。
本发明中,各个部件间相对运动生成的电荷特性与零部件材料有关,主体、转子、左端盖、右端盖、挡板的材料为非金属绝缘材料;动起电层和定起电层的材料为相同的非金属材料,如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺及有机玻璃等;滚柱和支架的材料为金属或非金属,如非金属材料尼龙、金属材料铝和铜等;动电极和定电极的材料为金属,如铝或铜;具体地,如:动起电层和定起电层材料为聚四氟乙烯、滚柱的材料为铜或尼龙时,滚柱带正电荷、动起电层和定起电层带负电荷。
本发明中,可无需动起电层和定起电层,即动起电层和定起电层的厚度可为零,此时滚柱的材料为非金属材料,如聚四氟乙烯或尼龙类非金属材料。
优势与特色:总体结构简单、体积小,起动及摩擦阻力小,耐磨性及可靠性高,无电磁干扰;发电单元输出电压受转速影响小或无影响、发电与供电能力强。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构剖面图;
图2是图1的A-A剖视图;
图3 是本发明一个较佳实施例中定圈的结构示意图;
图4是图3的左视图;
图5 是本发明一个较佳实施例中动圈的结构示意图;
图6是图5的左视图。
具体实施方式
本发明提出一种微小型流体发电机,主要包括主体a、转子b、滚柱c、支架d、左端盖e、右端盖f、挡板g及转换器y,转子b上设有动电极b3、主体a上设有定电极a3,左端盖e和挡板g上安装有电路板p和传感器s,左端盖e设有定电极环i和辅助定电极h,挡板g上设有辅助动电极k和动电极环j。
主体a上设有体腔a0,体腔a0的外壁由内向外依次设有定起电层a1和定电极组,定起电层a1为等厚结构,定电极组由定电极a3构成,定电极a3沿体腔a0的圆周方向均布;定电极a3由定电极体a31和定端子a32构成,定电极体a31嵌入于主体a中,定端子a32位于主体a的左侧;定电极体a31与体腔a0的轴线平行;转子b的外缘自外向内依次设有动起电层b1和动电极组,动起电层b1为等厚结构,动电极组由动电极b3构成,动电极b3沿转子b的圆周方向均布,转子b为阶梯结构,动电极b3由动电极体b31和动端子b32构成,动电极体b31嵌入于转子b中,动端子b32位于转子b的左侧;动电极体b31与转子b的轴线平行。
滚柱c经支架d安装在主体a和转子b之间,支架d由侧板d1和隔板d2构成,隔板d2将滚柱c分隔成滚柱组C,滚柱组C的数量大于等于3,各滚柱组C所含滚柱d2的数量相等;左端盖e和右端盖f经螺钉安装在主体a的两侧,挡板g经螺钉安装在转子b的左侧;左端盖e上的定电极环i压接在定电极组的定端子a32上,挡板g上的动电极环j压接在动电极组的动端子b32上;定电极环i与辅助定电极h经导线与左端盖e上的电路板p相连形成回路,动电极环j与辅助动电极k经导线与挡板g上的电路板p相连形成回路;传感器s经导线与其所在的左端盖e或挡板g上的电路板p相连。
定电极a3、动电极b3及滚柱组C的圆心角均与极间角Q相等,定电极a3的圆心角是指定电极体a31圆周方向弧长所对应的圆心角,动电极b3的圆心角是指动电极体b31圆周方向弧长所对应的圆心角,滚柱组C的圆心角是指滚柱组C中最外侧两个滚柱c的经过体腔a0或转子b圆心的切线间的夹角,极间角Q是指圆周方向上相邻的两个定电极a3之间或两个动电极b3之间的夹角。
转子b的端部经螺钉安装有转换器y,转换器y由轴套y1和叶片y2构成,转换器y的功能是将流体动能转换成转子b的旋转能;工作中,转子b随转换器y转动时,滚柱c在主体a和转子b中间滚动,滚柱c与转子b上的动起电层b1及主体a上的定起电层a1相互接触并滚动的过程中会产生摩擦电荷,由于不同材料吸引电子的能力不同,滚柱c与动起电层b1和定起电层a1滚动接触生成异种摩擦电荷,定电极a3和动电极b3上产生感应电荷及电势差;滚柱组C滚动过程中交替地与动电极b3或定电极a3重叠与分离,进而使滚柱组C与动电极b3或定电极a3间的电势差交替地增加和减小,此时如动电极b3与辅助动电极k经导线连接、定电极a3与辅助定电极h经导线连接、或动电极b3和定电极a3与大地连接,则动电极b3和定电极a3与其所连接的辅助电极间或大地之间便产生电子交换,进而将机械能转换成电能;实际工作中,动电极环j和定电极环i经不同的导线组和电路板p与其所连接的辅助电极连接形成回路;所生成的电能经电路板p上的转换电路处理后供给传感器s,传感器s实时地获得流体环境温度、流体流速即转子b的转速等参数,所获得的相关参数信息再经电路板p上的发射单元发射出去,进而完成自供电环境监测过程。
上述工作中,滚柱组C与某个动电极b3或定电极a3重叠是指所述滚柱组C的圆心角与动电极b3或定电极a3的圆心角有重叠,滚柱组C与动电极b3或定电极a3对称重叠是指二者圆心角的对称中心线重合;滚柱组C与某个动电极b3或定电极a3分离是指滚柱组C的圆心角Q3与动电极b3或定电极a3的圆心角Q无重叠;图2所示为滚柱组C与动电极b3或定电极a3完全且对称重叠的情况。
本发明中,各个部件间相对运动生成的电荷特性与零部件材料有关,主体a、转子b、左端盖e、右端盖f、挡板g的材料为非金属绝缘材料;动起电层b1和定起电层a1的材料为相同的非金属材料,如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺及有机玻璃等;滚柱c和支架d的材料为金属或非金属,如非金属材料尼龙、金属材料铝和铜等;动电极b3和定电极a3的材料为金属,如铝或铜;具体地,如:动起电层b1和定起电层a1材料为聚四氟乙烯、滚柱c的材料为铜或尼龙时,滚柱c带正电荷、动起电层b1和定起电层a1带负电荷。
本发明中,可无需动起电层b1和定起电层a1,即动起电层b1和定起电层a1的厚度可为零,此时滚柱的材料为非金属材料,如聚四氟乙烯或尼龙类非金属材料。

Claims (4)

1.一种微小型流体发电机,包括主体、转子、滚柱、支架、左右端盖、挡板及转换器,转子上设有动电极、主体上设有定电极,左端盖和挡板上安装有电路板和传感器,左端盖上设有定电极环和辅助定电极,挡板上设有动电极环和辅助动电极,左端盖和右端盖装在主体两侧,挡板装在转子左侧,其特征在于:主体的体腔外壁由内向外依次设有定起电层和由定电极构成的定电极组;转子外缘自外向内依次设有动起电层和由动电极构成的动电极组;滚柱经支架安装在主体和转子之间,支架的隔板将滚柱分隔成所含滚柱数量相等的滚柱组;定电极环压接在定电极组上,动电极环压接在动电极组上;定电极环与辅助定电极经导线与左端盖上的电路板相连形成回路,动电极环与辅助动电极经导线与挡板上的电路板相连形成回路;转子的端部装有由轴套和叶片构成的转换器;转子转动时滚柱与动定起电层相互接触并滚动的过程中产生异种电荷,定动电极上产生感应电荷;滚柱组交替地与动定电极重叠与分离,滚柱组与动定电极间的电势差交替地增加和减小,动定电极与其所连接的辅助电极间产生电子交换,将机械能转换成电能,电能经转换电路处理后供给传感器及发射系统。
2.根据权利要求1所述的一种微小型流体发电机,其特征在于:定电极沿体腔的圆周方向均布,定电极体与体腔的轴线平行,动电极沿转子的圆周方向均布,动电极体与转子的轴线平行;定电极、动电极及滚柱组的圆心角均与极间角相等,滚柱组的数量大于等于3。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种微小型流体发电机,其特征在于:主体、转子、左端盖、右端盖、挡板的材料为绝缘材料,动起电层和定起电层的材料为相同聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺或有机玻璃;滚柱和支架的材料为金属金属材料铝和铜或非金属材料尼龙。
4.根据权利要求1所述的一种微小型流体发电机,其特征在于:无动起电层和定起电层,滚柱的材料聚四氟乙烯或尼龙类材料。
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