CN113078847B - 一种全风向、宽工作风速的微风能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全风向、宽工作风速的微风能量收集器，包括外壳、旋转轴以及集流器，所述外壳的内腔顶部设有升降台，所述升降台的内侧底部设有离心离合器，所述升降台的中部内侧开设有半球槽，且所述离心离合器嵌入设置在半球槽，所述离心离合器包括第一套管以及三个离心体，三个离心体的边缘处均与升降台抵接，所述第一套管的外周面分别固定设有三个第一凸杆以及三个第二凸杆。本发明在低风速时，升降台外壁的第一磁铁块与外壳内壁的压电片顶端的第二磁铁块产生斥力使压电片发生形变，基于压电效应发电；当风速逐渐变大时，升降台外壁的第一磁铁块与外壳内壁的闭合线圈由于电磁感应发电，达到了低启动风速、宽工作风速的目的。
Description
技术领域
本发明涉及微风能量收集技术领域，具体为一种体积小、寿命长、成本低、能量密度高的微风能量收集器，尤其是解决全风向风能收集、低启动风速、宽工作风速、全风速下高能量收集效率等方面的技术。
背景技术
近年来，随着微电子、MEMS和通信等技术的快速发展，多功能、低功耗的微小型传感器、执行器等器件与系统取得了重要的进展，在交通、医疗、信息、环境、航空航天等军民领域有着重要的应用需求。当前，微型器件与系统均采用传统的化学电池作为电源，而化学电池存在体积大、寿命短、对环境污染大等问题，已成为制约微系统发展的技术瓶颈。环境能量收集器受到了国内外研究者的广泛关注，它能够源源不断地将环境中各种形式的能量(太阳能、振动能、流体动能等)转化为电能，具有体积小、寿命长、成本低、免维护等显著优点，是解决微型器件与系统电源问题的有效途径。
风能作为一种新能源，是人类可以利用的最丰富的能源。取之不尽，用之不竭，同时是一种洁净的能源。在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡。绝对不会造成污染和公害。
现有技术存在以下不足：现有的风能收集器仅在风速较大时才能起到能量收集的效果。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于电磁感应和压电效应一体的全风向、宽工作风速的微风能量收集器，能够完善微能源技术体系，为微小型器件与系统的电源问题提供一种有效的解决方案，具有重要的科学意义与应用价值。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种全风向、宽工作风速的微风能量收集器，包括外壳、旋转轴以及集流器，所述外壳的内腔顶部设有升降台，所述升降台的内侧底部设有离心离合器，所述升降台的中部内侧开设有半球槽，且所述离心离合器嵌入设置在半球槽，所述离心离合器包括第一套管以及三个离心体，且三个离心体关于第一套管呈中心对称分布，三个离心体的边缘处均与升降台抵接，所述第一套管的外周面分别固定设有三个第一凸杆以及三个第二凸杆，且所述第一凸杆的长度大于第二凸杆的长度，所述第二凸杆的端部与离心体抵接；
所述第一套管的内侧底部固定设有连管，所述升降台的底部中心处固定设有第二套管，且所述第二套管与连管滑动连接，所述第二套管的顶部固定设有弹簧，且所述第二套管与第一套管通过弹簧活动连接，所述升降台的外周面底部固定设有多个第一磁铁块，所述外壳内侧边缘处固定设有多个压电片，多个压电片的端部均固定设有第二磁铁块，且所述第一磁铁块与第二磁铁块的相近一侧磁极相同，所述外壳的内侧底部固定设有闭合线圈。
优选的，所述旋转轴活动设置于外壳的内腔中心处，所述集流器设置于旋转轴的顶端，所述集流器包括固定套以及四个集流罩，且四个所述集流罩与固定套均通过支架固定连接，四个所述集流罩关于固定套呈中心对称分布，所述固定套与旋转轴的顶端固定焊接。
优选的，三个离心体的内侧中心处均开设有凹槽，且所述第二凸杆的端部均与凹槽相适配，所述第一套管的底部外侧固定设有圆盘，三个离心体的底部均固定设有滑块，且三个离心体均与圆盘通过滑块滑动连接。
优选的，所述连管的顶端与第一套管固定连接，所述第二套管的内部两侧均固定设有方形块，所述连管的外侧开设有与方形块位置相对应的滑槽，且所述方形块与滑槽相适配。
优选的，所述外壳的底部外侧固定设有多个安装架，且多个所述安装架关于外壳呈中心对称分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在低风速时，集流器带动旋转轴低速旋转，旋转轴带动离心离合器以及升降台同步转动，此时升降台外壁的第一磁铁块与外壳内壁的压电片顶端的第二磁铁块产生斥力使压电片发生形变，基于压电效应发电；当风速逐渐变大时，集流器带动旋转轴转动速度增加，旋转轴带动离心离合器以及升降台同步转动，此时升降台外壁的第一磁铁块与外壳内壁的闭合线圈由于电磁感应发电，本发明达到了低启动风速、宽工作风速的目的。
附图说明
图1为本发明的纵向剖视图；
图2为本发明的使用场景图；
图3为本发明离心离合器的俯视图；
图4为本发明图1的A部放大图。
图示说明：1、外壳；2、旋转轴；3、集流器；4、升降台；5、离心离合器；6、第一套管；7、离心体；8、第一凸杆；9、第二凸杆；10、连管；11、第二套管；12、弹簧；13、第一磁铁块；14、压电片；15、第二磁铁块；16、闭合线圈。
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。
请参阅图1-4，一种全风向、宽工作风速的微风能量收集器，包括外壳1、旋转轴2以及集流器3，所述外壳1的腔体结构为空心圆柱体形，所述外壳1的内腔顶部设有升降台4，所述升降台4的内侧底部设有离心离合器5，所述升降台4的中部内侧开设有半球槽，且所述离心离合器5嵌入设置在半球槽，所述离心离合器5包括第一套管6以及三个离心体7，且三个离心体7关于第一套管6呈中心对称分布，三个离心体7的边缘处均与升降台4抵接，所述第一套管6的外周面分别固定设有三个第一凸杆8以及三个第二凸杆9，且所述第一凸杆8的长度大于第二凸杆9的长度，所述第二凸杆9的端部与离心体7抵接；
所述第一套管6的内侧底部固定设有连管10，所述升降台4的底部中心处固定设有第二套管11，且所述第二套管11与连管10滑动连接，所述第二套管11的顶部固定设有弹簧12，且所述第二套管11与第一套管6通过弹簧12活动连接，所述升降台4的外周面底部固定设有多个第一磁铁块13，所述外壳1内侧边缘处固定设有多个压电片14，多个压电片14的端部均固定设有第二磁铁块15，且所述第一磁铁块13与第二磁铁块15的相近一侧磁极相同，所述外壳1的内侧底部固定设有闭合线圈16。
所述旋转轴2活动设置于外壳1的内腔中心处，所述集流器3设置于旋转轴2的顶端，所述集流器3包括固定套以及四个集流罩，集流罩可以是风杯、扇叶等多种形式，且四个所述集流罩与固定套均通过支架固定连接，四个所述集流罩关于固定套呈中心对称分布，所述固定套与旋转轴2的顶端固定焊接，四个集流罩绕旋转轴2以正比于风速的速度旋转。三个离心体7的内侧中心处均开设有凹槽，且所述第二凸杆9的端部均与凹槽相适配，所述第一套管6的底部外侧固定设有圆盘，三个离心体7的底部均固定设有滑块，且三个离心体7均与圆盘通过滑块滑动连接，所述连管10的顶端与第一套管6固定连接，所述第二套管11的内部两侧均固定设有方形块，所述连管10的外侧开设有与方形块位置相对应的滑槽，且所述方形块与滑槽相适配，所述外壳1的底部外侧固定设有多个安装架，且多个所述安装架关于外壳1呈中心对称分布，集流器3的四个集流罩可接受来自不同方向的风，集流范围广，圆盘便于离心体7的放置，且便于三个离心体7的活动，方形块便于连管10带动第二套管11的同时，也便于第二套管11带动升降台4上下移动，通过设置的安装架便于外壳1的固定安装，通过设置的压电片14以及闭合线圈16均通过导线与外部储能电池电性连接。
本发明的工作原理是：
离心离合器5的位置是固定不变的，升降台4可以上下活动，离心离合器5根据不同的转速产生的离心力可以控制离心体7向外伸缩的距离，进而可以控制升降台4的上升或下降。在升降台4的外壁紧贴有若干圈极性一致摆放的第一磁铁块13，在外壳1的内壁上悬挂有若干圈压电片14，压电片14的头部放置有第二磁铁块15作为压电片14的质量块，在压电片14的顶端放入第二磁铁块15作为质量块的作用既可以有效降低压电片14的固有频率，有效降低了压电片14正常工作的形变力，还可以与升降台4上的第一磁铁块13互斥，利用斥力使压电片14发生形变。
低风速时，集流器3带动旋转轴2低速旋转，旋转轴2带动离心离合器5以及升降台4同步转动，此时由于较低的离心力，三个离心体7伸缩的距离短，升降台4在弹簧12的作用下上升到一定高度与离心离合器5同轴旋转，升降台4带动多个第一磁铁块13转动，此时升降台4外壁的第一磁铁块13与外壳1内壁的压电片14顶端的第二磁铁块15产生斥力使压电片14发生形变，基于压电效应发电，产生的电能存储进储能电池中；
当风速逐渐变大时，集流器3带动旋转轴2转动速度增加，旋转轴2带动离心离合器5以及升降台4同步转动，此时离心力变大，三个离心体7伸缩的距离变长，当三个离心体7产生的离心力大于弹簧12的约束力时，三个离心体7推动升降台4下移，升降台4在弹簧12的作用下高度慢慢下降，与离心离合器5同轴旋转，此时升降台4外壁的第一磁铁块13与外壳1内壁的闭合线圈16由于电磁感应发电，产生的电能存储进储能电池中。
升降台4外壁上的第一磁铁块13转动时存在磁阻，升降台4越往下移动就存在越大的磁阻，即需要更大的风力。因此本发明从外壳1内部的布置上，从上往下，依次布置为带第二磁铁块15的压电片14和匝数逐渐递增的闭合线圈16，升降台4在下降并带动外壁的第一磁铁块13往下运动的过程中，压电片14、圈数渐变的闭合线圈16产生的电量可以逐渐累积。因此，基于电磁感应和压电效应一体的全风向、宽工作风速的风能收集器可以达到了低启动风速、宽工作风速的目的。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种全风向、宽工作风速的微风能量收集器，包括外壳(1)、旋转轴(2)以及集流器(3)，其特征在于：旋转轴(2)活动设置于外壳(1)的内腔中心处，所述集流器(3)位于外壳(1)外部且固定于旋转轴(2)的顶端；所述外壳(1)的内腔顶部设有升降台(4)，所述升降台(4)的内侧底部设有离心离合器(5)，所述升降台(4)的中部内侧开设有半球槽，且所述离心离合器(5)嵌入设置在半球槽，所述离心离合器(5)包括第一套管(6)以及三个离心体(7)，且三个离心体(7)关于第一套管(6)呈中心对称分布，三个离心体(7)的边缘处均与升降台(4)抵接，所述第一套管(6)的外周面分别固定设有三个第一凸杆(8)以及三个第二凸杆(9)，且所述第一凸杆(8)的长度大于第二凸杆(9)的长度，所述第二凸杆(9)的端部与离心体(7)抵接；
所述第一套管(6)的内侧底部固定设有连管(10)，所述升降台(4)的底部中心处固定设有第二套管(11)，且所述第二套管(11)与连管(10)滑动连接，所述第二套管(11)的顶部固定设有弹簧(12)，且所述第二套管(11)与第一套管(6)通过弹簧(12)活动连接，所述升降台(4)的外周面底部固定设有多个第一磁铁块(13)，所述外壳(1)内侧边缘处固定设有多个压电片(14)，多个压电片(14)的端部均固定设有第二磁铁块(15)，且所述第一磁铁块(13)与第二磁铁块(15)的相近一侧磁极相同，所述外壳(1)的内侧底部固定设有闭合线圈(16)；旋转轴(2)带动离心离合器(5)以及升降台(4)同步转动；离心离合器(5)根据不同的转速产生的离心力控制离心体(7)向外伸缩的距离，进而控制升降台(4)的上升或下降。
2.根据权利要求1所述的一种全风向、宽工作风速的微风能量收集器，其特征在于：所述集流器(3)包括固定套以及四个集流罩，且四个所述集流罩与固定套均通过支架固定连接，四个所述集流罩关于固定套呈中心对称分布，所述固定套与旋转轴(2)的顶端固定焊接。
3.根据权利要求1所述的一种全风向、宽工作风速的微风能量收集器，其特征在于：三个离心体(7)的内侧中心处均开设有凹槽，且所述第二凸杆(9)的端部均与凹槽相适配，所述第一套管(6)的底部外侧固定设有圆盘，三个离心体(7)的底部均固定设有滑块，且三个离心体(7)均与圆盘通过滑块滑动连接。
4.根据权利要求1所述的一种全风向、宽工作风速的微风能量收集器，其特征在于：所述连管(10)的顶端与第一套管(6)固定连接，所述第二套管(11)的内部两侧均固定设有方形块，所述连管(10)的外侧开设有与方形块位置相对应的滑槽，且所述方形块与滑槽相适配。
5.根据权利要求1所述的一种全风向、宽工作风速的微风能量收集器，其特征在于：所述外壳(1)的底部外侧固定设有多个安装架，且多个所述安装架关于外壳(1)呈中心对称分布。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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