CN113389689A - 一种基于介电弹性体的风力发电装置 - Google Patents

一种基于介电弹性体的风力发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于介电弹性体的风力发电装置，包括风车、齿轮传动机构、介电弹性体模块、连接杆件和机壳；其中齿轮传动机构包括旋转轴、从动杆、固定杆、齿轮滑块、滑槽、驱动轴，旋转轴一端与风车连接并由风车带动旋转，旋转轴另一端连接从动杆，旋转轴通过从动杆的传动使齿轮滑块在滑槽中反复水平直线滑动，通过齿轮传动使驱动轴做半周期的反复转动，带动连接杆件使介电弹性体模块做周期性的拉伸与压缩运动，实现风能到机械能再到电能的转化；本发明中的基于介电弹性体的风力发电装置，能够达到充分利用风能资源，减少常规能源的消耗，改变风力发电方式，提高空间利用率，提高风力发电效率，减少环境污染，促进新能源产业发展的目的。

Description

一种基于介电弹性体的风力发电装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种基于介电弹性体的风力发电装置。
背景技术
在全球气候变暖加剧和能源转型压力等多重因素之下，发展新型绿色能源成为全世界共同的目标。新能源中，风能因其蕴量巨大、分布广泛、无污染、可再生等特点，越来越受到重视，利用风能发电已是大势所趋。
最初的风力发电依据的是电磁感应原理，近年来，利用压电陶瓷、橡胶等新型材料进行风力发电成为了研究热点。众多可以发电的材料中，介电弹性体(典型代表有硅橡胶、聚丙烯酸酯(VHB))显示出了独特的优势，除了具有质量轻、柔性好、可产生大变形等特点外，其比能密度和机电转换效率要优于压电陶瓷等材料，因此，利用介电弹性体制造的发电机会拥有更高的发电效率。
目前已有的介电弹性体发电装置多数采用曲柄链杆机构或凸轮机构。已有凸轮机构使介电弹性体发生的变形较小，不能完全发挥介电弹性体大变形的优势，降低了能量转化效率；已有曲柄链杆机构中介电弹性体布置数量较少，空间利用率不高，降低了发电效率。
综上，提供一种新型的基于介电弹性体的风力发电装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于介电弹性体的风力发电装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够达到充分利用风能资源，减少常规能源的消耗，改变风力发电方式，提高空间利用率，提高风力发电效率，减少环境污染，促进新能源产业发展的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于介电弹性体的风力发电装置，包括风车、齿轮传动机构、介电弹性体模块、连接杆件和机壳；
其中所述齿轮传动机构包括旋转轴、从动杆、固定杆、齿轮滑块、滑槽和驱动轴，所述旋转轴一端与所述风车连接由所述风车带动旋转，所述旋转轴另一端连接所述从动杆，所述旋转轴通过所述从动杆的传动使所述齿轮滑块在所述滑槽中反复水平直线滑动，通过齿轮传动使所述驱动轴做半周期的反复转动，带动连接杆件使介电弹性体模块做周期性的拉伸与压缩运动，实现风能到机械能再到电能的转化。
优选地，所述风车设置于所述机壳的外部，所述齿轮传动机构和介电弹性体模块设置于所述机壳的内部，所述从动杆的底部通过铆钉连接所述固定杆，所述从动杆的杆体上竖向设置有两个导向槽，所述旋转轴的尾端设置的滑钉活动连接于底部的所述导向槽内，所述齿轮滑块首端设置的滑钉活动连接于顶部的所述导向槽内，所述齿轮滑块的尾端活动连接于所述滑槽内，所述齿轮滑块通过底部端面上设置的齿与所述驱动轴首端设置的齿圈啮合连接。
优选地，所述滑槽的两端与所述机壳连接，所述齿轮滑块通过滚轮与所述滑槽滚动连接。
优选地，两个所述滑钉的外部均套设有轴承，且通过轴承与其所在的导向槽连接。
优选地，所述驱动轴的两端通过底部固定在所述机壳内的轴承支座支撑。
优选地，所述铆钉的外部套设有轴承。
优选地，所述驱动轴的两侧分别设置有两组所述介电弹性体模块，两组所述介电弹性体模块上下分布，每组所述介电弹性体模块包括多个纵向排列的介电弹性体单元；每个所述介电弹性体单元包括两个介电弹性体、隔板和U形连杆，两个所述介电弹性体之间设置所述隔板，顶部所述介电弹性体单元的隔板与所述机壳的壳顶连接，底部的所述介电弹性体单元的隔板与所述机壳的壳底连接，外侧的所述所述介电弹性体单元的外端与所述U形连杆的外端连接，内侧的所述介电弹性体通过所述连接杆件连接所述驱动轴，所述U形连杆的内端连接所述连接杆件。
优选地，所述介电弹性体为长方体或圆柱体或多层分布的层叠式介电弹性体薄膜，各所述介电弹性体两端均分部有柔性电极层。
优选地，所述驱动轴内部为中空结构。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明提供的基于介电弹性体的风力发电装置，通过简单的机械装置实现风能到机械能再到电能的转化，结构新颖；提高了介电弹性体的拉伸与压缩幅度，使介电弹性体产生更大的变形，从而提高能量转化效率；有限空间内放置尽可能多的介电弹性体，更多的介电弹性体意味着更高的发电效率。本发明可以提高风力发电效率，减少环境污染，在新型可再生能源与工业应用上具有重要的理论意义与应用前景，完全符合我国新能源发展战略。
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为本发明中基于介电弹性体的风力发电装置的立体结构示意图；
图2是本发明中基于介电弹性体的风力发电装置的内部俯视图；
图3是本发明中基于介电弹性体的风力发电装置的内部右视图；
图4是本发明中基于介电弹性体的风力发电装置的内部正视图；
图5是本发明中从动杆的结构示意图；
图中：1-风车，2-齿轮传动机构，201-旋转轴，202-从动杆，203-固定杆，204-齿轮滑块，205-滑槽，206-驱动轴，3-介电弹性体；4-隔板，5-连接杆件，6-机壳，7-轴承支座、8-U形连杆。
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。
本发明的目的是提供一种基于介电弹性体的风力发电装置，以解决现有技术存在的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例中的基于介电弹性体的风力发电装置，如图1-4所示，包括风车1、齿轮传动机构2、介电弹性体模块、连接杆件5和机壳6；
其中齿轮传动机构2包括旋转轴201、从动杆202、固定杆203、齿轮滑块204、滑槽205和驱动轴206，旋转轴201的一端与风车1连接由风车1带动旋转，旋转轴201的另一端连接从动杆202，旋转轴201通过从动杆202的传动使齿轮滑块204在滑槽205中反复水平直线滑动，通过齿轮传动使驱动轴206做半周期的反复转动，带动连接杆件5使介电弹性体3模块做周期性的拉伸与压缩运动，利用介电弹性体3高机电转化效率、高疲劳寿命等特点，实现风能到机械能再到电能的转化。
于本具体实施例中，风车1设置于机壳6的外部，齿轮传动机构2和介电弹性体模块设置于机壳6的内部，从动杆202的底部通过铆钉连接固定杆203，铆钉的外部套设有轴承以减小摩擦；从动杆202的杆体上竖向设置有两个导向槽(如图5所示)，旋转轴201的尾端设置的滑钉活动连接于底部的导向槽内，齿轮滑块204首端设置的滑钉活动连接于顶部的导向槽内，齿轮滑块204的尾端活动连接于滑槽205内，滑槽205的两端与机壳6连接，齿轮滑块204通过滚轮与滑槽205滚动连接，齿轮滑块204通过底部端面上设置的齿与驱动轴206首端设置的齿圈啮合连接。
于本具体实施例中，两个滑钉的外部均套设有轴承，且通过轴承与其所在的导向槽连接；两个导向槽的宽度与轴承直径相当，其中底部导向槽的长度与滑钉旋转形成的圆环的直径相当。
于本具体实施例中，驱动轴206的两端通过底部固定在机壳6内的轴承支座7支撑。
于本具体实施例中，驱动轴206的两侧分别设置有两组介电弹性体模块，两组介电弹性体模块上下分布，每组介电弹性体模块包括多个纵向排列的介电弹性体单元；每个介电弹性体单元包括两个介电弹性体3、隔板4和U形连杆8，两个介电弹性体3之间设置隔板4，顶部介电弹性体单元的隔板4与机壳6的壳顶连接，底部的介电弹性单元的隔板4与机壳6的壳底连接，外侧的介电弹性体单元的外端与U形连杆8的外端连接，内侧的介电弹性体3通过连接杆件5连接驱动轴206，U形连杆8的内端连接连接杆件5。
于本具体实施例中，介电弹性体3为长方体或圆柱体或多层分布的层叠式介电弹性体薄膜，各介电弹性体两端均分部有柔性电极层。
于本具体实施例中，驱动轴206内部为中空结构。
具体的工作过程：如图2、图3、图4所示，若此时为开始位置，旋转轴201上的滑钉在从动杆202底部导向槽的最上方，齿轮滑块204上的滑钉在从动杆202顶部导向槽的最下方，当风车1的风车逆时针转动带动旋转轴201逆时针方向旋转时，旋转轴201上的滑钉在从动杆202底部导向槽中沿槽向下运动，且使从动杆202绕固定杆203上的铆钉做逆时针转动，此时从动杆202上方开槽通过对齿轮滑块204上的滑钉作用，带动齿轮滑块204沿着滑槽205向左滑动，通过齿轮齿合带动驱动轴206逆时针转动，然后推动连接杆件5向左或向右运动，从而达到对介电弹性体的压缩或拉伸。
进一步，当从上述开始位置逆时针旋转至从动杆202与旋转轴圆盘切线平行时，齿轮滑块204将向左运动到最大位置，此时驱动轴206上方隔板4左侧的介电弹性体3均被拉伸到最大位置，隔板4右侧的介电弹性体3均被压缩到最大位置，而驱动轴206下方的介电弹性体3中左侧的介电弹性体3将被压缩到最大位置，右侧的介电弹性体3将被拉伸到最大位置。上下两方的介电弹性体3运动状态相反。
进一步，当旋转角度继续增大时从动杆202将会绕铆钉发生顺时针转动，带动齿轮滑块204向右滑动，从而带动驱动轴206顺时针转动，此时旋转轴201上方隔板4左侧的介电弹性体将被从拉伸到的最大位置开始压缩，隔板4右侧的介电弹性体3将被从压缩到的最大位置开始拉伸，旋转轴201下方的介电弹性体3的运动状态则与上方相反，当旋转角度至180°时，介电弹性体3的状态则与开始时相同，而此时每一块介电弹性体3均发生一次“拉伸-压缩”(或“压缩-拉伸”)周期运动。
进一步，当旋转角度继续增大从180°到360°时，介电弹性体3的运动状态则与从0°转到180°时各介电弹性体3的运动状态相反。转到360°时则恢复到初始状态，此时每一块介电弹性体3又均发生一次“拉伸-压缩”(或“压缩-拉伸”)周期运动。
进一步，当旋转轴201旋转一周(即360°)后，每一块介电弹性体3均发生两次周期运动，从而达到使介电弹性体3做周期性拉伸与压缩运动的目的，利用介电弹性体3的特性，实现从机械能到电能的转化。
以上所述方向均以说明附图中方位为基准，且仅为描述本发明。
有益效果：本发明中的基于介电弹性体的风力发电装置，通过简单的机械装置实现风能到机械能再到电能的转化，结构新颖；提高了介电弹性体的拉伸与压缩幅度，使介电弹性体产生更大的变形，从而提高能量转化效率；有限空间内放置尽可能多的介电弹性体，更多的介电弹性体意味着更高的发电效率。通过新型风力发电机的设计进一步提高发电机的发电效率，减少发电过程中的能量损耗，为介电弹性体风力发电机实际应用添砖加瓦。
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于：包括风车、齿轮传动机构、介电弹性体模块、连接杆件和机壳；
其中所述齿轮传动机构包括旋转轴、从动杆、固定杆、齿轮滑块、滑槽和驱动轴，所述旋转轴一端与所述风车连接由所述风车带动旋转，所述旋转轴另一端连接所述从动杆，所述旋转轴通过所述从动杆的传动使所述齿轮滑块在所述滑槽中反复水平直线滑动，通过齿轮传动使所述驱动轴做半周期的反复转动，带动连接杆件使介电弹性体模块做周期性的拉伸与压缩运动，实现风能到机械能再到电能的转化。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于：所述风车设置于所述机壳的外部，所述齿轮传动机构和介电弹性体模块设置于所述机壳的内部，所述从动杆的底部通过铆钉连接所述固定杆，所述从动杆的杆体上竖向设置有两个导向槽，所述旋转轴的尾端设置的滑钉活动连接于底部的所述导向槽内，所述齿轮滑块首端设置的滑钉活动连接于顶部的所述导向槽内，所述齿轮滑块的尾端活动连接于所述滑槽内，所述齿轮滑块通过底部端面上设置的齿与所述驱动轴首端设置的齿圈啮合连接。
3.根据权利要求2所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于：所述滑槽的两端与所述机壳连接，所述齿轮滑块通过滚轮与所述滑槽滚动连接。
4.根据权利要求2所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于：两个所述滑钉的外部均套设有轴承，且通过轴承与其所在的导向槽连接。
5.根据权利要求2所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于：所述驱动轴的两端通过底部固定在所述机壳内的轴承支座支撑。
6.根据权利要求2所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于：所述铆钉的外部套设有轴承。
7.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于：所述驱动轴的两侧分别设置有两组所述介电弹性体模块，两组所述介电弹性体模块上下分布，每组所述介电弹性体模块包括多个纵向排列的介电弹性体单元；每个所述介电弹性体单元包括两个介电弹性体、隔板和U形连杆，两个所述介电弹性体之间设置所述隔板，顶部所述介电弹性体单元的隔板与所述机壳的壳顶连接，底部的所述介电弹性体单元的隔板与所述机壳的壳底连接，外侧的所述所述介电弹性体单元的外端与所述U形连杆的外端连接，内侧的所述介电弹性体通过所述连接杆件连接所述驱动轴，所述U形连杆的内端连接所述连接杆件。
8.根据权利要求7所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于：所述介电弹性体为长方体或圆柱体或多层分布的层叠式介电弹性体薄膜，各所述介电弹性体两端均分部有柔性电极层。
9.根据权利要求7所述的基于介电弹性体的风力发电装置，其特征在于：所述驱动轴内部为中空结构。
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