CN113669204A - 一种基于介电弹性体阵列的风力发电装置 - Google Patents

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赵丰刚
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Abstract

本发明公开了一种基于介电弹性体阵列的风力发电装置,装置包括风车、曲轴、介电弹性体、电极、外壳、轴承、陶瓷夹具、电刷、高压发生器、电缆以及电能收集装置。其中,风车的转轴与曲柄连杆的主轴颈连接,连杆轴颈上安装轴承,轴承外侧1800对向以及电机内壁对向各设置两个固定点固定陶瓷夹具,陶瓷夹具用于固定介电弹性体,设置多段连杆轴颈,一直处于相同拉伸状态的介电弹性体组成一组发电阵列,如A和B,C和D发电单元组成发电阵列。本发明基于单个介电弹性体组成介电弹性体阵列,不同的阵列工作状态不同,在一个周期内依次进行电能的产生。本装置具有结构简单,维修保养方便,能量转化效率高的特点,可以大规模的进行延拓。

Description

一种基于介电弹性体阵列的风力发电装置
技术领域
本装置涉及风力发电领域,具体涉及一种基于介电弹性体阵列的风力发电装置。
背景技术
近些年,化石能源短缺,高污染问题越发严重,生态环境污染问题越发突出,为了解决越来越紧张的不可再生能源的消耗以及环境污染的问题,越来越多的专家学者致力于寻找可再生能源的开发,例如太阳能,风能,潮汐能,以及去寻找一种新的可再生的材料。风能作为一种清洁能源,取之不尽,对环境友好,传统电磁式发电设备原理技术成熟,风触动叶片带动发电机进行发电,由于其通常结构复杂、质量较大,维护成本较高。
介电弹性体作为电活性聚合物的一种,具有两种工作方式,驱动器模式和发电机工作模式。这两个模式正好是相逆过程:当介电弹性体工作在驱动器方式时,将电能转换为机械能;当其工作在发电机方式时,将机械能转换为电能具有高能量密度以及很高的换能率,能量密度可达到3.4J/g,电能转换率可达60%-80%,其材料柔韧性好,质量轻,价格便宜,且材料可靠性高,可承受反复四百万次的拉伸而有效发电。材料结构分为三层,中间选用聚丙烯酸等介电弹性体材料,上下两层使用柔性电极材料作为电容使用。
根据查阅现公开的资料,利用介电弹性体进行电能转换的装置大多都是对单个介电弹性体进行研究的,没有对其进行阵列整合的装置,在发电过程中某一时刻均是一个介电弹性体在进行出力做功,发电量太低。
发明内容
本发明装置的目的是对发电单元进行整合,重新设计发电机,通过发电单元组成发电阵列,发电机中状态始终一致的发电单元组成一组发电阵列,以解决介电弹性体发电装置发电量少以及发电机内部空间利用率低的问题。
为了实现上述目的,本发明提供了如下方案:本发明设计了一种基于介电弹性体阵列的风力发电装置,包括风车、曲轴、介电弹性体、电刷、电极、外壳、陶瓷夹具、轴承、电缆和电能收集装置;其中所述风车在其所述外壳前端,所述曲轴以及所述介电弹性体发电单元安装在外壳内部,电能收集装置安装在外壳后方。
所述风车的中心转轴与曲轴的主轴颈相连,所述曲轴的连杆轴颈上固定安装所述轴承,轴承对向180度安装所述陶瓷夹具,与所述外壳内部的所述陶瓷夹具形成组合,用于固定所述介电弹性体发电单元。当所述风车带动所述曲轴进行转动时候,相应的曲轴对介电弹性体发电单元进行拉伸运动,配合高压激励电路和电能收集电路进行发电。也可对轴承每90度设置陶瓷夹具,在一个轴承上安装4个介电弹性体发电单元。
优选地,所述曲轴与所述外壳连接处设置所述轴承,减小曲轴旋转过程中的摩擦,所述曲轴被所述风车带动时,所述曲轴的连杆轴颈上的轴承进行转动,保证轴承外层的所述陶瓷夹具不会旋转,进而保证所述介电弹性体在所述曲轴旋转过程中不会缠绕在所述曲轴的连杆轴颈上。
优选地,所述介电弹性体为矩形,制作简单,所述陶瓷夹具固定其对边,在拉伸过程中保证相同的拉伸位移以及形变量。
优选地,所述摘要附图中,所诉介电弹性体A与B,C与D每时每刻的状态均相同,整合其为一个发电阵列,并且可以通过增加曲轴连杆轴颈对发电阵列进行延拓,提高其发电等级。
优选地,所述介电弹性体包括丙烯酸、硅橡胶、聚氨醋、丁睛、亚乙烯基氟化三氟乙烯中的任意一种。
优选地,优选地,所述柔性电极层包括导电碳醋、碳纳米管薄膜、石墨中的任意一种。
优选地,所述弹性体薄膜包括聚合物层、以及涂覆于所述聚合物层的两侧的柔性电极层。
优选地,所述电机加装电能收集装置,及时的对产生出的电能进行储存。
优选地,所述风车采用四叶片设计,有效利用风能,降低风场弃风现象。
本发明相对于现有设备的优点:
本发明提供了一种基于介电弹性体阵列的风力发电装置,具有质量轻,发电密度高,对风场风速要求低,能量转化率高。相对于其他设备,可以更高效的将对风能转化为机械能,运用发电阵列进行电能输出,提高了发出电能的质量,合理利用外壳内部空间,从而提高了发电效率以及风能利用率。组合原件简单,推广较容易。
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为本发明中一种基于介电弹性体阵列的风力发电装置的总体结构示意图。
图2为本发明中一种基于介电弹性体阵列的风力发电装置中曲轴的结构以及轴承的安装位置示意图。
图3为本发明中一种基于介电弹性体阵列的风力发电装置中曲轴上轴承的安装以及陶瓷夹具的位置。
图4为本发明中一种基于介电弹性体阵列的风力发电装置中介电弹性体薄膜发电原理图。
图中1为电刷电极;2为电刷;3为风机叶片;4为轴承;5为介电弹性体发电单元的电极;6为介电弹性体发电单元;7为电极外壳,且内部安装电能收集装置;8为连杆轴颈上的轴承;8-1为轴承内部钢珠;9为陶瓷夹具;10为曲轴;10-1为主轴颈;10-2为连杆轴颈;10-3为曲轴臂。
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阵列的风力发电装置,以解决现有介电弹性体发电装置发电等级低的不足。
为了使本发明的上述目的、特征和优点显而易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
本实施例提供了一种基于介电弹性体阵列的风力发电装置,如图1所示包括电极1、电刷2、风机3、轴承4、介电弹性体膜上的电极借口5、介电弹性体薄膜6、外壳及储能单元7、连杆轴颈上的轴承8、陶瓷夹具9、曲轴10、图2中包含曲轴主轴颈10-1、连杆轴颈10-2、曲轴臂10-3。图3中包含轴承滚珠8-1。
其中,风车3设置在外壳前端,曲轴10其他部分延伸外壳7内部,介电弹性体6、介电弹性体电极5、轴承8、陶瓷夹具9、安装在外壳内部。
其中风车3与曲轴10的主轴颈10-1进行连接,曲轴10与外壳连接处安装轴承4,连杆轴颈10-2上固定安装轴承8,陶瓷夹具9相对1800安装陶瓷夹具9,电刷2通过电缆与高压发生器相连接,介电弹性体电极5通过电缆与电极1以及电能收集装置7相连接。
与本具体实施例中,如图1所示,轴承8上安装的陶瓷夹具9可增加至4个,每个陶瓷夹具相位相差900,相应的外壳内壁四周个安装一个陶瓷夹具,曲轴上的陶瓷夹具与内壁上的陶瓷夹具依次进行组合,将介电弹性体6依次固定,可以提高装置内部空间利用率,使但个周期内发电量成倍增加。
与本具体实施例中,如图2所示,连杆轴颈10-2可以延曲轴末端方向进行延伸,增加曲轴连杆轴颈的个数,相应的对介电弹性体发电阵列进行延拓,增加单个阵列的发电等级,提高发电量。
与本具体实施例中,介电弹性体发电单元6为矩形,易于加工。
陶瓷夹具9对其边进行固定,当曲轴运动中,可以对介电弹性体进行尽可能大的拉伸量,拉伸过程中介电弹性体发电单元6不容易损坏。
曲轴运动过程中状态始终相同的介电弹性体发电单元6组成一个发电阵列,介电弹性体发电单元6并联连接,将产生的电能进行整合汇集进入电能收集装置7中。
当风机3转动带动曲轴10转动时,曲轴10的转动对介电弹性体发电单元6进行拉伸或者介电弹性体发电单元6由于机械应力进行收缩,但是每个介电弹性体发电阵列中的介电弹性体发电单元6状态总是相同的。
当介电弹性体发电单元6被拉伸时,电刷2正好与电极1相接通,进行高压补充电荷,当介电弹性体发电单元6收缩时,电荷聚集,其表面电势升高,对外界进行电能的输送。
与本具体实施例中,机壳为封闭机壳。
如图4所示,本发明中的介电弹性体发电单元6发电原理如下:介电弹性体薄膜拉伸时对其进行高压充电,由于应力收缩,介电弹性体发电单元6上下表面积减小,电荷聚集,其表面电势增加,接通外部能量收集装置,对外进行电荷的释放,完成充放电的一个循环过程。
所述高压电源为500V—5000V的直流电源。
本发明应用了具体个例对本发明的原理、实施方案以及后期拓展的方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法以及核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式以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 (7)

1.本发明公开了一种基于介电弹性体阵列的风力发电装置,机械结构包括风车、电机外壳、曲轴、介电弹性体薄膜、电刷、电极、陶瓷夹具、轴承、电缆、高压发生器以及电能收集装置,其中,所述风车设置在电机外壳的前端,所述曲轴与风机连接,所述轴承套在连杆轴颈上以及曲轴主轴颈与电机外壳连接处,所述电刷固定在电极外壳外侧的曲轴上,所述电极固定在电机外壳前端,在曲轴运动过程中能够与电刷接触,所述陶瓷夹片固定在轴承外壁以及电机外壳内部,所述介电弹性体固定安装在曲轴和电机外壳内壁的陶瓷夹具上,所述电缆连接所述介电弹性体发电单元与电极、电能收集装置,电刷与高压发生器。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体阵列的风力发电装置,风车与所述曲轴主轴颈连接,所述电机内部轴承上相对1800安装两个陶瓷夹具,每一个陶瓷夹具与电机外壳内部的陶瓷夹具形成一对,用于固定介电弹性体,所述风车转动带动所述曲轴,所述曲轴的旋转对所述介电弹性体进行往复拉伸运动。
3.根据权利要求2所述的基于介电弹性体阵列的风力发电装置,其特征在于:所述介电弹性体膜发电单元的形状设置为长方形,对所述长方形的对边由所述陶瓷夹具固定,所述介电弹性体通过所述陶瓷夹具与所述连杆轴颈上的轴承以及电机外壳进行固定。
4.根据权利要求2所述的基于介电弹性体阵列的风力发电装置,其特征在于:所述曲轴的两段连杆轴颈每时每刻运动状态正好相同,相位相差1800,相邻的所述连杆轴颈上处于对向位置的一组所述介电弹性体拉伸状态相同,将所述介电弹性体发电单元组成为一组介电弹性体发电阵列,也可对轴承每90度设置陶瓷夹具,相应的外壳内壁四个方向各安装一个陶瓷夹具,则可在一个轴承上安装4个介电弹性体发电单元。
5.根据权利要求1所述的基于介电弹性体阵列的风力发电装置,其特征在于:在所述曲轴转动带动电刷运动过程中,所述电刷与所述电极进行接触,起到自动开关的作用,在发电周期中自动的对所述介电弹性体进行高压激励。
6.根据权利要求1所述的基本介电弹性体阵列的风力发电装置,其特征在于:所述风车为四叶片设计。
7.根据权利要求1所述的基本介电弹性体阵列的风力发电装置,其特征在于:陶瓷夹具固定介电弹性体,起到绝缘作用。
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