CN113794327A - 一种风力往复式压电-电磁复合发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种风力往复式压电‑电磁复合发电装置，涉及清洁能源领域。本发明由S型风轮、套筒、底座、波纹管、压电薄膜、永磁铁、线圈、伸缩弹簧、导杆以及转子组成。所述导杆带有圆柱凸轮，当S型风轮受到外界风激励时，将带动转子同步转动。转子经过圆柱凸轮凸部时，伸缩弹簧被压缩，导杆向下运动；转子经过圆柱凸轮凹部时，伸缩弹簧伸长，导杆向上运动。导杆在转子作用下在套筒中做往复运动。导杆尾端与包裹有压电薄膜的波纹管相连，导杆做往复运动时会使压电薄膜发生周期性形变，压电薄膜由正压电效应产生电压；导杆下端面固定的永磁铁与底座中的线圈做切割磁感线运动，在线圈中产生感应电流。

Description

一种风力往复式压电-电磁复合发电装置
技术领域
本发明涉及清洁能源领域，具体是一种风力往复式压电-电磁复合发电装置。
背景技术
近年来，随着无线传感器网络的广泛应用，无线传感器网络中传感器节点的能源问题日益凸显。由于传感器节点数量多、分布范围广、分布环境复杂，传统电池以无法满足传感器节点的长期工作要求。所以如何长久地为无线传感系统供电成为当下研究的热门方向。
自然界中存在着多种可再生能源，如：风能、太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等，如果能将自然界中存在的能量转化为电能，有望解决设备供能问题。风能是一种储量大、分布广、容易俘获的能源，利用风能发电解决无线传感系统供能问题，将会是一种理想的解决方案。
常见俘能方式有:电磁式、静电式、压电式三种。电磁式俘能器的基本原理为法拉第电磁感应，利用磁场将机械能转化为电能，具有能量密度高、使用寿命长等优点；静电式俘能器是由变容二级体振动引起电容变化来获得静电能量的，但需要外接电源来约束电容电压且制作精度要求高，这制约了静电式的发展和应用；压电式俘能器是依据压电效应将振动能转换为电能，具有结构简单、电压密度高、功率密度高、不受环境影响等优点。压电-电磁复合发电是结合了压电式和电磁式的特征形成的新的俘能方式，能最大程度地利用振动能。
发明内容
在自然界中，风往往是多方向的、无规律的，为了更好的利用自然界中的风能，本发明提供了具有宽风速范围且能全方向接受来风的一种风力往复式压电-电磁复合发电装置。
一种风力往复式压电-电磁复合发电装置，由S型风轮、套筒、底座、波纹管、压电薄膜、永磁铁、线圈、伸缩弹簧、导杆、转子构成，装置的发电部分包括压电发电部分和电磁发电部分。
进一步的，S型风轮位于整个装置顶端，套筒连接在S型风轮下端，底座固定，套筒安装在底座上。
进一步的，套筒连接底座端安装有限位环，内径略大于导杆传动杆直径；套筒内壁有两个关于轴线对称的矩形滑轨。
进一步的，转子固定连接在S型风轮下端没入套筒中，转子下表面与圆柱凸轮上端面保持接触。
进一步的，导杆由圆柱凸轮和传动杆组成，圆柱凸轮上端面有两对在圆周上交替排布的凸部和凹部；传动杆固定在圆柱凸轮下端面，且直径小于圆柱凸轮。传动杆下端面固定有永磁铁，永磁铁置于线圈中；圆柱凸轮外壁有两个关于轴线对称的矩形凹槽，与套筒内壁的矩形导轨相配合。
进一步的，拉伸弹簧外径小于圆柱凸轮的直径，内径大于传动杆的直径；上下两端分别连接在圆柱凸轮的下端面和套筒限位环的上端面。
进一步的，波纹管两端分别连接在传动杆下端面和底座上，压电薄膜贴附在波纹管内表面，波纹管和压电薄膜能在传动杆的作用下沿轴线方向拉伸或压缩。
进一步的，线圈安放在底座内壁，线圈有多匝且紧密环绕。
进一步的，当自然界时，S型风轮带动转子转动，转子将沿圆柱凸轮上端面轨迹运动，导杆将在套筒和伸缩弹簧的限制下在套筒内做往复直线运动。
进一步的，传动杆下端面固定的永磁铁将在底座内壁的线圈中做切割磁感线运动，线圈中产生感应电流；波纹管和压电薄膜在导杆传动杆的作用下，沿轴线发生拉伸和压缩的周期形变，由于正压电效应，压电薄膜将机械能转化为电能。完成压电-电磁复合发电。
本发明的有益效果:本发明提出了一种风力往复式压电-电磁复合发电装置，本装置可接收各方向的来风，S型风轮有较低的启动风速和较宽的风速范围，因此本装置能充分利用自然界中的风能。本装置中压电部分和电磁部分复合发电，合理利用了发电结构。具有较高的发电效率，结构简单可靠，不受环境影响的优点。
附图说明
图1是本发明的三维结构图。
图2是装置（拆去S型风轮）的半剖图。
图3是导杆的三维结构图。
图4是波纹管和贴附其内壁的压电薄膜的半剖图。
图5是套筒的半剖图。
具体实施方式
在本发明中，“安装”、“固定”、“连接”等术语做广义理解，例如：连接可以为可拆卸连接或是一体连接。技术人员可根据具体情况进行理解。
结合图1至图4对本装置具体结构进行进一步描述，所述一种风力往复式压电-电磁复合发电装置，包括S型风轮（1）、套筒（2）、底座（3）、波纹管（4）、压电薄膜（5）、永磁铁（6）、线圈（7）、伸缩弹簧（8）、导杆（9）、转子（10）；所述压电薄膜（5）贴附于波纹管（4）内壁，波纹管两端分别连接在传动杆（9-3）下端面和底座（3）上，构成压电部分；所述永磁铁（6）固定在传动杆（9-3）下端面与底座（3）内壁的线圈（7）构成电磁发电部分。
结合图2至图4进一步对本装置压电发电部分和电磁发电部分进行描述，所述导杆（9）略长于套筒（2）的长度，确保导杆（9）能在套筒（2）中顺利进行往复直线运动；导杆（9）的行程小于波纹管（4）最大形变量。所述波纹管（4）两端分别连接在传动杆（9-3）和底座（3）上，压电薄膜（5）贴附于波纹管（4）内壁，二者均可与导杆（9）同步做往复直线运动，压电薄膜（5）在运动过程中会产生形变。所述永磁铁（6）与线圈（7）上下对应放置，确保永磁铁（6）在运动过程中会穿过线圈（7），便于永磁铁（6）切割磁感线。
工作原理：自然界风从某一方向吹向本装置，S型风轮（1）带动转子（10）同步转动，当转子（10）与圆柱凸轮（9-1）凸部接触时，伸缩弹簧（8）在圆柱凸轮（9-1）和限位环（2-2）的约束下被压缩，同时导杆（9）在矩形滑动导轨（2-1）的约束下向装置的下端运动，波纹管（4）和压电薄膜（5）在传动杆（9-3）的作用下发生压缩形变，传动杆（9-3）下端面的永磁铁（6）在线圈（7）中向装置的下端运动；当转子（10）转过一定角度到达圆柱凸轮（9-1）的凹部时，伸缩弹簧（8）恢复原长，导杆（9）在伸缩弹簧（8）的弹力作用下向装置的上端运动。波纹管（4）和压电薄膜（5）由压缩状态恢复至原长，永磁铁（6）也随着导杆（9）向装置上端同步运动。在自然界风力的作用下，导杆（9）将在套筒（2）中做往复直线运动，压电薄膜（5）将在导杆（9）的作用下发生压缩或伸长形变，永磁铁（6）将随着导杆（9）在线圈（7）中做往复运动。压电薄膜（5）在运动过程中发生形变，由于压电材料的正压电效应产生电压，永磁铁（6）做切割磁感线运动在线圈（7）中产生感应电流。
本装置可以全方向接收自然界中各个方向的来风且具有较宽的风速范围，因此具有较强的环境适应性，打破了以往俘能器只能对单一风向进行俘获的局限。压电-电磁复合发电结合了压电发电与电磁发电的优势，优化了发电结构使其有了更高的发电效率，同时该装置应用的机械结构简单可靠，装置成本低廉有望解决无线传感器网络供能问题。

Claims (7)

1.一种风力往复式压电-电磁复合发电装置，其特征在于：本装置具体结构为：S型风轮（1）、套筒（2）、底座（3）、波纹管（4）、压电薄膜（5）、永磁铁（6）、线圈（7）、伸缩弹簧（8）、导杆（9）、转子（10）；所述结构均同心安装；所述导杆（9）在自然界风激励下、伸缩弹簧（8）弹力作用下和套筒（2）内壁矩形滑动导轨（2-1）约束下，在套筒（2）和底座（3）中做往复直线运动；所述波纹管（4）上下两端分别连接在传动杆（9-3）下端面和底座（3）上；所述压电薄膜（5）贴附于波纹管（4）内表面，构成压电发电部分；所述线圈（7）镶嵌于底座（3）内壁；所述永磁铁（6）固定在传动杆（9-3）下端面，其直径小于波纹管内直径，并处于波纹管内部，构成电磁发电部分。
2.根据权利要求1所述的一种风力往复式压电-电磁复合发电装置，其特征在于：所述套筒（2）固定在底座（3）上，在连接底座（3）的一端安装有限位环（2-2），其内径略大于传动杆（9-3），确保传动杆（9-3）运动时不会偏离轴线；套筒（2）内壁有两个关于轴线对称的矩形滑动导轨（2-1），与圆柱凸轮（9-1）外壁凹槽（9-2）配合，确保导杆（9）在转子（10）的作用下能在套筒（2）中做直线运动。
3.依据权利要求1所述的一种风力往复式压电-电磁复合发电装置，其特征在于：所述转子（10）置于套筒（2）中，顶部与S型风轮（1）固定连接，当S型风轮（1）转动时将带动转子（10）同步转动；转子（10）下表面与圆柱凸轮（9-1）上端面保持接触。
4.依据权利要求1所述的一种风力往复式压电-电磁复合发电装置，其特征在于：所述导杆（9）由圆柱凸轮（9-1）和传动杆（9-3）组成，传动杆（9-3）固定在圆柱凸轮（9-1）下端面且直径小于圆柱凸轮（9-1）；圆柱凸轮（9-1）上端面设有两对凸部和凹部，凸部和凹部在圆柱凸轮（9-1）上端面圆周上交替排列；圆柱凸轮（9-1）外壁开有两个关于轴线对称的矩形凹槽（9-2）与套筒（2）内壁矩形滑动导轨（2-1）配合；传动杆（9-3）穿过伸缩弹簧（8）。
5.依据权利要求1所述的一种风力往复式压电-电磁复合发电装置，其特征在于：所述伸缩弹簧（8）上下两端分别固定在圆柱凸轮（9-1）下端面和限位环（2-2）上端面；当转子（10）下表面与圆柱凸轮（9-1）凹部接触时，伸缩弹簧（8）处于未压缩状态。
6.依据权利要求1所述的一种风力往复式压电-电磁复合发电装置，其特征在于：所述压电薄膜（5）为PVDF材料，贴附于波纹管（4）内表面，波纹管（4）和压电薄膜（5）能在传动杆（9-3）作用下沿传动杆（9-3）轴线方向发生拉伸或压缩形变。
7.一种风力发电方法，依据权利要求1所述的一种风力往复式压电-电磁复合发电装置，其特征在于：
自然界风从某一方向吹向本装置，S型风轮（1）带动转子（10）同步转动，当转子（10）与圆柱凸轮（9-1）凸部接触时，伸缩弹簧（8）在圆柱凸轮（9-1）和限位环（2-2）的约束下被压缩，同时导杆（9）在矩形滑动导轨（2-1）的约束下向装置的下端运动，波纹管（4）和压电薄膜（5）在传动杆（9-3）的作用下发生压缩形变，传动杆（9-3）下端面的永磁铁（6）在线圈（7）中向装置的下端运动；当转子（10）转过一定角度到达圆柱凸轮（9-1）的凹部时，伸缩弹簧（8）恢复原长，导杆（9）在伸缩弹簧（8）的弹力作用下向装置的上端运动；波纹管（4）和压电薄膜（5）由压缩状态恢复至原长，永磁铁（6）也随着导杆（9）向装置上端同步运动；在自然界风力的作用下，导杆（9）将在套筒（2）中做往复直线运动，压电薄膜（5）将在导杆（9）的作用下发生压缩或伸长形变，永磁铁（6）将随着导杆（9）在线圈（7）中做往复运动；压电薄膜（5）在运动过程中发生形变，由于压电材料的正压电效应产生电压，永磁铁（6）做切割磁感线运动在线圈（7）中产生感应电流。
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