CN114629378A - 一种基于介电弹性体的组合式发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介电弹性体的组合式发电装置，包括风车、主轴、半齿轮、全齿轮、链杆、介电弹性体、外壳、太阳能光板、立柱、连接轴和轴承支座；主轴左右两端分别与风车和半齿轮相连，半齿轮与全齿轮啮合，风车带动主轴与半齿轮做旋转运动并使全齿轮做周期性的反复转动，全齿轮通过链杆与介电弹性体相连并带动介电弹性体做周期性的拉伸与压缩运动，太阳能光板将太阳能转换为电能从而为介电弹性体提供初始电压，输入电压后介电弹性体便可将机械能转换为电能；本发明结构简单、传动方式独特，将风能与太阳能转换为电能，能量转换效率高，发电效率高，并且通过太阳能为介电弹性体提供初始电压，无需外部电源接入，节约能量，减少其它能源消耗。
Description
技术领域
本发明涉及新能源及发电技术领域，特别是涉及一种基于介电弹性体的组合式发电装置。
背景技术
众多发电技术中，利用介电弹性体发电是一种清洁高效的绿色能源收集技术。介电弹性体是一种新型智能高分子材料，可以通过机械装置将风能、波浪能等环境能源转换为电能，发电过程没有化石燃料的消耗，没有碳排放，因此，利用介电弹性体发电是一种极具前景发电方式。
介电弹性体发电原理如附图4所示：上下表面涂有柔性电极的“三明治”式介电弹性体材料的基本功能相当于一个可变电容器。上图中所示的“1张拉→2 充电→3卸载→4放电”即为一个工作周期，1阶段薄膜受拉伸产生扩展变形，机械能转化为材料的弹性势能，结构的电容达到最大；2阶段对介电弹性体充电，结构具有初始电势能；3阶段恢复变形，电场力做负功，结构电能增大，完成机械能向电能的转化；4阶段放电，将电能进行收集。
基于介电弹性体的发电原理，技术人员设计了不同的发电装置，中国专利CN211038897U公开了一种涡轮式介电弹性体水力能发电机，该装置通过偏心轮可将涡轮的旋转运动转化为介电弹性体的往复直线运动，实现了介电弹性体的拉伸与压缩。中国专利CN112814830A公开了一种包括波浪能发电部及燃料电池发电部的组合发电装置，该装置利用外置电压为介电弹性体充电后介电弹性体将波浪能转换为电能，然后利用此电能电解海水制氢，进而为燃料电池发电部提供氢气和氧气来源进行发电。中国专利CN109882359A公开了一种基于多层介电弹性体膜叠加的风力发电装置，该装置通过凸轮机构将风车的旋转运动转化为介电弹性体的拉伸与压缩运动。还有很多的基于介电弹性体的发电装置，限于篇幅，本申请只列出了与本发明最为接近的现有技术。
对比现有技术，利用介电弹性体发电的装置还有以下技术问题亟需解决。一、已有的发电装置多是将水能、风能、潮汐能等转换为介电弹性体的拉伸与收缩，没有涉及介电弹性体的的充电问题，由介电弹性体发电原理可知，在其拉伸状态下需要进行充电，否则无法完成能量转换，如果采用蓄电池、连接外部电源等方式为介电弹性体充电则必须消耗已有的能量，降低了发电效率，因此，需要为介电弹性体选取合适的充电方式；二、已有的发电装置介电弹性体都是同时的拉伸或压缩，运动过程具有连续性，连续的变形使得介电弹性体的充电与放电过程难以精确控制，因此，需要在介电弹性体的变形过程中加以停顿，为充电与放电留出时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于介电弹性体的组合式发电装置，以解决上述现有技术存在的问题，进而能够充分利用风能、太阳能资源，减少常规能源的消耗，提高风力发电效率，减少环境污染，促进新能源产业发展。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种基于介电弹性体的组合式发电装置，包括风车、主轴、半齿轮、全齿轮、链杆、介电弹性体、外壳、太阳能光板、立柱、连接轴和轴承支座；
其中，所述风车位于最左端，所述主轴左右两端分别与所述风车和所述半齿轮相连，所述半齿轮与所述全齿轮啮合，所述风车带动所述主轴与所述半齿轮做旋转运动并使所述全齿轮做周期性的反复转动，所述全齿轮通过所述链杆与所述介电弹性体相连并带动所述介电弹性体做周期性的拉伸与压缩运动，所述介电弹性体一端与所述外壳相连，所述太阳能光板安装在所述外壳和所述立柱上，所述太阳能光板将太阳能转换为电能从而为所述介电弹性体提供初始电压，多余的电能可以存储，输入电压后所述介电弹性体便可利用其材料特性将机械能转换为电能。
优选的，所述风车设置于所述外壳的外部，所述半齿轮、全齿轮、链杆和介电弹性体设置于所述外壳的内部，所述半齿轮边缘轮齿连续布置的长度少于其周长的一半，所述全齿轮边缘布满轮齿，所述全齿轮有两个并对称分布于所述主轴两侧，每个所述全齿轮外侧连接有两个所述链杆，每个所述链杆另一端连接所述介电弹性体。
优选的，所述链杆对称分布于所述全齿轮上下边缘，同侧两个链杆的转动平面不重合。
优选的，所述链杆与所述全齿轮以及所述介电弹性体的连接方式为铰接。
优选的，所述两个全齿轮由所述连接轴连接，其中一个全齿轮旋转则会带动另一个全齿轮旋转，所述连接轴通过所述轴承支座固定在所述外壳上。
优选的，所述介电弹性体共四个，四个介电弹性体前后上下对称分布。
优选的，所述介电弹性体可以为单层薄膜，也可以为层叠式介电弹性体薄膜，各所述介电弹性体上下表面涂有柔性电极层。
优选的，所述太阳能光板均为向阳布置，可以根据地区调整所述太阳能光板角度。
优选的，所述太阳能光板转换的电能一部分为所述介电弹性提供初始电压，另一部分电能与所述介电弹性体产生的电能共同传输到蓄电池或并入电网。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
一、本发明提供的一种基于介电弹性体的组合式发电装置，利用太阳能光板将太阳能转换为电能从而为介电弹性体提供初始电压，多余的电能可以存储，输入电压后介电弹性体利用其材料特性将机械能转换为电能。本装置介电弹性体的充电无需连接外部电源，减少了已有能源的消耗，实现了自满足的太阳能- 风能双向发电，提高了发电效率；
二、本装置是利用齿轮传动机构和链杆机构配合使介电弹性体发生周期性的拉伸与压缩运动，由于半齿轮轮齿的布置长度少于其周长的一半，导致全齿轮的顺转与逆转之间产生暂时的停顿，从而使介电弹性体拉伸变形与压缩变形之间会有暂时的停顿，变形的暂时停顿为介电弹性体的充电与放电留出时间，从而使整个发电过程的可操作性增强。
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的组合式发电装置的整体结构示意图；
图2为本发明中一种基于介电弹性体的组合式发电装置的外壳内部的机械传动机构轴测视图；
图3为本发明中一种基于介电弹性体的组合式发电装置的外壳内部的机械传动机构俯视图；
图4为本发明中一种基于介电弹性体的组合式发电装置的介电弹性体发电原理示意图；
图中：1-风车，2-主轴，3-半齿轮，4-全齿轮，4-1-右侧全齿轮，4-2-左侧全齿轮，5-链杆，6-介电弹性体，7-外壳，8-太阳能光板，9-立柱，10-连接轴，11-轴承支座。
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组合式发电装置，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。
本实施例中的一种基于介电弹性体的组合式发电装置，如图1、2、3所示，包括1-风车，2-主轴，3-半齿轮，4-全齿轮，4-1-右侧全齿轮，4-2-左侧全齿轮，5-链杆，6-介电弹性体，7-外壳，8-太阳能光板，9-立柱，10-连接轴，11- 轴承支座；
其中，所述风车1位于最左端，所述主轴2左右两端分别与所述风车1和所述半齿轮3相连，所述半齿轮3与所述全齿轮4啮合，所述风车1带动所述主轴2与所述半齿轮3做旋转运动并使所述全齿轮4做周期性的反复转动，所述全齿轮4通过所述链杆5与所述介电弹性体6相连并带动所述介电弹性体6 做周期性的拉伸与压缩运动，所述介电弹性体6一端与所述外壳7相连，所述太阳能光板8安装在所述外壳7和所述立柱9上，所述太阳能光板8将太阳能转换为电能从而为所述介电弹性体6提供初始电压，多余的电能可以存储，输入电压后所述介电弹性体6便可利用其材料特性将机械能转换为电能。
于本具体实施例中，所述风车1设置于所述外壳7的外部，所述半齿轮3、全齿轮4、链杆5和介电弹性体6设置于所述外壳7的内部，所述半齿轮3边缘轮齿连续布置的长度少于其周长的一半，所述全齿轮4边缘布满轮齿，所述全齿轮4有两个并对称分布于所述主轴2两侧，每个所述全齿轮4外侧连接有两个所述链杆5，每个所述链杆5另一端连接所述介电弹性体6。
于本具体实施例中，所述链杆5对称分布于所述全齿轮4上下边缘，同侧两个链杆5的转动平面不重合，所述链杆5与所述全齿轮4以及所述介电弹性体6的连接方式为铰接。
于本具体实施例中，所述两个全齿轮4由所述连接轴10连接，其中一个全齿轮旋转则会带动另一个全齿轮旋转，所述连接轴10通过所述轴承支座11固定在所述外壳7上。
于本具体实施例中，所述介电弹性体6共四个，四个介电弹性体6前后上下对称分布，所述介电弹性体6可以为单层薄膜，也可以为层叠式介电弹性体薄膜，各所述介电弹性体6上下表面涂有柔性电极层。
于本具体实施例中，所述太阳能光板8均为向阳布置，可以根据地区调整所述太阳能光板8角度，所述太阳能光板8转换的电能一部分为所述介电弹性6 提供初始电压，另一部分电能与所述介电弹性体6产生的电能共同传输到蓄电池或并入电网。
具体的工作过程：如图1、2、3所示，为描述方便，假设半齿轮3的轮齿布置长度为四分之一周长，若在开始位置，半齿轮3的轮齿与右侧全齿轮4-1 啮合，四个链杆5位于上下左右平行状态，当风车1逆时针转动并带动半齿轮3 逆时针转动，半齿轮3通过轮齿带动右侧全齿轮4-1顺时针转动，左侧全齿轮 4-2由连接轴10带动也会顺时针转动，两侧全齿轮4拉动链杆5并使介电弹性体6发生拉伸运动。
进一步，当半齿轮3转过90°时，半齿轮3的轮齿与右侧全齿轮4-1脱离，介电弹性体6拉伸到最大并保持拉伸状态。
进一步，当半齿轮3转过180°时，半齿轮3的轮齿与左侧全齿轮4-2接触并带动左侧全齿轮4-2逆时针转动，右侧全齿轮4-1由连接轴10带动也会逆时针转动，两侧全齿轮4推动链杆5并使介电弹性体6发生压缩运动。
进一步，当半齿轮3转过270°时，半齿轮3的轮齿与左侧全齿轮4-2脱离，介电弹性体6恢复到初始状态并保持。
进一步，当半齿轮3转过360°时，半齿轮3的轮齿与右侧全齿轮4-1接触，介电弹性体6进入到下一轮的“拉伸-压缩”运动。
进一步，太阳能光板8由于光伏效应而将太阳能转化为电能，太阳能光板8 产生的电能在介电弹性体6拉伸到最大时为其充电，介电弹性体6恢复到初始状态时放电，将机械能转化为电能，太阳能光板8多余的电能与介电弹性体6 产出的电能共同传输到蓄电池或并入电网。
有益效果：实现了利用太阳能为介电弹性体充电，减少了已有能源的消耗，提高了发电效率；实现了介电弹性体在拉伸与压缩过程中的暂时停顿，为介电弹性体的充电与放电留出时间，提高了可操作性；本发明实现了风能与太阳能的同时收集，提高了能量收集效率，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。
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组合式发电装置，其特征在于包括风车、主轴、半齿轮、全齿轮、链杆、介电弹性体、外壳、太阳能光板、立柱、连接轴和轴承支座；
其中，所述风车位于最左端，所述主轴左右两端分别与所述风车和所述半齿轮相连，所述半齿轮与所述全齿轮啮合，所述风车带动所述主轴与所述半齿轮做旋转运动并使所述全齿轮做周期性的反复转动，所述全齿轮通过所述链杆与所述介电弹性体相连并带动所述介电弹性体做周期性的拉伸与压缩运动，所述介电弹性体一端与所述外壳相连，所述太阳能光板安装在所述外壳和所述立柱上，所述太阳能光板将太阳能转换为电能从而为所述介电弹性体提供初始电压，多余的电能可以存储，输入电压后所述介电弹性体便可利用其材料特性将机械能转换为电能。
2.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的组合式发电装置，其特征在于：所述风车设置于所述外壳的外部，所述半齿轮、全齿轮、链杆和介电弹性体设置于所述外壳的内部，所述半齿轮边缘轮齿连续布置的长度少于其周长的一半，所述全齿轮边缘布满轮齿，所述全齿轮有两个并对称分布于所述主轴两侧，每个所述全齿轮外侧连接有两个所述链杆，每个所述链杆另一端连接所述介电弹性体。
3.根据权利要求2所述的一种基于介电弹性体的组合式发电装置，其特征在于：所述链杆对称分布于所述全齿轮上下边缘，同侧两个链杆的转动平面不重合。
4.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的组合式发电装置，其特征在于：所述链杆与所述全齿轮以及所述介电弹性体的连接方式为铰接。
5.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的组合式发电装置，其特征在于：所述两个全齿轮由所述连接轴连接，其中一个全齿轮旋转则会带动另一个全齿轮旋转，所述连接轴通过所述轴承支座固定在所述外壳上。
6.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的组合式发电装置，其特征在于：所述介电弹性体共四个，四个介电弹性体前后上下对称分布。
7.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的组合式发电装置，其特征在于：所述介电弹性体可以为单层薄膜，也可以为层叠式介电弹性体薄膜，各所述介电弹性体上下表面涂有柔性电极层。
8.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的组合式发电装置，其特征在于：所述太阳能光板均为向阳布置，可以根据地区调整所述太阳能光板角度。
9.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的组合式发电装置，其特征在于：所述太阳能光板转换的电能一部分为所述介电弹性提供初始电压，另一部分电能与所述介电弹性体产生的电能共同传输到蓄电池或并入电网。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116365926A (zh) * | 2023-04-04 | 2023-06-30 | 安徽建筑大学 | 一种光驱结构及基于该结构的光能转换设备与设计方法 |
| CN116365926B (zh) * | 2023-04-04 | 2023-09-26 | 安徽建筑大学 | 一种光驱结构及基于该结构的光能转换设备与设计方法 |
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