CN115387963B - 飞机机翼振动及风能复合收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种飞机机翼振动及风能复合收集装置，包括飞机、机翼和俘能装置，所述俘能装置阵列均布在所述机翼的下端面；所述俘能装置包括风球基座、固定支架、中心轴、风球扇叶、转动支架、风能发电组件和振动发电组件；风能发电组件由非接触独立层结构的摩擦发电结构和压电悬臂梁结构组成；振动发电组件由接触分离模式的摩擦发电结构和压电悬臂梁结构组成，通过对风能和振动能的复合形式，提升飞机飞行过程中的俘能效率，保证传感器供电。

Description

飞机机翼振动及风能复合收集装置
技术领域
本发明涉及能量俘获领域，具体的说，涉及了一种飞机机翼振动及风能复合收集装置。
背景技术
随着无人机技术的快速发展，无人机上的传感器系统功能多样型变得越加重要，越来越多的传感器技术被应用到无人机上。
但是，传感器大多需要电力驱动，无人机在微型化、小型化设计的基础上，采用化学电池的方式仅能维持传感系统有限的续航时长，存在要随时更换电池的不足，并且化学电池本身也会增加无人机的重量，这就间接的减小了无人机的负载重量。
目前无人机传感系统供电除了续航之外，还存在如下两个的问题：
第一是线路布局的问题，无人机核心动力模块的输出接口有限，无法连接数量较多、形式各异的传感器；
第二是动力转化问题，蓄电池的输出电压转化为传感器可用的电压，需要进行变压输出，会导致能量损耗，对于无人机而言得不偿失。
基于上述原因，同时结合传感器的低功耗的特点，促使现有的传感器应用于无人机上时，会考虑增加俘能装置，通过俘获微弱的环境能量，为传感器供电，来解决传感器的长时间供电问题。
而基于无人机设计的俘能装置多为风力俘能，俘能形式单一，也因为不能影响无人机本身的飞行形式，导致俘能能力较弱，局限性较强。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种既能够俘获风能，还能够利用飞机机翼产生的振动能量，实现复合能量的俘获的飞机机翼振动及风能复合收集装置，其中，风能的俘获依赖风球模式产生转动，再结合非接触独立层模式的摩擦发电原理进行发电，最大可能的利用风能，振动能量主要依赖压电俘能。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种飞机机翼振动及风能复合收集装置，包括飞机、机翼和俘能装置，所述俘能装置阵列均布在所述机翼的下端面，所述飞机的两个机翼上的俘能装置数量相等且对称分布；
所述俘能装置包括风球基座、固定支架、中心轴、风球扇叶、转动支架、风能发电组件和振动发电组件，所述风球基座固定于机翼的下端面上，所述中心轴通过固定支架与风球基座固定，所述风球扇叶通过转动支架与所述中心轴转动配合，所述风球扇叶与所述风球基座转动配合；
所述风能发电组件包括定子、转子、转筒、电极层、介电材料层、圆锥滚子、第一悬臂梁、第一压电片和拨片，所述定子固定于所述中心轴上，所述转子与所述转筒连接后固定于所述转动支架上，所述转子与所述定子平行且保持有间距，所述电极层包括圆周阵列的分布在所述定子表面的若干扇形电极，所述介电材料层粘贴在所述转子表面，所述圆锥滚子安装在所述定子上，所述圆锥滚子的滚动面与所述转子上的介电材料层接触以补充电荷，形成非接触独立层模式摩擦发电结构；所述第一悬臂梁圆周阵列的安装在所述定子上，所述第一压电片固定于所述第一悬臂梁根部，所述拨片等间隔的分布于所述转筒内壁上并与所述第一悬臂梁的外端配合，形成转动驱动压电悬臂梁发电结构；
所述振动发电组件包括与固定支架安装在一起的固定平台，所述固定平台上圆周阵列分布有摩擦电俘能模块和压电俘能模块；所述摩擦电俘能模块包括竖向连接的第一质量块、弹簧和摩擦纳米发电机，所述第一质量块连接于所述弹簧和所述摩擦纳米发电机之间，所述弹簧的顶端和摩擦纳米发电机的底端位置固定，形成接触-分离模式摩擦发电结构；所述压电俘能模块包括第二质量块、第二压电片和第二悬臂梁，所述第二悬臂梁的根部位置固定，所述第二质量块安装于第二悬臂梁的远端，所述第二压电片安装于所述第二悬臂梁的根部，形成振动驱动压电悬臂梁发电结构。
基上所述，所述转筒的顶端设置有上端盖，所述定子和转子均为圆盘状结构。
基上所述，所述圆锥滚子的一端铰接于立架上，所述立架固定于定子上，所述定子上开设有通孔以便所述圆锥滚子通过通孔与介电材料层接触，所述圆锥滚子的下端面水平。
基上所述，还包括能量收集和储存模块，所述能量收集模块分别与所述电极层、所述第一压电片、所述第二压电片和所述摩擦纳米发电机连接以收集、转化和储存电能。
基上所述，所述固定平台为圆盘状的空心结构，所述摩擦电俘能模块和压电俘能模块均安装于所述固定平台的空心结构内部。
基上所述，所述第一压电片和第二压电片的材料类型均为MFC压电材料。
基上所述，所述定子和转子通过3D打印或机械加工制成。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明利用无人机飞行过程中所产生的风能和机翼的振动能，相应的设置该装置，对能量进行收集，具体的有以下几个优点：
1.采用风球结构汇集风力，将风向单一或不规则的动力转换为转动动能，然后驱动内部的转动支架和转子运动，实现方向的转化，方便收集；
2.转子与定子设计为非接触独立层模式的摩擦发电结构，可以保证该发电结构具有超低阻力和高能量转化效率，其中，介电材料表面的电荷通过安装在定子上的圆锥滚子与其接触摩擦起电来补充电荷，通过电荷补充设计减缓介电材料表面的电荷衰减问题；
3.利用转子与定子的设计思路，增加转筒结构，并配置第一悬臂梁、第一压电片和拨片，利用转筒的高速旋转，带动拨片转动，进而拨动悬臂梁摆动，促使压电片变形实现发电；
4.对于机翼的振动能量的收集，设计与机翼连为一体的固定平台，将机翼的颤振能量传递至固定平台上，设置在固定平台内的第一质量块、弹簧和摩擦纳米发电机构成的接触-分离模式摩擦发电结构利用颤振带来的动力发电；
5.在固定平台上增加第二悬臂梁、第二压电片和第二质量块，利用第二质量块随机翼振动而摆动的原理，带动第二悬臂梁摆动，使第二压电片发电；
6.用于发电的模块都采用阵列布局，提升空间利用率，增加发电效率；
7.圆锥滚子的设计配合转动的转子结构，能够使滚子的内外线速度与转子的内外线速度匹配，内部和外部的摩擦效率一致化，电荷分布也均匀化，进而保证摩擦发电的稳定性；
8.采用飞机机翼振动及风能复合收集装置有利于减小飞机上化学电池配重，促进飞机的轻量化及小型化设计；
9.采用复合收集装置俘获机翼振动能有利于飞机机翼振动控制；
10.采用复合模式收集机翼颤振能和风能，提升了环境机械能收集能力；
11.利用飞机机翼振动及风能复合收集装置俘获机翼上的环境机械能提升机上传感系统续航时常，提升长时间空中监测能力。
附图说明
图1是本发明中飞机机翼振动及风能复合收集装置的结构示意图。
图2是本发明中风能发电组件的结构示意图。
图2-1是本发明中定子的结构示意图。
图2-2是本发明中转子的结构示意图。
图3是本发明中振动发电组件的结构示意图。
图4是本发明中飞机机翼振动及风能复合收集装置基于飞机安装的结构示意图。
图中：1.俘能装置；2.风球基座；3.固定支架；4.中心轴；5.风球扇叶；6.转动支架；
10.风能发电组件；11.定子；12.转子；13.转筒；14.电极层；15.介电材料层；16.圆锥滚子；17.第一悬臂梁；18.第一压电片；19.拨片；
20.振动发电组件；21.固定平台；22.第一质量块；23.弹簧；24.摩擦纳米发电机；25.第二质量块；26.第二悬臂梁；27.第二压电片；
31.飞机；32.机翼；33.通孔。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1和图4所示，一种飞机机翼振动及风能复合收集装置，包括飞机31、机翼32和俘能装置1，所述俘能装置1阵列均布在所述机翼32的下端面，所述飞机31的两个机翼32上的俘能装置数量相等且对称分布。
如图1所示，所述俘能装置1包括风球基座2、固定支架3、中心轴4、风球扇叶5、转动支架6、风能发电组件10和振动发电组件20，所述风球基座2固定于机翼32的下端面上，所述中心轴4通过固定支架3与风球基座2固定，所述风球扇叶5通过转动支架6与所述中心轴4转动配合，所述风球扇叶5与所述风球基座2转动配合。
如图2、图2-1和图2-2所示，所述风能发电组件10包括定子11、转子12、转筒13、电极层14、介电材料层15、圆锥滚子16、第一悬臂梁17、第一压电片18和拨片19。
所述定子11固定于所述中心轴4上，所述转子12与所述转筒13连接后固定于所述转动支架6上，所述转子12与所述定子11平行且保持有间距，转筒13的顶端设置上端盖，转子和定子均为圆盘状，所述电极层14包括圆周阵列的分布在所述定子11表面的若干扇形电极，所述介电材料层15粘贴在所述转子12表面，所述圆锥滚子16的一端铰接于立架上，所述立架固定于定子11上，所述定子11上开设有通孔33以便所述圆锥滚子通过通孔33与介电材料层15接触，所述圆锥滚子16的下端面水平，所述圆锥滚子16的滚动面与所述转子12上的介电材料层15接触以补充电荷，形成非接触独立层模式摩擦发电结构，定子和转子通过3D打印或机械加工制成。
该部分的发电原理是：转子12随风球扇叶5、转动支架6一起旋转，定子11相对固定，转子12上的介电材料层15在随转子12高速旋转过程中，介电材料层15与电极层14之间的静电场产生变化，促使在电极层14间发生电子转移，产生电流，介电材料层15表面电荷损耗，由圆锥滚子16与其接触发生摩擦起电的方式来补充，这样的方式，能够降低转子和定子之间的摩擦阻力，提高能量转化效率，提高发电效率。
所述第一悬臂梁17圆周阵列的安装在所述定子11上，所述第一压电片18固定于所述第一悬臂梁17根部，第一压电片的材质为MFC材质，所述若干拨片19等间隔的分布于所述转筒13内壁上并与所述第一悬臂梁17的外端配合，形成转动驱动压电悬臂梁发电结构。
该部分的发电原理是：转筒13和转子12随风球扇叶5、转动支架6一起旋转，定子11相对固定，转筒13上的拨片19在转动的过程中，拨动第一悬臂梁17的远端，使第一悬臂梁发生振动，安装在第一悬臂梁17根部的第一压电片发生变形，产生电能。设计该结构的原因是：由于非接触独立层模式摩擦发电结构的摩擦阻力较小，转动的动能还有比较充足的利用空间，因此，在合理空间下增加这一部分的压点悬臂梁发电结构，可以尽可能的提高对风能的利用效率，且发电形式多样化，稳定性相对更高。
如图3所示，所述振动发电组件20包括与固定支架3安装在一起的固定平台21，所述固定平台为圆盘状的空心结构，所述固定平台21的空心结构内部圆周阵列的分布有摩擦电俘能模块和压电俘能模块；所述摩擦电俘能模块包括竖向连接的第一质量块22、弹簧23和摩擦纳米发电机24，所述第一质量块22连接于所述弹簧23和所述摩擦纳米发电机24之间，所述弹簧23的顶端固定于固定平台21的内腔顶端，摩擦纳米发电机的底端固定于固定平台21的内腔底端，形成接触-分离模式摩擦发电结构。
该部分的发电原理是：根据机翼的颤振原理，将机翼的振动通过风球基座2、固定支架3传递至固定平台21中，安装在其内部的第一质量块22随着振动所带来的惯性，驱动第一质量块22发生上下运动，与弹簧23和摩擦纳米发电机24构成质量-弹簧-阻尼振动系统，通过摩擦纳米发电机24在运动过程中的摩擦电材料接触分离运动产生变化的电场驱动电极间发生电荷转移进而产生电流实现发电，其中摩擦纳米发电机24可以采用折纸类型的发电结构。
所述压电俘能模块包括第二质量块25、第二压电片26和第二悬臂梁27，所述第二悬臂梁27的根部位置固定，所述第二质量块26安装于第二悬臂梁27的远端，所述第二压电片26安装于所述第二悬臂梁27的根部，第二压电片的材质为MFC材质，形成振动驱动压电悬臂梁发电结构。
该部分的发电原理是：利用机翼根据机翼的颤振原理，将机翼的振动通过风球基座2、固定支架3传递至固定平台21中，安装在其内部的第二质量块26随着振动的惯性，驱动第二质量块发生上下运动，驱动第二悬臂梁27发生振动，进而使第二压电片26发生弯曲，实现发电。
在空间上，将压电俘能模块和摩擦电俘能模块沿圆周阵列分布，可以尽可能的利用空间结构，提高俘能效率。
在其它实施例中，固定盘的数量可以是多个，因为机翼的震颤能量极大，该装置所能吸收的能量相对而言微乎其微，在不影响机翼正常工作的前提下，可以适当增加固定盘数量，以提升发电效率。
上述的各个发电模块，输出端均连接有统一的或成组的能量收集和储存模块，所述能量收集模块分别与所述电极层、所述第一压电片、所述第二压电片和所述摩擦纳米发电机连接以收集、转化和储存电能，根据传感器的安装位置、安装数量和类别，进行分区管理，实现无人机上传感器的独立自主供电，降低无人机的工作负荷。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种飞机机翼振动及风能复合收集装置，其特征在于：包括飞机、机翼和俘能装置，所述俘能装置阵列均布在所述机翼的下端面，所述飞机的两个机翼上的俘能装置数量相等且对称分布；
所述俘能装置包括风球基座、固定支架、中心轴、风球扇叶、转动支架、风能发电组件和振动发电组件，所述风球基座固定于机翼的下端面上，所述中心轴通过固定支架与风球基座固定，所述风球扇叶通过转动支架与所述中心轴转动配合，所述风球扇叶与所述风球基座转动配合；
所述风能发电组件包括定子、转子、转筒、电极层、介电材料层、圆锥滚子、第一悬臂梁、第一压电片和拨片，所述定子固定于所述中心轴上，所述转子与所述转筒连接后固定于所述转动支架上，所述转子与所述定子平行且保持有间距，所述电极层包括圆周阵列的分布在所述定子表面的若干扇形电极，所述介电材料层粘贴在所述转子表面，所述圆锥滚子安装在所述定子上，所述圆锥滚子的滚动面与所述转子上的介电材料层接触以补充电荷，形成非接触独立层模式摩擦发电结构；所述第一悬臂梁圆周阵列的安装在所述定子上，所述第一压电片固定于所述第一悬臂梁根部，所述拨片等间隔的分布于所述转筒内壁上并与所述第一悬臂梁的外端配合，形成转动驱动压电悬臂梁发电结构；
所述振动发电组件包括与固定支架安装在一起的固定平台，所述固定平台上圆周阵列的分布有摩擦电俘能模块和压电俘能模块；所述摩擦电俘能模块包括竖向连接的第一质量块、弹簧和摩擦纳米发电机，所述第一质量块连接于所述弹簧和所述摩擦纳米发电机之间，所述弹簧的顶端和摩擦纳米发电机的底端位置固定，形成接触-分离模式摩擦发电结构；所述压电俘能模块包括第二质量块、第二压电片和第二悬臂梁，所述第二悬臂梁的根部位置固定，所述第二质量块安装于第二悬臂梁的远端，所述第二压电片安装于所述第二悬臂梁的根部，形成振动驱动压电悬臂梁发电结构。
2.根据权利要求1所述的飞机机翼振动及风能复合收集装置，其特征在于：所述转筒的顶端设置有上端盖，所述定子和转子均为圆盘状结构。
3.根据权利要求2所述的飞机机翼振动及风能复合收集装置，其特征在于：所述圆锥滚子的一端铰接于立架上，所述立架固定于定子上，所述定子上开设有通孔以便所述圆锥滚子通过通孔与介电材料层接触，所述圆锥滚子的下端面水平。
4.根据权利要求3所述的飞机机翼振动及风能复合收集装置，其特征在于：还包括能量收集和储存模块，所述能量收集和储存模块分别与所述电极层、所述第一压电片、所述第二压电片和所述摩擦纳米发电机连接以收集、转化和储存电能。
5.根据权利要求4所述的飞机机翼振动及风能复合收集装置，其特征在于：所述固定平台为圆盘状的空心结构，所述摩擦电俘能模块和压电俘能模块均安装于所述固定平台的空心结构内部。
6.根据权利要求5所述的飞机机翼振动及风能复合收集装置，其特征在于：所述第一压电片和第二压电片的材料类型均为MFC压电材料。
7.根据权利要求6所述的飞机机翼振动及风能复合收集装置，其特征在于：所述定子和转子通过3D打印或机械加工制成。
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