CN116961469A - 一种高效压电风能发电机及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效压电风能发电机及发电方法，涉及环境风能收集技术领域。发电机包括外框架、风轮和俘能单元，俘能单元包括弹性基层，弹性基层的活动端通过所述传动装置连接风轮，在弹性基层上靠近固定端处安装有变形放大器，在变形放大器上安装有压电材料，位于同一弹性基层两侧的压电材料的极化方向相反。发电方法包括：风轮在任意水平风吹动下转动，通过传动装置将风轮的转动运动转换至弹性基层的自动端的循环位移，弹性基层的固定端两侧产生拉压变形，变形放大器将拉压变形通过两个方向放大，带动压电材料产生在两个方向上产生拉压变形，压电材料进行力电转换，将压电材料产生的电荷导出。实现了任意水平风能量收集，俘能效率高。

Description

一种高效压电风能发电机及发电方法

技术领域

本发明涉及环境风能收集技术领域以及自供能无线监测技术领域，特别是指一种高效压电风能发电机及发电方法。

背景技术

随着科学技术发展，无线传感器在结构健康监测和环境状况监测等方面已得到了越来越广泛的应用，如建筑、交通、森林、草原、荒漠、海洋等。因其部署广泛且通常采用电池供能，而电池寿命有限、更换成本高、更换后的电池还容易带来环境污染，特殊情况下人员难以到达，因此长期持续稳定且环保的能量供给成为无线传感器长期稳定使用的瓶颈。从无线传感器周围环境中收集能量是一种潜在的替代现有电池供电的方法。

考虑到风在监测环境中广泛存在，是一种可再生的环保能源，若采用合理高效的能量收集方法将部分风能转化为电能存储起来并为无线传感器网络供能，有望实现无线传感器网路的长期自供能稳定工作。如在轨道交通中桥梁上和隧道中普遍存在因列车运行或正常空气流动产生的风能，且持续时间长；在草原和荒漠中风能也普遍存在。关于风能收集，目前多数采用了风致振动效应进行能量收集研究，但是该种能量收集方式能量输出效率不高，此外多数俘能器进行针对单一风向进行能量收集，但交通、草原或者荒漠环境中的风向通常是不定的，因此对不同风向下俘能器的适用性不强。

公告号为CN107453647A的中国发明专利公开了一种宽速度域磁力耦合压电风能采集器，该结构采用磁铁之间的斥力及磁铁与线圈的相对运动进行发电，装置的机械结构相对复杂且多处用到了磁铁，制作不便。公告号：CN113676080A的中国发明专利公开了一种多方向的微小型压电风能采集器，该风能采集器是采用风致振动进行能量收集，压电材料与弹性基层直接粘贴，该情况下压电材料变形较小能量输出效率相对较低。

针对上述情况，有必要研发一种能适用于多风向的结构简单、性能可靠且能充分发挥压电材料性能的压电风能发电机。

发明内容

本发明提供了一种高效压电风能发电机及发电方法，本发明的实施例提供如下方案：

一方面，本发明实施例提供一种高效压电风能发电机，包括外框架，在所述外框架的顶部安装有用于收集风能的风轮，在所述外框架内安装有俘能单元，所述风轮与所述俘能单元通过传动装置连接，所述传动装置将所述风轮的转动运动转换至所述俘能单元的循环位移运动；

所述俘能单元包括弹性基层，所述弹性基层的一端为固定端，另一端为活动端，所述活动端连接所述传动装置，所述传动装置带动所述弹性基层的活动端绕着所述固定端循环位移；在所述弹性基层上靠近所述固定端处粘贴有变形放大器，在所述变形放大器上粘贴有压电材料，位于同一所述弹性基层两侧的压电材料的极化方向相反，所述压电材料的两个侧面均涂有建银电极，所述银电极连接导线。

优选地，所述外框架包括顺序连接的左片、上片及右片，在所述左片、所述上片及所述右片的后侧设置有后片，在所述左片和所述右片的前侧设置有前片，在所述左片、所述上片、所述右片、所述前片及所述后片的底部设置有固定基座，在所述上片的中间设有轴承孔，所述风轮的中轴通过轴承安装在所述轴承孔内，在所述上片的内侧设有竖轴，在所述左片和所述右片内侧均设有凸出部，在所述凸出部上设有滑槽。

优选地，所述传动装置包括齿轮机构，所述齿轮机构的输入齿轮安装在所述风轮的转轴上，且所述输入齿轮位于所述外框架的内侧，所述齿轮机构的输出齿轮安装在所述外框架的内侧，在所述输入齿轮上偏心设置有安装轴一；

活动支架上设安装轴二，所述安装轴一和所述安装轴二通过连杆转动连接，所述活动支架两端为滑动端，所述滑动端得以在所述滑槽内滑动；所述弹性基层的活动端活动插入所述活动支架内，所述弹性基层的活动端得以循环位移。

优选地，所述活动支架上设有矩形内框，在所述矩形内框内排布有圆管，相邻两个所述圆管间具有一定空隙，所述弹性基层的自由端插入所述空隙内。

优选地，在所述弹性基层的两侧分别安装有变形放大器。

优选地，所述发电机还包括安装在所述外框架内的固定件，相邻两个所述固定件之间夹有所述弹性基层，所述固定件与所述弹性基层之间夹有绝缘垫片，所述固定件、所述绝缘垫片和所述弹性基层上的螺栓安装孔位置相对应，利用螺栓紧固件连接所述固定件、所述绝缘垫片和所述弹性基层。

优选地，所述固定件通过螺栓紧固件安装在所述外框架上。

优选地，所述俘能单元至少设置有两个。

优选地，所述风轮包括十字架，在所述十字架的端部设置有风兜，在所述十字架的中间设置有中轴。

另一方面，本发明实施例提供一种高效压电风能发电方法，所述方法利用所述的高效压电风能发电机，所述发电方法包括：

将所述高效压电风能发电机组装完成；

风轮在任意水平风吹动下转动，通过传动装置将所述风轮的转动运动转换至所述弹性基层的自动端的循环位移，弹性基层的固定端两侧产生拉压变形，变形放大器将拉压变形通过两个方向放大，带动压电材料产生在两个方向上产生拉压变形，压电材料进行力电转换，将压电材料产生的电荷导出。

本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

上述方案中，本发明的高效压电风能发电机可以自由放置于铁路桥梁、隧道、草原或者荒漠中进行高效多方向风能收集，在交通基础设施结构健康监测以及生态环境监测等领域的长期稳定供能方面将具有广阔的应用前景；本发明的弹性基层采用了端部加载位移，把压电材料放置于固定端，充分发挥了弹性基层的应变，实现了高效能量输出；在压电材料与弹性基层中间加入了变形放大器，变形放大器采用拉张超材料，变形放大器实现了压电材料在两个方向上的变形，极大地提高能量转换效率，能量转换效率提升在一个数量级左右。

附图说明

图1为本发明的高效压电风能发电机去除前片后的结构示意图；

图2为本发明的高效压电风能发电机的结构示意图；

图3为本发明的风轮的结构示意图；

图4为本发明的上片的结构示意图；

图5为本发明的右片的结构示意图；

图6为本发明的齿轮机构的结构示意图；

图7为本发明的连杆的结构示意图；

图8为本发明的活动支架的结构示意图；

图9为本发明的俘能单元的结构示意图；

图10为本发明的弹性基层的结构示意图；

图11为本发明的变形放大器的结构示意图；

图12为本发明的固定基座的结构示意图；

图13为本发明的高效压电风能发电方法的流程图；

图14为本发明的高效压电风能发电机组装方法的流程图。

附图标记：

1、风轮；11、风兜；12、十字架；13、中轴；2、外框架；21、左片；22、上片；221、轴承孔；222、竖轴；23、右片；24、后片；25、前片；26、突出部；27、滑槽；3、齿轮机构；31、输入齿轮；32、输出齿轮；33、输出齿轮轴承；34、安装轴一；4、连杆；5、固定基座；6、活动支架；61、矩形内框；62、圆管；63、盖片；64、安装轴二；65、横梁；66、滑动端；7、俘能单元；71、弹性基层；72、变形放大器；73、压电材料；8、固定件；9、绝缘垫片；10、螺栓紧固件。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1～图2所示的，本发明实施例提供了一种高效压电风能发电机，包括外框架，在所述外框架的顶部安装有用于收集风能的风轮，在所述外框架内安装有俘能单元，所述风轮与所述俘能单元通过传动装置连接，所述传动装置将所述风轮的转动运动转换至所述俘能单元的循环位移运动。

如图1～图2所示的，本发明实施例提供了一种高效压电风能发电机，包括外框架2，在外框架2的顶部安装有用于收集风能的风轮1，在外框架2内安装有俘能单元7，风轮1与俘能单元7通过传动装置连接，传动装置将风轮1的转动运动转换至俘能单元7的循环位移运动。

如图1～图12所示的，俘能单元7包括弹性基层71，弹性基层71的长为80-150mm、宽为20-30mm、厚为0.5-0.9mm，弹性基层71为悬臂型，一端为固定端，另一端为活动端，以释放活动支架6左右运动时弹性基层71的自由端产生的弯矩，从而将俘能单元7最大应力集中于固定端。活动端连接传动装置，传动装置带动弹性基层71的活动端绕着固定端循环位移；在弹性基层71上靠近固定端处安装有变形放大器72，变形放大器72为拉胀超材料，变形放大器72优选磷青铜材料，变形放大器72长为30-60mm、宽为20-30mm、厚为0.3-0.5mm，在变形放大器72上安装有压电材料73，压电材料的长宽厚为30-60mm、宽为20-30mm、厚为0.2-0.4mm，位于同一弹性基层两侧的压电材料73的极化方向相反，压电材料73的两个侧面均涂有建银电极，银电极连接导线。压电材料73为薄片结构，为能量转换核心材料，主要采用d31力电转换模式，将弹性基层的变形能转换为电能。压电材料73两侧表面需涂有建银电极，并在电极上焊接导线，用于将压电材料73的力电转换产生的电荷导出。位于同一弹性基层71两侧的压电材料73的极化方向相反，根据需要和合理排布悬臂型压电俘能器中压电材料73的极化方向，优化了电压输出和各压电俘能单元之间的能量处理，避免出现转化电荷内部抵消。优化电压输出和各悬臂型压电俘能器之间的能量处理，以增加能量输出效率，避免出现转化电荷内部抵消。在弹性基层71的两侧分别安装有变形放大器72。固定件8安装在外框架2内，相邻两个固定件8之间夹有弹性基层71，固定件8与弹性基层71之间夹有绝缘垫片9，固定件8、绝缘垫片9和弹性基层71上的螺栓安装孔位置相对应，利用螺栓紧固件10连接固定件8、绝缘垫片9和弹性基层71。绝缘垫片9避免出现电学短路情况。固定件8通过螺栓紧固件10安装在固定基座5上。

如图1～图3所示的，风轮1位于发电机的顶端，包括十字架12，在十字架12的端部设置有风兜11，形成4个风兜11，在十字架12的中间设置有中轴13。风兜11的开口截面为平行于中轴13轴线，位于同一水平轴上的两个风兜11的开口方向相反，沿弧线上风兜11开口方向相同。

如图1、图2、图4和图5所示的，外框架2包括顺序连接的左片21、上片22及右片23，在左片21、上片22及右片23的后侧设置有后片24，在左片21和右片23的前侧设置有前片25，在左片21、上片22、右片23、前片25及后片24的底部设置有固定基座5，在上片22的中间设有轴承孔221，风轮1的中轴13通过轴承安装在轴承孔221内，在上片22的内侧设有竖轴222，在左片21和右片23内侧均设有凸出部，在凸出部上设有滑槽27，滑槽27的深度超过活动支架6的左右运动的最大距离。优选地，前片25与左片21、上片22、右片23及固定基座5通过螺栓紧固件10连接。

如图6所示的，传动装置包括齿轮机构3，齿轮机构3包括输入齿轮31和输出齿轮32，输入齿轮31安装在风轮1的转轴上，且输入齿轮31位于外框架2的内侧，输出齿轮32安装在外框架2的内侧。齿轮机构3为一对啮合齿轮或者轮系，具体地，输出齿轮32通过轴承安装在上片22的竖轴222上；在输入齿轮31上偏心设置有安装轴一34；

如图7～图12所示的活动支架6上设安装轴二64，连杆4的两端分别连接安装轴一34和安装轴二64，活动支架6两端为滑动端66，滑动端66得以在滑槽27内滑动，限制活动支架6的运动方向；弹性基层71的活动端活动插入活动支架6内，弹性基层71的活动端得以循环位移。具体地，活动支架6上设有矩形内框61，在矩形内框61内排布有圆管62，相邻两个圆管62间具有一定空隙，用于俘能单元7的自由端时间位移激励，弹性基层71的自由端插入空隙内，空隙略大于弹性基层的厚度，圆管62为弹性基层71自由端施加位移，释放因为位移产生的自由端弯矩，从而充分发挥固定端的变形能力，进而提升能量转换性能。优选地，空隙不少于5mm。位于矩形内框61内圆管62利用盖片63通过螺栓压住，避免圆管62受力时挤出，在工作时圆管62与弹性基层71是线接触。优选地，俘能单元7至少设置有两个。俘能单元7与活动支架6适配，配套使用。例如，俘能单元7设置有两个，活动支架6的矩形内框61设置有两个，一个滑动端66、一个矩形内框61、横梁65、另一个矩形内框61、另一个滑动端66依次顺序连接，横梁65上设置安装轴二64。

本发明的高效压电风能发电机的工作过程如下：风轮1在任意水平风吹动下转动，风车转动带动输入齿轮31转动，输入齿轮31带动输出齿轮32转动，输出齿轮32转动通过连杆4带动活动支架6左右运动，活动支架6的滑动端66在滑槽27内移动；活动支架6左右运动的同时，通过圆管62带动弹性基层71的自由端发生循环位移，对于每弹性基层的固定端两侧产生拉压变形，该拉压变形作用于变形放大器72上，变形放大器72将变形通过两个方向放大，从而带动压电材料73产生在两个方向上产生拉压变形，压电材料73进行力电转换，将压电材料73产生的电荷导出，产生的能量会显著增加。

如图13所示的，本发明实施例提供了一种高效压电风能发电方法，发电方法包括：

S100、将高效压电风能发电机组装完成；

S200、风轮1在任意水平风吹动下转动，通过传动装置将风轮1的转动运动转换至弹性基层71的自动端的循环位移，弹性基层的固定端两侧产生拉压变形，变形放大器72将拉压变形通过两个方向放大，带动压电材料73产生在两个方向上产生拉压变形，压电材料73进行力电转换，将压电材料73产生的电荷导出。

如图14所示的，在步骤S100中，高效压电风能发电机组装过程包括：

S110、采用绝缘胶将绝缘垫片9粘贴到弹性基层的固定端处，弹性基层固定端与绝缘垫片9平齐，绝缘垫片9的安装孔与弹性基层的固定端的安装孔相互重合，将多余的胶水挤出擦拭干净。

S120、采用导电胶将变形放大器72粘贴到弹性基层靠近固定端的两侧，变形放大器72的一端与绝缘垫片9相接，将多余的胶水挤出并清理干净；将采用导电胶将压电材料73粘贴到变形放大器72上，将多余的胶水清理干净，粘贴时注意同一弹性基层两侧的压电材料73的极化方向相反；粘贴完成后养护24小时以上。

S130、将多个制作好的悬臂型俘能单元7的固定端排列整齐，采用左右两个固定件8用螺栓紧固件10固定，形成俘能单元7的固定端。

S140、将风轮1中的各组件采用螺栓连接起来形成风轮1；采用螺栓紧固件10，将上片22、左片21、右片23以及后片24拼装起来；将轴承挤入上片22的轴承安装孔中，将风轮1的中轴13穿过轴承的中孔；将输入齿轮31安装风轮1的中轴13底端上，将输出齿轮32通过输出齿轮轴承33安装上片22的竖轴222上。

S150、将外直径与绝缘垫片9厚度相同的空心圆管62排布于活动支架6左右两个矩形框中，上部采用盖片63通过螺栓压住，避免圆管62受力时挤出；将活动支架6的滑动端66置于左片21、右片23内侧的滑槽27中；采用螺栓将连杆4的两端分别安装在输出齿轮32安装轴一34和活动支架6的安装轴二64上。

S160、将固定件8通过螺栓紧固件10安装在固定基座5上；将弹性基层的自由端插入活动支架6的空心圆管62的空隙中。

S170、采用螺栓紧固件10将左片21、上片22、右片23、后片24与固定基座5连接；采用螺栓将前片25安装于左板和右板上，完成本发电机的封装。

本发明的高效压电风能发电机可以自由放置于铁路桥梁、隧道、草原或者荒漠中进行高效多方向风能收集，实现了对任意水平风进行能量收集，具有高效的俘能效率，可以用于其它风环境中不同的位置进行能量收集，在交通基础设施以及环境健康监测系统供能方面将具有广阔的应用前景。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高效压电风能发电机，其特征在于，包括外框架，在所述外框架的顶部安装有用于收集风能的风轮，在所述外框架内安装有俘能单元，所述风轮与所述俘能单元通过传动装置连接，所述传动装置将所述风轮的转动运动转换至所述俘能单元的循环位移运动；

所述俘能单元包括弹性基层，所述弹性基层的一端为固定端，另一端为活动端，所述活动端连接所述传动装置，所述传动装置带动所述弹性基层的活动端绕着所述固定端循环位移；在所述弹性基层上靠近所述固定端处粘贴有变形放大器，在所述变形放大器上粘贴有压电材料，位于同一所述弹性基层两侧的压电材料的极化方向相反，所述压电材料的两个侧面均涂有建银电极，所述银电极连接导线。

2.根据权利要求1所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述外框架包括顺序连接的左片、上片及右片，在所述左片、所述上片及所述右片的后侧设置有后片，在所述左片和所述右片的前侧设置有前片，在所述左片、所述上片、所述右片、所述前片及所述后片的底部设置有固定基座，在所述上片的中间设有轴承孔，所述风轮的中轴通过轴承安装在所述轴承孔内，在所述上片的内侧设有竖轴，在所述左片和所述右片内侧均设有凸出部，在所述凸出部上设有滑槽。

3.根据权利要求2所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述传动装置包括齿轮机构，所述齿轮机构的输入齿轮安装在所述风轮的转轴上，且所述输入齿轮位于所述外框架的内侧，所述齿轮机构的输出齿轮安装在所述外框架的内侧，在所述输入齿轮上偏心设置有安装轴一；

活动支架上设安装轴二，所述安装轴一和所述安装轴二通过连杆转动连接，所述活动支架两端为滑动端，所述滑动端得以在所述滑槽内滑动；所述弹性基层的活动端活动插入所述活动支架内，所述弹性基层的活动端得以循环位移。

4.根据权利要求3所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述活动支架上设有矩形内框，在所述矩形内框内排布有圆管，相邻两个所述圆管间具有一定空隙，所述弹性基层的自由端插入所述空隙内。

5.根据权利要求1所述的高效压电风能发电机，其特征在于，在所述弹性基层的两侧分别安装有变形放大器。

6.根据权利要求1所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述发电机还包括安装在所述外框架内的固定件，相邻两个所述固定件之间夹有所述弹性基层，所述固定件与所述弹性基层之间夹有绝缘垫片，所述固定件、所述绝缘垫片和所述弹性基层上的螺栓安装孔位置相对应，利用螺栓紧固件连接所述固定件、所述绝缘垫片和所述弹性基层。

7.根据权利要求6所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述固定件通过螺栓紧固件安装在所述外框架上。

8.根据权利要求1所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述俘能单元至少设置有两个。

9.根据权利要求1所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述风轮包括十字架，在所述十字架的端部设置有风兜，在所述十字架的中间设置有中轴。

10.一种高效压电风能发电机的发电方法，所述方法利用如权利要求1～9任意一项所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述发电方法包括：

将所述高效压电风能发电机组装完成；

风轮在任意水平风吹动下转动，通过传动装置将所述风轮的转动运动转换至所述弹性基层的自动端的循环位移，弹性基层的固定端两侧产生拉压变形，变形放大器将拉压变形通过两个方向放大，带动压电材料产生在两个方向上产生拉压变形，压电材料进行力电转换，将压电材料产生的电荷导出。