CN117081422A - 一种基于风致晃动的v型高效固液摩擦纳米能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源技术领域，具体为一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米能量收集装置。本发明在钝体设计过程中避免采用常见的空心体结构，而将空心钝体内部设计为空心V型结构，从而增加系统的非稳定性，提高空气流场中流体晃动的幅度。此发明结构钝体注入去离子水后，可以在较低风速下发生驰振现象，悬臂梁带动钝体进行周期性大幅晃动，因此，钝体中的去离子水与钝体内部V型板上聚四氟乙烯薄膜发生大幅度的接触分离，进而将液体晃动能转化为电能，并通过铜箔下的导线将电能导出。实验证明，该发明在流场中容易发生驰振现象，实现风致晃动能向电能的高效转化。

Description

一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米能量收集装置

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体为一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米能量收集装置，主要用于将流致振动能转化为电能并服务于传感器等小型用电设备的自供电、自供能。

背景技术

随着经济与技术的快速发展，人类社会的可持续发展对能源的需求越来越大，可再生能源收集技术受到广泛关注。近些年来，无线传感器网络在各个领域得到了广泛应用，应用场景也逐渐多元化，包括一些偏远、恶劣的环境。在此环境下更换能源电池面临诸多困难，因此，面向无线传感器网络开发自供电、自供能技术尤为重要。而如何为自供电无线传感器网络提供可持续稳定的输出是亟需解决的重要技术问题。近年来，能量收集技术也在蓬勃发展，压电、摩擦电被报道具备将环境中废弃的能量转换成电能的能力，可为微电子设备提供能源。由此可见，微电子设备的自供电领域具有极为广阔的应用前景，受到国内外研究者的广泛关注。

大量的清洁能源通过液滴、波、流等形式存储在天然水中。这些能量大多具有频率低、分布广、不均匀的特点，使用传统电磁发电设备难以将此类能量收集起来。随着纳米材料和纳米技术的迅速兴起，基于接触生电与静电感应耦合效应的固液摩擦纳米发电机，逐渐成为从水中收集能量的一种有效技术手段。固液摩擦纳米发电机是一种基于接触生电与静电感应耦合的能量收集技术，可以将风、水波、振动、旋转运动等多种环境中无序的机械能，特别是低频率机械激励下的能源资源，有效地转为电能，极大地丰富了从风能中收集能量的方法。

为了减少无线传感器对传统电池供电的依赖，基于压电、电磁、静电、摩擦电和介电弹性体的能量收集装置快速发展。有别于传统涡轮叶片风力发电,固液摩擦纳米发电机能量收集装置可以与风场结合将环境中的低速风能转化为机械能进而转化为电能。其结构的简易性使得涡激振动与驰振现象在风能收集装置中得到了广泛研究。此类气动现象利用流场和钝体之间不稳定的流固耦合作用使风能转换为结构的振动能。现有的固液摩擦纳米发电装置结构通常基于钝体与其内部的流体间的耦合作用得到电能，加之其应用场景多数只适用于液体流场之中，使得在风场中收集水、水波的晃动能量的应用存在能量转换效率低、结构单一等问题，在推进工程应用中任面临巨大挑战。

发明内容

针对现有流固耦合摩擦纳米发电技术在气动流场中面临的挑战，本文提供了一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米能量收集装置，避免传统钝体形状中流体因与钝体剧烈碰撞导致的能量耗散快的问题，该装置能够充分吸收外部环境中的风能并转换为流体的晃动能，最终通过固液摩擦纳米发电机中的聚四氟乙烯薄膜将晃动产生的机械能高效地转化为电能。本发明装置可为无线传感器节点等低能耗设备供电，避免了复杂环境下传统电池定期更换的弊端。

本发明采用的技术方案如下：

本发明在钝体设计过程中避免采用常见的空心体结构，而将空心钝体内部设计为空心V型结构，从而增加系统的非稳定性，提高空气流场中流体晃动的幅度。图6为多种截面钝体的结构图，钝体内部均采用V型结构，V型内板自钝体顶部相对两侧边延伸至钝体底部中线，底部中线与顶部两侧边平行，保证钝体整体结构的对称性。在空气流场中，空腔钝体内的水与钝体发生剧烈碰撞，难以产生晃动现象。在此过程中，钝体内侧聚四氟乙烯薄膜无法与液体之间发生接触分离，大幅降低了能量收集的效率。本发明中提出的V型钝体结构，能够减少液体对钝体侧壁的碰撞，减少能量的耗散，并在较低风速实现大幅晃动，增加聚四氟乙烯薄膜与钝体内部液体的接触分离过程的时间占比，有效将风致晃动能转化为电能。V型结构钝体不同于空腔钝体，同一体积液体情况下可有效提高液体整体质心，增加液体与聚四氟乙烯与液体的接触面积，进而提高能量的收集效率。

本发明提出的基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米俘能装置包括钝体、弹性梁、聚四氟乙烯薄膜、铜箔、导线、夹紧块、基座、固定架。下文以图6中方形截面钝体为例，对装置进行详细阐述。

如图1所示，钝体外观结构为长方体，六面皆采用封闭结构，钝体垂直固定于弹性梁上端。钝体顶部中心设置直径为3mm的注水通孔，并与注射器前端用软管连接，可通过注水通孔向钝体内部增减液体。钝体内部呈V型空腔结构，V型内板自方体顶部相对两侧边延伸至钝体底部中线，并保持底部中线与顶部两侧边平行。钝体外部底面下端面设计了长方体夹持结构，钝体与弹性梁通过夹紧块与螺栓连接，避免钝体与弹性梁发生相对位移。

所述弹性梁材料为钛合金材料，保证其足够的弹性力和使用寿命。该弹性梁上端由钝体上的限位块与夹紧块通过螺栓连接夹紧，下端置于L型固定架与安装块之间，由螺栓进行紧固。

所示固定架整体为L型，下端有4个定位孔，该定位孔与基座上定位孔型号一致，通过螺栓连接将固定架底部与基座紧固。固定架上端四个安装孔，与安装块通过螺栓紧固，夹紧弹性梁。

所示基座整体为长方体块状，具有6个定位孔，2个定位孔与风洞连接紧固，其余4个定位孔与L型固定架通过螺栓连接紧固。

所示安装块整体为长方体块状，包含有4个安装孔且与固定架上端的四个安装孔型号一致。

如图2所示，铜箔贴附于钝体内部V型结构上表面，贴于V型面两侧，去离子水置于V型板之间。铜线安置在铜箔与V型结构之间作为导线引出。

所示聚四氟乙烯薄膜具有单面粘连性，其紧密贴附于钝体内部V型结构上表面的铜箔之上，聚四氟乙烯薄膜面积需要大于铜箔面积，可保证铜箔不直接与水接触。将其贴附于V型结构上表面有利于增加去离子水与聚四氟乙烯薄膜的接触接触面积，提高能量收集效率。本发明的有益效果：

本发明提供了一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米俘能装置。具有以下有益效果：

本文所述的基于风致晃动和固液摩擦纳米发电的俘能装置，结构简单，钝体及钝体底部限位块采用3D打印技术制作，具有质量轻、韧性强的特点，以便钝体置于风场时减少自身质量和体积对收集能量的影响。风场中，传统的空腔钝体连接悬臂梁结构可以产生驰振现象，钝体内部注入水后，由于水与钝体发生剧烈碰撞，整体结构难以产生晃动现象，因此，钝体中的水无法与侧壁贴附的聚四氟乙烯薄膜发生接触分离，固液摩擦纳米发电机无法收集电能。本装置的钝体不同于内部空腔结构，而将内部设计成V型空腔结构，V结构自钝体顶部两对边至钝体底部中线，中线平行于钝体顶部对边。此发明结构钝体注入去离子水后，可以在较低风速下发生驰振现象，悬臂梁带动钝体进行周期性大幅晃动，因此，钝体中的去离子水与钝体内部V型板上聚四氟乙烯薄膜发生大幅度的接触分离，进而将液体晃动能转化为电能，并通过铜箔下的导线将电能导出。实验证明，该发明在流场中容易发生驰振现象，实现风致晃动能向电能的高效转化，实验数据见图4。除此之外，通过变换基于风致晃动和固液摩擦纳米发电的俘能装置中钝体的截面形状，将空腔的钝体与V型空腔内部结构的钝体进行对照实验，再次证明了此发明结构适用于不同截面的钝体，可显著提高风致晃动能转化为电能的收集效率。。

该发明装置可用于人员建筑密集、空间小、风速低等情况下，并稳定地发生风致晃动现象，实现对风能高效的收集。

附图说明

图1是本发明所述的基于风致晃动和固液摩擦纳米发电的俘能装置的立体结构示意图，已标出相应组成结构的编号。

图2是本发明所述的钝体内部结构示意图，已标出相应组成结构的编号。

图3是本发明所述的基于风致晃动和固液摩擦纳米发电的俘能装置工作原理示意图，已标出相应组成结构的编号。

图4是实验数据图，已标出数据曲线对应模型。

图5是本发明所述的基于风致晃动和固液摩擦纳米发电的俘能装置的输出电路图。

图6是基于风致晃动和固液摩擦纳米发电的俘能装置的多种截面钝体结构图。

具体实施方式

为充分了解本发明的目的、特征及功效，以方形截面钝体为例，借由下述具体的实施方式，对本文发明做详细说明。

如图1所示，本发明是基于风致晃动和固液摩擦纳米发电的俘能装置，包括基座1、L型固定架2、安装块3、弹性梁4、夹紧块5、限位块6、钝体7、注水通孔8、聚四氟乙烯薄膜9、铜箔10；基底1为本发明俘能装置的最底端零部件，含6个螺纹孔，其中2个螺纹孔与底部风洞固定配合，其余四个螺纹孔与上端L型固定块2固定配合，保证装置的稳定。L固定块型块2侧端有四个螺纹孔，与安装块3固定配合将弹性梁4下端夹紧固定。弹性梁4上端有两个通孔，将其置于夹紧块5与限位块6之间，通过螺栓将三者紧固配合。固定基座1，使钝体6位于风洞中心位置处，可减小出现湍流对实验产生不良影响。钝体7顶端面设有注水通孔8，方便实验操作中变化钝体7内部充水量。

如图2所示，所述钝体7内部为V型结构，V型板从上端面相对两边延伸到底端面中线，底面中线与上端面相对两边平行。V型板面上贴附铜箔，铜箔表面贴附聚四氟乙烯薄膜，聚四氟乙烯薄膜尺寸大于铜箔，保证实验过程中铜箔不直接与水接触。导线置于铜箔与V型面之间用于导出风致晃动能转化的电能。

如图3所示，该俘能装置的工作原理，弹性梁4可以带动钝体7进行前后周期性晃动，使得钝体7内部去离子水与聚四氟乙烯薄膜9发生大幅度的接触分离，达到提高能量收集效率的实验目的。

工作过程

风洞接通电源后开始工作，气流由风洞进风口吸入并作用于钝体的表面，迎风面为V型板与方形钝体粘连侧。钝体受力带动弹性梁受力弯曲，流致振动效应将风能转化为振动能，弹性梁连接钝体发生驰振，钝体内去离子水与聚四氟乙烯薄膜发生接触分离，通过聚四氟乙烯薄膜将液体的晃动能高效地转化为电能。钝体铜箔下导线接入外部电路，输出电压信号通过6541静电仪进行测量和处理，6541静电仪与PC机连接，进行数据检测和处理。该装置转化的电能可用于LED灯、传感器等低功耗用电器。在钝体侧面安装有激光位移传感器测量钝体振动信号。风洞箱上方安装了一个风速计，用于测量瞬时上游风速，与其它设备相互配合以调整实验所需参数。整体电路图如图5所示。

图6为不同截面的钝体结构图，内部均使用V型结构。对不同钝体进行实验，整体结构均能发生风致晃动现象大幅度晃动，通过聚四氟乙烯薄膜高效地将风致晃动产生的机械能转化成电能。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米能量收集装置，包括钝体，其特征在于，所述钝体为空心V型结构，钝体内部采用V型结构，V型内板自钝体顶部相对两侧边延伸至钝体底部中线，底部中线与顶部两侧边平行，保证钝体整体结构的对称性。

2.如权利要求1所述的一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米能量收集装置，其特征在于，钝体顶部中心设置注水通孔，注水通孔与注射器前端用软管连接，可通过注水通孔向钝体内部增减液体。

3.如权利要求1所述的一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米能量收集装置，其特征在于，铜箔贴附于钝体内部V型结构上表面，贴于V型面两侧，去离子水置于V型内板之间，铜线安置在铜箔与V型结构之间作为导线引出。

4.如权利要求1所述的一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米能量收集装置，其特征在于，聚四氟乙烯薄膜紧密贴附于钝体内部V型结构上表面的铜箔之上，聚四氟乙烯薄膜面积需要大于铜箔面积，可保证铜箔不直接与水接触。

5.如权利要求1所述的一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米能量收集装置，其特征在于，所述装置还包括弹性梁、夹紧块、基座、固定架和安装块。

6.如权利要求5所述的一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米能量收集装置，其特征在于，所述弹性梁材料为钛合金材料，该弹性梁上端由钝体上的限位块与夹紧块通过螺栓连接夹紧，钝体垂直固定于弹性梁上端；弹性梁下端置于L型固定架与安装块之间，由螺栓进行紧固。

7.如权利要求5所述的一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米能量收集装置，其特征在于，所示固定架整体为L型，下端有4个定位孔，该定位孔与基座上定位孔型号一致，通过螺栓连接将固定架底部与基座紧固，固定架上端四个安装孔，与安装块通过螺栓紧固，夹紧弹性梁。

8.如权利要求5所述的一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米能量收集装置，其特征在于，所示基座整体为长方体块状，具有6个定位孔，2个定位孔与风洞连接紧固，其余4个定位孔与L型固定架通过螺栓连接紧固。

9.如权利要求5所述的一种基于风致晃动的V型高效固液摩擦纳米能量收集装置，其特征在于，所示安装块整体为长方体块状，包含有4个安装孔且与固定架上端的四个安装孔型号一致。