CN117650715A - 一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列 - Google Patents

一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列。当风通过若干双叶贴合的百叶窗时，双叶发生往复贴合与分离，双叶贴合时，具有不同带电特性的表面由于接触起电而发生电荷迁移；双叶分离时，因静电感应现象电子在外电路发生迁移；贴合与分离时，运动变形产生的压电效应使得双叶表面发生电荷转移，同时双叶间形成的动态气隙进一步增强了压电性能；接触起电、静电感应、压电效应及动态气隙的耦合作用可将其产生的同极性电荷汇聚叠加，最终提升发电性能。百叶窗式风伏阵列内部若干个叠装柔性双叶在风的作用下往复贴合与分离，有效地将风能转换为电能，具有结构简单、成本低廉、可规模化生产和推广应用等特点。

Description

一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列
技术领域
本发明属于新能源发电领域，特别涉及一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列。
背景技术
随着工业化和城市化步伐的加快，社会经济迅速发展的同时，环境污染和生态破坏问题也日益严重，这使得传统以消耗天然气、石油、煤炭等化石燃料推动人类社会发展的模式已难以为继，因此开发清洁能源替代化石燃料显得尤为重要。风能作为一种清洁而稳定的可再生能源，是可再生能源领域中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。风力发电技术的发展和推广应用对于减少对石化能源的依赖、减少化学物质的排放具有重要意义。
当前，现有风力发电系统主要采用水平轴或垂直轴叶片式风力发电机组，其工作原理是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。一方面，叶片式风力发电对风速要求较高，低风速的风能因无法带动叶片旋转而无法利用；另一方面，叶片式风力发电机组因存在生产成本高、体积规格大、运输安装困难、占地面积大等不足而限制了其使用范围。摩擦纳米发电机是一种基于接触起电和静电感应原理的新型能量收集装置，可将微弱机械能高效地转换为电能，因具有环保、柔韧性好、响应速度快，低频和不规则机械能的收集能力强等特点而被广泛应用于柔性电子、自驱动传感器等领域。然而，摩擦纳米发电机虽能较好的收集低风速风能，但所产生功率较小，只能用于为LED灯、传感器、无线信号传输等小型电子器件供电。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明目的是提供一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列，以解决传统风力发电系统难以利用低风速风能、运输安装困难、占地面积大等问题，风速适应性强、风能转化率高、应用范围广、结构简单且可规模化生产。
为了实现本发明目的，本发明提供的一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列，包括多个百叶窗式发电模块和迎风口，迎风口与多个百叶窗式发电模块相对设置；
每个百叶窗式发电模块均包括支撑板、双叶发电单元、电极、和导电板，双叶发电单元间隔设置在支撑板上，双叶发电单元包括叠装设置的正极层和负极层，且正极层和负极层的两端相应固定连接，正极层和负极层上均设置有所述电极，导电板固定设置在支撑板的外侧。
通过前述技术方案，当风通过若干双叶贴合的百叶窗时，双叶发生往复贴合与分离，双叶贴合时，具有不同带电特性的表面由于接触起电而发生电荷迁移；双叶分离时，因静电感应现象电子在外电路发生迁移；贴合与分离时，运动变形产生的压电效应使得双叶表面发生电荷转移，同时双叶间形成的动态气隙进一步增强了压电性能；接触起电、静电感应、压电效应及动态气隙的耦合作用可将其产生的同极性电荷汇聚叠加，最终提升发电性能。百叶窗式风伏阵列内部若干个叠装柔性双叶在风的作用下往复贴合与分离，实现叠装双叶间动态气隙作用下接触分离全过程能量收集。
进一步地，多个所述百叶窗式发电模块以不同阵列方式排列。
进一步地，若干个所述百叶窗式发电模块以不同阵列方式排列安装在场地上，正前方铰接所述迎风口，组装成百叶窗式大功率风伏阵列。
进一步地，支撑板上开设有多个安装槽，多个双叶发电单元相应设置在多个安装槽中，双叶发电单元的正极层和负极层上均覆盖有作为电极的导电层。
进一步地，所述支撑板表面竖直方向上开设有若干条矩形槽并固定在场地中，若干个叠装柔性双叶发电单元等间隔依次安装在相应矩形槽中，可根据要求设置不同间距的双叶单元，形成百叶窗式发电模块。
进一步地，所述双叶发电单元包括负极层和正极层，并固定安装在两侧支撑板矩形槽中。所述正极层上表面和负极层底面分别覆盖一层导电层作为电极。
进一步地，所述的导电层可以为铜箔、铝箔或石墨层等可导电材料，其可以与正、负极层为同一片材料，也可以为覆膜。
进一步地，所述负极层选自聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯(PC)、氟化乙丙烯(FEP)等任一种聚合物或PVDF/BaTiO3、PMMA/BaTiO3、PVDF/GNS、PMMA/Mxene等任一种高分子复合材料中。
进一步地，所述正极层选自尼龙11(PA11)、尼龙66(PA66)、聚氨酯(PU)、聚甲醛(POM)等任一种聚合物或PA11/BaTiO3、PA66/GNS、PA66/Mxene等任一种高分子复合材料。
进一步地，所述负极层左端和正极层右端分别设有折叠边，折叠边利用导电胶带分别与两侧导电板贴紧。
进一步地，所述导电板固定安装在两侧支撑板外侧，包括固定板、导电材料层和导线，所述导电材料层的一侧固定在固定板内侧，另一侧与双叶发电单元端面贴紧，并与导线相连，形成外电路。
所述正负极层材料可通过封装、疏水改性、表面微加工等手段进而在高湿度环境下仍能维持较高的输出性能。
本发明相对于现有技术，至少具有如下有益效果：
1.本发明在接触起电、静电感应、压电效应及动态气隙作用产生的耦合效应可将其分别产生的同极性电荷汇聚叠加，有效地提升了风伏阵列的输出性能。百叶窗式的风伏阵列结构进一步提升了能量收集效率，扩展了风速的利用范围。
2.本发明在接触分离过程中，双叶间形成的动态气隙进一步增强了双叶的压电性能，压电效应的增强使双叶表面产生更多的等量异种电荷，从而增加了双叶间的电势差，提升双叶发电单元输出性能。
3.本发明的百叶窗式风伏阵列的每一个叠装柔性双叶单元均为独立的发电单元，可排列和组装成不同的风伏阵列构型，以满足不同安装场地和空间的使用需求，且双叶单元的局部损坏并不影响整体使用性能。
4.本发明的百叶窗式大功率风伏阵列改变了传统叶片式风力发电机组捕获风能的风力发电布局，且所用材料基体为高分子材料，具有质量轻、成本低、结构简单、维修方便、可规模化生产和推广应用等特点。
附图说明
为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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，其中：
图1为本发明实施例中百叶窗发电模块的主视图。
图2为本发明实施例中百叶窗发电模块的左视图。
图3为本发明实施例中不同贴合与合拢状态下双叶发电单元工作原理图。
图4为本发明实施例中百叶窗式大功率风伏阵列示意图。
图5为本发明实施例中开路电压与时间的关系图。
图6为本发明实施例中短路电流与时间的关系图。
附图标记说明：
1为支撑板，2为正极层，3为负极层，4为导线，5为导电板，6为电极，7为迎风口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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，都是本发明保护的范围。
另外，若本发明出现如涉及“第一”、“第二”等的描述，其仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
本实施例提供的的一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列，如图1、图2、图3和图4所示，包括多个百叶窗式发电模块和迎风口7。
多个所述百叶窗式发电模块以3*3*3阵列方式排列安装在场地上，正前方连接所述迎风口7，组装成百叶窗式大功率风伏阵列。可以理解的是，所述迎风口7与所述支撑板1不一定铰接，只需相对固定即可。
每个所述百叶窗式发电模块均包括支撑板1、双叶发电单元、正极层2、负极层3、电极6和导电板5。支撑板1的两侧设置有安装槽，双叶发电单元采用PA11薄膜和PVDF薄膜分别作为双叶的正极层2和负极层3，并固定安装在所述支撑板1两侧的安装槽中。所述正极层2通过超薄双面胶带与所述负极层3两端粘接叠装，PA11正极层上表面和PVDF负极层的底面分别覆盖一层导电胶带作为电极6。优选地，所述支撑板1的表面沿竖直方向上开设有若干条矩形槽并固定在场地中，若干所述双叶发电单元等间隔依次安装在相应的矩形槽中，两相邻所述双叶单元的间距设置为20mm，组装成所述百叶窗式发电模块。叠装柔性的所述双叶发电单元中，所述正极层2与所述负极层3相互叠装(可以理解的是，所述正极层2和所述负极层3之间的位置没有特定要求，两者只需叠装即可，谁上谁下均可)。所述正极层2的左端和所述负极层3的右端分别设有折叠边，折叠边通过导电胶带分别与两侧的导电板5贴紧。所述导电板5粘结在支撑板1外侧，且与双叶发电单元端面贴紧，外接导线引出导线4。优选地，所述导电板5包括固定板、导电材料层和导线，所述导电材料层的一侧固定在固定板内侧，另一侧与双叶发电单元端面贴紧，并与导线相连，形成外电路。进一步优选地，导电材料层的材质可以是双面导电胶带，双面导电胶带粘结在固定板内侧，另一侧与双叶发电单元端面贴紧，并与导线相连，也可以是铜等导电金属。
所述正极层2、所述负极层3的材料可通过封装、疏水改性、表面微加工等手段进行处理，进而在高湿度环境下仍能维持较高的输出性能。
当所述双叶发电单元未工作时，所述正极层2与所述负极层3处于相互贴合状态。当风通过若干双叶叠合的百叶窗时，所产生的动态气隙作用使得所述正极层2与所述负极层3往复合拢与分离。双叶合拢时接触起电作用、分离时的静电感应、分离过程双叶因运动变形产生的压电效应和动态气隙作用，在所述正极层2与所述负极层3表面一同产生极性相同的等量异种电荷，随后同极性电荷汇聚叠加经外电路形成单相脉冲电流；当正所述极层2与所述负极层3分离至最大距离时，电子不再移动而不再形成电流。当风作用力减小时，所述正极层2与所述负极层3逐渐合拢，在接触起电、静电感应、压电效应及动态气隙作用的耦合效应下，外电路产生反向脉冲电流。直到所述正极层2与所述负极层3重新紧密贴合，此时双叶处于静电平衡状态，外电路电流为零，回归初始状态。百叶窗式风伏阵列内部若干个贴合的柔性双叶(正极层和负极层)在风的作用下进行往复的合拢与分离，可持续性输出交流电并接入蓄能设备，实现叠装双叶间动态气隙作用下接触分离全过程能量收集。
实施例2
与实施例1的区别在于，本实施例中采用PVDF/BaTiO3复合材料作为双叶发电单元的负极叶，BaTiO3无机填料的掺入可进一步提升PVDF压电性能。压电效应的增强可转移更多的电荷，形成更高的电势差，提升双叶发电单元输出性能。在其他实施例中，负极层的材料也可以采用PMMA/BaTiO3或PVDF/GNS或PMMA/Mxene，或者采用聚合物，如聚偏氟乙烯(PVDF)或聚氯乙烯(PVC)或聚三氟氯乙烯(PCTFE)或聚四氟乙烯(PTFE)或聚碳酸酯(PC)或氟化乙丙烯(FEP)。
实施例3
与实施例1的区别在于，本实施例中两相邻双叶单元间的距离设置为10mm，以增加百叶窗式发电模块发电单元数量。双叶发电单元数量的增加可增加迎风面积以利用更高速度的风能，进而提升风能利用率。
实施例4
与实施例1的区别在于，本实施例中百叶窗式发电模块采用4*4*4的阵列方式，百叶窗式发电模块数量的增加可增加发电单元数量和迎风面积，以利于捕获更高速度的风能，提升百叶窗式大功率风伏阵列的输出性能。
实施例5
与实施例1的区别在于，本实施例中只布置了一个由100个双叶发电单元组装的百叶窗式发电模块，两相邻双叶单元间距设置为20mm，其开路电压和短路电流如图5、图6所示。当风以3m/s的速度驱动叶片振动时，百叶窗式发电模块可输出400V的电压和60mA的电流，输出功率约为1.2W。
实施例6
与实施例1的区别在于，本实施例中负极层材料PVDF进行了表面微加工处理，进而表面形成超疏水结构，有效减少表面电荷在湿度环境中的耗散，进而在高湿度环境下双叶发电单元仍能维持较高的输出性能。
实施例7
与实施例1的区别在于，本实施例采用PA11/BaTiO3复合材料作为双叶发电单元的正极叶。在其他实施例中，也可以采用PA66/GNS或PA66/Mxene，或者采用聚合物材料作为双叶发电单元的正极叶，如尼龙11(PA11)或尼龙66(PA66)或聚氨酯(PU)或聚甲醛(POM)。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列，其特征在于，包括多个百叶窗式发电模块和迎风口(7)，迎风口(7)与多个百叶窗式发电模块相对设置；
每个百叶窗式发电模块均包括支撑板(1)、双叶发电单元、电极(6)、和导电板(5)，双叶发电单元间隔设置在支撑板(1)上，双叶发电单元包括叠装设置的正极层(2)和负极层(3)，且正极层(2)和负极层(3)的两端相应固定连接，正极层(2)和负极层(3)上均设置有所述电极(6)，导电板(5)固定设置在支撑板(1)的外侧。
2.根据权利要求1所述的一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列，其特征在于，多个所述百叶窗式发电模块以不同阵列方式排列。
3.根据权利要求2所述的一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列，其特征在于：若干个百叶窗式发电模块安装在场地上，正前方连接所述迎风口，组装成百叶窗式大功率风伏阵列。
4.根据权利要求1所述的一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列，其特征在于：支撑板(1)上开设有多个安装槽，多个双叶发电单元相应设置在多个安装槽中，双叶发电单元的正极层和负极层上均覆盖有作为电极(6)的导电层。
5.根据权利要求4所述的一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列，其特征在于：导电层为铜箔、铝箔或石墨层中的任一种，导电层的材料与正、负极层为同一片材料，或导电层为覆膜。
6.根据权利要求4所述的一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列，其特征在于：所述负极层的材料为聚合物或高分子复合材料，所述聚合物为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯(PC)、氟化乙丙烯(FEP)中的任一种，所述高分子复合材料为PVDF/BaTiO3、PMMA/BaTiO3、PVDF/GNS、PMMA/Mxene中的任一种。
7.根据权利要求4所述的一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列，其特征在于：所述正极层的材料为聚合物或高分子复合材料，所述聚合物为尼龙11(PA11)、尼龙66(PA66)、聚氨酯(PU)、聚甲醛(POM)中的任一种，所述高分子复合材料为PA11/BaTiO3、PA66/GNS、PA66/Mxene中的任一种。
8.根据权利要求2所述的一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列，其特征在于：所述支撑板(1)的表面沿竖直方向上开设有若干条安装槽并固定在场地中，若干个叠装柔性双叶发电单元等间隔依次安装在相应安装槽中，可根据要求设置不同间距的双叶单元，形成百叶窗式发电模块。
9.根据权利要求1所述的一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列，其特征在于：所述负极层(3)的左端和正极层(3)右端分别设有折叠边，折叠边与两侧导电板(5)贴紧。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种叠装双叶间动态气隙作用的百叶窗式大功率风伏阵列，其特征在于：所述导电板(5)固定安装在两侧的支撑板(1)的外侧，包括固定板、导电材料层和导线，所述导电材料层的一侧固定在固定板内侧，另一侧与双叶发电单元端面贴紧，并与导线相连，形成外电路。
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