CN204082450U - 电活性聚合物风能发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电活性聚合物风能发电装置，包括机械传动系统、电能转换系统及机架，该机械传动系统由风扇和曲柄滑块机构组成，电能转换系统包括由电活性聚合物制成的可变电容电路板；该曲柄滑块机构包括圆盘、调节滑块以及连杆，该圆盘与风扇同轴连接并一起安装在机架上；该调节滑块偏心铰接在圆盘上，并可在圆盘的径向调节；该连杆的一端与调节滑块铰接，另一端与所述可变电容电路板铰接；该连杆由第一杆和第二杆组成，该第一杆上设有套筒，该第二杆套在该套筒内，其套于套筒的端部设有防止其脱出的球头。由于所述曲柄滑块机构的连杆为长度可变的结构，不会出现因调节时，杆长与电活性聚合物的拉伸量不适应而卡死的现象。

Description

电活性聚合物风能发电装置

技术领域

本实用新型涉及新能源领域，尤指一种电活性聚合物风能发电装置。

背景技术

风能是最清结、无污染的可再生能源之一。全球可利用的风能资源为200亿千瓦，约是可利用水力资源的10倍。因此利用风能发电，成为世界范围内研究的热点。

目前的风力发电机一般为电磁式。这种风力发电机由风轮、发电机、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成；结构复杂，组成设备庞大，前期设备投入较大，成本较高。同时，传统风力发电电能转换方式为风能—机械能—磁能—电能四步转换；电能转换过程能耗较大，发电效率较低。此外传统发电机对于风场选址要求较高；需常年有风能提供的地区，一般风场选址远离市区，交通不便，维修困难，无形中又增加了设备的成本投入。

另一方面，电活性聚合物具有特殊的电性能和机械性能，它能在电场的作用下产生形状或者体积的变化，实现电能和机械能之间的转化。但目前国内对于这种智能材料在发电领域的应用并不成熟、普遍。

CN202144770U公开了“一种新型的风力发电机”，该风力发电机即为一种利用电活性聚合物的特殊性能进行风力发电的装置。该装置实际上为一个简单模型，存在如下缺点：

1．虽然说明书中公开有“所述的电活性聚合物薄膜可以被拉伸1倍、2倍、3倍甚至4倍，通过控制不同的拉伸倍数来调节发电量”。但是如何控制电活性聚合物薄膜的拉伸量却没有具体说明。众所周知，通过改变曲柄滑块机构的曲柄或连杆的长度，可以改变滑块的行程，进而改变电活性聚合物的拉伸量。但是单方面增加或减小曲柄滑块单杆直径，将导致的右极限位置变化。由于改变了滑块的不同的位置，曲柄的上下极限位置都加长，而电活性聚合物收缩的位置有限，当曲柄加长时，返回的时候可能会卡死。这一问题必须要解决。

2．单纯的蓄电池储能装置效率低，使用寿命低，损耗大。

3．连杆与电活性聚合物铰接连接时易产生跳动，运行不平稳。

总之，现有的电活性聚合物风能发电装置还处在不成熟阶段，有很多地方还有待改善。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种不会出现行程调节过程中卡死问题的电活性聚合物风能发电装置。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案是：

一种电活性聚合物风能发电装置，包括机械传动系统、电能转换系统以及机架，该机械传动系统由风扇和曲柄滑块机构组成，电能转换系统包括由电活性聚合物制成的可变电容电路板，其转换的电能储存在储能装置中；该曲柄滑块机构包括圆盘、调节滑块以及连杆，该圆盘与风扇同轴连接并一起安装在机架上；该调节滑块偏心铰接在圆盘上，并可在圆盘的径向调节；该连杆的一端与调节滑块铰接，另一端与所述可变电容电路板铰接；该连杆由第一杆和第二杆组成，该第一杆上设有套筒，该第二杆套在该套筒内，其套于套筒的端部设有防止其脱出的球头。

优选地，所述曲柄滑块机构的圆盘上设有一个径向滑槽，所述的调节滑块可滑动的安装在该径向滑槽内。

优选地，所述径向滑槽内设置有一个可以限制所述调节滑块位置的限位滑块，该限位滑块上设有弹性凸粒，该径向滑槽的侧壁设有与该弹性凸料配合的波浪齿。

优选地，所述的储能装置采用超级电容器与蓄电池混合储能系统，并采用采用双向DC/DC变换器。

优选地，所述的可变电容电路板上设置有两个平行设置的链接板，且两链接板与可变电容电路板的运行方向平行；所述连杆的端部铰接在两链接板之间。

优选地，所述的连杆端部设置有一个旋转活动块，通过该旋转活动块铰接在所述的两链接板之间。

优选地，所述的机架包括支架和底座；所述的电能转换系统固定在该支架的上部，所述的机械传动系统固定于该底座上，且两者中心位于同一竖直面内。

优选地，所述的电能转换系统采用螺丝加箍板的方式固定于支架上。

优选地，所述的风扇，其传动轴上设有轴承。

采用上述方案后，本实用新型具有如下优点：

1．本实用新型所采用的曲柄滑块机构，可以调节曲柄长度从而实现改变拉伸距离，拓宽输出电流频率范围；而且曲柄滑块机构的长杆（连杆）为长度可变的结构，不会出现因调节时，杆长与电活性聚合物的拉伸量不适应而卡死的现象。

2．本实用新型采用的储能装置采用超级电容器与蓄电池混合储能系统，并采用采用双向DC/DC变换器。超级电容器的具有循环寿命长、可快速充放电的优势，而蓄电池具有高能量密度与不易流失等优势。为了避免超级电容器储能时间短及功率密度低的问题，以及蓄电池的循环寿命短等问题，组成超级电容器与蓄电池混合储能系统，采用双向DC/DC变换器控制电流流动方向，增加储能系统的功率、延长使用寿命、降低蓄电池内部损耗、缩小整个储能系统的体积。

3．本实用新型曲柄滑块机构的连杆与滑块（即可变电容电路板）的连接采用只有一处自由度的连接方式，可以防止连杆在垂直于可变电容电路板的方向跳动，使整个拉伸运动趋于平稳。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型所述曲柄滑块机构的结构示意图；

图3是本实用新型所述储能装置的电路示意图；

图4是本实用新型所述电活性聚合物板与连杆连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详述。

本实用新型所揭示的是一种电活性聚合物风能发电装置，如图1所示，为本实用新型的较佳实施例。所述的电活性聚合物风能发电装置主要包括机械传动系统、电能转换系统以及机架1。其中：机械传动系统主要实现风扇的旋转运动与电活性聚合物板的拉伸运动的转换；电能转换系统采用电活性聚合物，将拉伸运动的机械能转化为电能，实现发电，并将电能储存在储能装置中；机架1实现装置的安装固定。

所述的机械传动系统由风能采集系统和曲柄滑块机构两部分组成。

本实施例所述的风能采集系统采用风扇2采集器做为风能采集设备。它具有结构简单，采集效率高的优点。能更好的实现对风能与旋转机械能的转换。

所述的曲柄滑块机构3包括圆盘31、调节滑块32以及连杆33。该圆盘31与风扇2同轴连接并一起安装在机架1上。所述的调节滑块32偏心铰接在圆盘31上，并可在圆盘31的径向调节。所述连杆33的一端与调节滑块32铰接，其另一端与电能转换系统4的可变电容电路板41铰接。风力通过风扇2的叶片带动与风扇同转速的圆盘31转动（圆盘有效半径相当于曲柄滑块短杆），带动连杆33（连杆33相当于曲柄滑块中的长杆）拉动可变电容电路板41（链接处装有一自由旋转块，相当于曲柄滑块的滑块）做往复运动，实现可变电容电路板41的拉伸和收缩。达到将旋转机械能转换为平直拉伸的目的。

所述电能转换系统4，主要依靠可变电容电路板41完成。本实用新型采用电活性聚合物这种超弹性材料，制作成的可变电容电路板作为机械能转换为电能的媒介。电活性聚合物在发电领域具有以下独特优势：

1）具有最大应变变形，最大可达380%。而电磁材料为50%，单晶陶瓷约为1.7%；

2）具有高能量密度，约为0.4J/g（理论可达1J/g），驱动效率高、抗振动性能好；

3）可与能量源直接耦合，无需中间转换环节，直接实现电能与机械能之间的相互转换。更便宜，材料廉价，设备部件少，无需精密机械加工，大大降低整个系统的价格；

4）柔顺性好、耐冲击、重量轻、低密度、高性能、多功能；

5）可以在很宽范围的温度及湿度下工作。

本实用新型的关键在于：

如图2所示，所述曲柄滑块机构3的圆盘31上设有一个径向滑槽311，所述的调节滑块32可滑动的安装在该径向滑槽311内，调节该调节滑块32在径向滑槽311的位置，就可以调节圆盘31的有效半径。所述径向滑槽311内可以进一步设置一个可以限制所述调节滑块32位置的限位滑块34，该限位滑块34上设有弹性凸粒341，所述径向滑槽311的侧壁设有波浪齿312，该弹性凸粒341与波浪齿312上的不同齿槽配合，即可方便地进行调节圆盘31的有效半径，并可以设置多个档位。通过调节圆盘的有效半径，既满足了圆盘力矩较小时无法旋转的问题，同时也可通过调节有效半径释放出不同频率的电波，扩大交流电频率宽度。

同时为了避免单方面增加或减小曲柄滑块单杆直径变化，导致的右极限位置变化。由于改变了调节滑块32的不同位置，曲柄的上下极限位置都加长，而可变电容电路板41收缩的位置有限，当曲柄加长时，返回的时候会卡死，所以本实用新型将连杆33设计为含套筒结构，以储存返回时多余的行程。具体为：所述的连杆33由第一杆331和第二杆332组成，该第一杆331上设有套筒333，该第二杆332套在该套筒333内，其套于套筒333的端部设有球头334以防止从套筒333内脱出。

该变异的曲柄滑块机构3的工作过程为：当限位滑块34处于最低档时，第二杆332上端的球头334扣紧第一杆331的套筒333下端。运动过程中第一杆331与第二杆332的相对位置不变。弹性可变电容板随着圆盘31旋转做有规律的拉伸、收缩运动，电容板产生固定频率的交流电。

当限位滑块34处于最高档时，第一杆331和第二杆332随着圆盘31的旋转位置发生相对位移。在0~1/4T时，圆盘带动连杆33向下旋转，第二杆332在第一杆331的套筒333内向下移动，可变电容板处于静止状态；1/4T~3/4T时，圆盘31带动连杆33向下旋转一定角度，第二杆332上的球头334卡住第一杆331的套筒333，因为连杆33与可变电容板为铰接连接，第二杆332和第一杆331依旧保持同心度，同时拖动可变电容板向下拉伸。当圆盘31继续转动到一定角度，由于可变电容板的弹性回复。第二杆332的球头334依旧卡在第一杆331的套筒333最下段；当3/4T~T时，可变电容板回到初始位置时，第一杆331失去弹性拉力，一端固定不变。这时圆盘31继续旋转，第二杆332的球头334在第一杆331的套筒333内做相对于第一杆331的水平移动，储存第二杆332返回时的多余行程，电容板完成一个周期的发电，产生另一种不同频率的交流电。

本实用新型的另一关键在于：

所述的储能装置5采用超级电容器与蓄电池混合储能系统，并采用采用双向DC/DC变换器（如图3所示）。超级电容器的具有循环寿命长、可快速充放电的优势，而蓄电池具有高能量密度与不易流失等优势。为了避免超级电容器储能时间短及功率密度低的问题，以及蓄电池的循环寿命短等问题，组成超级电容器与蓄电池混合储能系统，采用双向DC/DC变换器控制电流流动方向，增加储能系统的功率、延长使用寿命、降低蓄电池内部损耗、缩小整个储能系统的体积。

所述电能转换系统4的可变电容电路板41一端通过连杆33与机械传动系统相连，一端通过整流电路与储能装置5相连。同时通过自启动电路直接利用电活性聚合物自身产生的电能作为激励电源，驱动升压变换器，为电能转换系统4提供启动电压。

再配合图4所示，本实用新型可以采用只一个自由度的旋转活动块35连接在可变电容电路板41上。具体为，在所述可变电容电路板41上设置两个平行设置的链接板42，且两链接板42与可变电容电路板41的运行方向平行，所述连杆33的端部可以直接铰接在两链接板42之间，也可以在该连杆33端部设置一个旋转活动块35，通过该旋转活动块35铰接在两链接板42之间。当连杆33绕圆盘31旋转时，连杆33产生平行于可变电容电路板41的移动，通过旋转活动块35和链接板42的链接，可以将这个平行移动转化为绕铰接轴的旋转运动。同时两个相对平行的链接板42与铰接轴的配合，防止了旋转活动块35在垂直于可变电容电路板41方向上的跳动，使整个拉伸运动趋于平稳。

本实用新型所述的机架1可以包括支架11和底座12等。所述电能转换系统4可以固定在支架11的上部，所述的机械传动系统可以固定于机架1的底座12上，两者中心位于同一竖直面内。同时该电能转换系统4可以采用螺丝加箍板43的方式固定于支架11上，加固了电能转换系统4在工作时的稳定性。为了防止风扇2高速旋转引起资源浪费，同轴度偏差等问题，本实用新型可以在风扇的传动轴上添加轴承，保证传动轴正常工作。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故但凡依本实用新型的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本实用新型专利涵盖的范围之内。

Claims (9)

1.一种电活性聚合物风能发电装置，包括机械传动系统、电能转换系统以及机架（1），该机械传动系统由风扇（2）和曲柄滑块机构（3）组成，电能转换系统（4）包括由电活性聚合物制成的可变电容电路板（41），其转换的电能储存在储能装置中；其特征在于：该曲柄滑块机构包括圆盘（31）、调节滑块（32）以及连杆（33），该圆盘与风扇同轴连接并一起安装在机架上；该调节滑块偏心铰接在圆盘上，并可在圆盘的径向调节；该连杆的一端与调节滑块铰接，另一端与所述可变电容电路板铰接；该连杆由第一杆（331）和第二杆（332）组成，该第一杆上设有套筒（333），该第二杆套在该套筒内，其套于套筒的端部设有防止其脱出的球头（334）。

2.根据权利要求1所述的电活性聚合物风能发电装置，其特征在于：所述曲柄滑块机构的圆盘（31）上设有一个径向滑槽（311），所述的调节滑块（32）可滑动的安装在该径向滑槽内。

3.根据权利要求2所述的电活性聚合物风能发电装置，其特征在于：所述径向滑槽（311）内设置有一个可以限制所述调节滑块（32）位置的限位滑块（34），该限位滑块上设有弹性凸粒（341），该径向滑槽的侧壁设有与该弹性凸料配合的波浪齿（312）。

4.根据权利要求1-3之一所述的电活性聚合物风能发电装置，其特征在于：所述的储能装置采用超级电容器与蓄电池混合储能系统，并采用双向DC/DC变换器。

5.根据权利要求1-3之一所述的电活性聚合物风能发电装置，其特征在于：所述的可变电容电路板（41）上设置有两个平行设置的链接板（42），且两链接板与可变电容电路板的运行方向平行；所述连杆（33）的端部铰接在两链接板之间。

6.根据权利要求5所述的电活性聚合物风能发电装置，其特征在于：所述的连杆（33）端部设置有一个旋转活动块（35），通过该旋转活动块铰接在所述的两链接板（42）之间。

7.根据权利要求1-3之一所述的电活性聚合物风能发电装置，其特征在于：所述的机架（1）包括支架（11）和底座（12）；所述的电能转换系统（4）固定在该支架的上部，所述的机械传动系统固定于该底座上，且两者中心位于同一竖直面内。

8.根据权利要求7所述的电活性聚合物风能发电装置，其特征在于：所述的电能转换系统（4）采用螺丝加箍板（43）的方式固定于支架（11）上。

9.根据权利要求1-3之一所述的电活性聚合物风能发电装置，其特征在于：所述的风扇，其传动轴上设有轴承。