CN205725522U - 一种复合式风能收集器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种复合式风能收集器，通过在T型结构架的上下表面均依次设置电极层与高分子聚合物层，T型结构架的上下侧均对应设置有一压电悬臂梁，压电悬臂梁相对T型结构架的一侧表面上设置金属摩擦层，形成上下对称设置的两组复合式风能收集器。该风能收集器结合了压电式风能收集模块与摩擦式风能收集模块。工作时风自侧面吹向该风能收集器，风力作用叶片摆动继而带动压电悬臂梁产生周期性上下摆动，压电悬臂梁内部正负电荷分离，产生交流电压输出；与此同时金属摩擦层与高分子聚合物层周期性的接触分离，实现电子流动，形成交流电输出。有效结合压电与摩擦两种风能收集方式，实现风能收集器在低风速条件下的高功率输出。

Description

一种复合式风能收集器

技术领域

本实用新型属于风能收集器的结构设计技术领域，具体涉及一种复合式风能收集器。

背景技术

风能是自然界中广泛存在的一种可再生的清洁能源，收集风能给在户外工作的无线传感网络、嵌入式低功耗电子器件供电有着广阔的前景。

目前，将风能转化成电能的方式主要有三种，分别是：电磁式、压电式和摩擦式。电磁式是一种传统的风能收集方式，通常利用风车的结构驱动转子与定子发生相对运动，从而切割磁感线产生感应电动势。这种风能收集器体积较大，结构复杂且制作成本高。压电式的风能收集器通常设计成悬臂梁结构，利用卡门涡街效应或颤振效应使压电悬臂梁在风中产生形变，从而输出电能。压电式的风能收集器通常共振频率较高，输出电压较小。而摩擦式风能收集器则是基于摩擦生电和静电感应的耦合效应，利用风带动摩擦材料间的周期性碰撞，在外电路产生电荷转移。这类能量收集器有较高的功率输出，但是一般体积较大。因此如何设计一款结构简单、输出可观，体积小的风能收集器是目前亟待解决的技术问题。

鉴于以上问题，有必要提出一种新型的风能收集器，有效结合压电与摩擦两种风能收集方式，实现风能收集器在低风速条件下输出功率的最大化。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种复合式风能收集器，有效结合压电与摩擦两种风能收集方式，实现风能收集器在低风速条件下输出功率的最大化。

根据本实用新型的目的提出的一种复合式风能收集器，包括压电式风能收集模块与摩擦式风能收集模块，所述压电式风能收集模块包括压电悬臂梁与叶片，所述压电悬臂梁一端固定，自由端固定连接叶片，叶片摆动继而带动压电悬臂梁产生周期性上下摆动，压电悬臂梁内部正负电荷分离，产生交流电压输出；

所述摩擦式风能收集模块包括相对设置的金属摩擦层与高分子聚合物层及电极层，所述高分子聚合物层设置于所述电极层上，金属摩擦层与高分子聚合物层周期性的接触分离，实现电子流动，形成交流电输出；

所述金属摩擦层或高分子聚合物层与电极层设置于压电悬臂梁的表面上，高分子聚合物层与电极层或金属摩擦层相对于压电悬臂梁固定设置，一压电式风能收集模块至少对应一摩擦式风能收集模块，形成一组复合式风能收集器。

优选的，所述复合式风能收集器还包括固定结构架，所述固定结构架的上下表面均依次设置有电极层与高分子聚合物层，所述固定结构架的上下侧均对应设置有一压电悬臂梁，所述压电悬臂梁与所述固定结构架表面存在摆动空间，所述压电悬臂梁相对固定结构架的一侧表面上设置金属摩擦层，形成上下对称设置的两组复合式风能收集器。

优选的，所述高分子聚合物层的表面制作有摩擦结构层。

优选的，所述摩擦结构层为具有微米级别的金字塔结构。

优选的，所述固定结构架为T型结构架，所述T型结构架包括垂直设置的横梁与竖梁，横梁的两端分别固定连接压电悬臂梁的固定端，竖梁的两侧表面均依次设置电极层与高分子聚合物层。

优选的，所述叶片铰连接于所述压电悬臂梁的自由端上，所述叶片与所述压电悬臂梁为平行连接、垂直叶片中部连接或垂直叶片底部连接。

优选的，所述叶片为三角形叶片，且所述三角形叶片的底边与高度相等。

优选的，所述叶片与压电悬臂梁的自由端通过合页铰连接固定。

与现有技术相比，本实用新型公开的复合式风能收集器的优点是：

该风能收集器包括压电式风能收集模块与摩擦式风能收集模块，风力作用叶片摆动继而带动压电悬臂梁产生周期性上下摆动，压电悬臂梁内部正负电荷分离，产生交流电压输出；与此同时金属摩擦层与高分子聚合物层周期性的接触分离，实现电子流动，形成交流电输出。有效结合压电与摩擦两种风能收集方式，实现风能收集器在低风速条件下的高功率输出。摩擦与压电两种能量采集方式同时工作，提高风能收集器的高能量密度输出。

通过对叶片的结构形式以及叶片与压电悬臂梁的连接位置进行限定，实现压电悬臂梁的大振幅、高电压输出，实现输出功率的最大化。

此外，可有效简化风能收集器的结构组成，减小体积。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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本实用新型的一些实施例，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。

图1为本实用新型公开的复合式风能收集器的结构示意图。

图2为工作原理图。

图3为电压输出效果图。

图4为叶片与悬臂梁连接方式图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

1、压电悬臂梁 2、金属摩擦层 3、高分子聚合物层 4、电极层 5、叶片 6、T型结构架 7、摩擦结构层 61、横梁 62、竖梁

具体实施方式

传统方式采用单一风能收集器工作，但单一的电磁式风能收集器体积较大，结构复杂且制作成本高。压电式的风能收集器通常共振频率较高，输出电压较小，而摩擦式风能收集器有较高的功率输出，但是一般体积较大，存在诸多问题与不足。

本实用新型针对现有技术中的不足，提供了一种复合式风能收集器，有效结合压电与摩擦两种风能收集方式，实现风能收集器在低风速条件下输出功率的最大化。

下面将通过具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种复合式风能收集器，包括压电式风能收集模块与摩擦式风能收集模块，压电式风能收集模块包括压电悬臂梁与叶片，压电悬臂梁一端固定，自由端固定连接叶片，叶片摆动继而带动压电悬臂梁产生周期性上下摆动，压电悬臂梁内部正负电荷分离，产生交流电压输出。

摩擦式风能收集模块包括相对设置的金属摩擦层与高分子聚合物层及电极层，高分子聚合物层设置于所述电极层上，金属摩擦层与高分子聚合物层周期性的接触分离，实现电子流动，形成交流电输出。

金属摩擦层或高分子聚合物层与电极层设置于压电悬臂梁的表面上，高分子聚合物层与电极层或金属摩擦层相对于压电悬臂梁固定设置，一压电式风能收集模块至少对应一摩擦式风能收集模块，形成一组复合式风能收集器。

该风能收集器有效结合压电与摩擦两种风能收集方式，实现风能收集器在低风速条件下的高功率输出。

实施例1

如图1所示，本实用新型中的复合式风能收集器包括固定结构架，本实施例中该固定结构架为T型结构架6，T型结构架卧式放置，T型结构架6的上下表面均依次设置有电极层4与高分子聚合物层3，T型结构架6的上下侧均对应设置有一压电悬臂梁1，压电悬臂梁1与T型结构架6表面存在摆动空间，压电悬臂梁1相对T型结构架6的一侧表面上设置金属摩擦层2，形成上下对称设置的两组复合式风能收集器。其中，T型结构架还可立式放置，具体方式不做限制。

两个压电悬臂梁1对称分布在T形结构架6的顶部和底部，T型结构架6横梁的两端分别固定连接压电悬臂梁1的固定端，T型结构架6竖梁的两侧表面均依次设置电极层与高分子聚合物层。压电悬臂梁1的自由端用合页与两个三角形叶片5铰接，本实施例中采用垂直连接的方式。

在摩擦部分，两组电极层4和高分子聚合物层3依次对称粘贴于T形结构架6的上下表面，形成三明治结构。金属摩擦层2则固定在压电悬臂梁1的内表面，金属摩擦层2同时也充当另一个电极层。当风从侧面图示方向吹过时，压电悬臂梁在风中产生颤振效应，形成周期性的上下摆动。这种颤振会使压电悬臂梁发生形变，内部正负电荷分离，产生交流电压输出。而压电悬臂梁振动时会带动其内表面的金属摩擦层与高分子聚合物层发生周期性碰撞。根据摩擦起电和静电感应原理，两种得失电子能力不同的摩擦材料相互接触分离同样会产生电能输出。

为了提高该风能收集器摩擦部分的电压输出，本专利在高分子聚合物层的表面制作有摩擦结构层7，摩擦结构层7为微米级别的金字塔结构，该结构可直接通过高分子聚合物层本身直接成型，无需另外设置，这种结构能有效增大摩擦材料间的摩擦面积，提高电荷转移密度，从而提高电压的输出。其中摩擦结构层的结构形式可根据需要设定，在此不做限制。

图2是高分子聚合物层3和金属摩擦层2周期性碰撞过程中电荷转移图。其工作原理是基于摩擦生电与静电感应耦合效应。当压电悬臂梁1在风中上下振动，其内表面的金属摩擦层2与高分子聚合物层3发生周期性的接触分离，如图2(a)-(d)所示。金属摩擦层易失电子，而高分子聚合物层易得电子。当两者相互接触后，会分别带上正负电荷，如图2(a)。而两者相互分离时，会有电势差出现，电势差将驱动电子在外电路流动如图2(b)-(c)。当两种摩擦材料再次相互靠近时，由于静电感应原理，电子会在外电路反向流动，如图2(d)，从而形成交流电输出。

为了增大压电悬臂梁的振幅，提高风能收集器的电压输出，本专利设计了三角形的叶片与之相连。三角形叶片的底边和高相等，可采用PET等塑料材质材料制成。三角形的尺寸可有多种选择，当尺寸较小时，风能收集器需要较高的起始工作风速，而尺寸较大时叶片间可能会相互拍打，导致振动不稳定。具体操作时可根据实际需要设计合适尺寸的叶片。

三角形叶片与压电悬臂梁间的连接方式同样有多种方式，不同的连接方式可产生不同的输出效果。图3是三种可行的连接方式：平行连接(a)、垂直中部连接(b)和垂直底部连接(c)。平行连接的方式可降低该装置工作的起始风速，但是其电压输出相对较小，而垂直中部连接方式需要较高的风速条件，但可产生高电压输出。垂直底部连接的方式可进一步增大压电悬臂梁的振幅，有着最佳的输出。

其中，叶片的形状还可为长方形或多边形或椭圆形等结构，具体形状不做限制。

如图4所示，采用复合式风能收集器，随着风速的增大，输出电压有明显的提高。图4(a)和(b)分别为4.5m/s风速条件下压电和摩擦两部分的输出波形。压电悬臂梁的振动频率10Hz左右，峰值电压输出可达到5.6V。摩擦部分电压频率与压电部分相同，最大峰值电压输出为5.8V。输出功率较单一结构形式的收集器有明显的提高。

实施例2

其余与实施例1相同，不同之处在于，固定结构架可为L型结构，电极层与其上的高分子聚合物层均设置于L型结构架的上表面上，压电悬臂梁固定端固定于L型结构架的顶端，金属摩擦层位于压电悬臂梁的内表面上，形成一组复合式风能收集器。其中复合式风能收集器还可设置多组，具体实现方式根据需要设定，在此不做限制。

此外，金属摩擦层与高分子聚合物层及电极层还可位置互换，将金属摩擦层设置在固定结构架上，电极层与高分子聚合物层设置于压电悬臂梁内表面上，具体方式不做限制。

本实用新型公开了一种复合式风能收集器，通过在T型结构架的上下表面均依次设置电极层与高分子聚合物层，T型结构架的上下侧均对应设置有一压电悬臂梁，压电悬臂梁相对T型结构架的一侧表面上设置金属摩擦层，形成上下对称设置的两组复合式风能收集器。该风能收集器结合压电式风能收集模块与摩擦式风能收集模块。工作时风自侧面吹向该风能收集器，风力作用叶片摆动继而带动压电悬臂梁产生周期性上下摆动，压电悬臂梁内部正负电荷分离，产生交流电压输出；与此同时金属摩擦层与高分子聚合物层周期性的接触分离，实现电子流动，形成交流电输出。有效结合压电与摩擦两种风能收集方式，实现风能收集器在低风速条件下的高功率输出。

通过对叶片的结构形式以及叶片与压电悬臂梁的连接位置进行限定，实现压电悬臂梁的大振幅、高电压输出，实现输出功率的最大化。

摩擦与压电两种能量采集方式同时工作，提高风能收集器的高能量密度输出。

此外，可有效简化风能收集器的结构组成，减小体积。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种复合式风能收集器，其特征在于，包括压电式风能收集模块与摩擦式风能收集模块，所述压电式风能收集模块包括压电悬臂梁与叶片，所述压电悬臂梁一端固定，自由端固定连接叶片，叶片摆动继而带动压电悬臂梁产生周期性上下摆动，压电悬臂梁内部正负电荷分离，产生交流电压输出；

所述摩擦式风能收集模块包括相对设置的金属摩擦层与高分子聚合物层及电极层，所述高分子聚合物层设置于所述电极层上，金属摩擦层与高分子聚合物层周期性的接触分离，实现电子流动，形成交流电输出；

所述金属摩擦层或高分子聚合物层与电极层设置于压电悬臂梁的表面上，高分子聚合物层与电极层或金属摩擦层相对于压电悬臂梁固定设置，一压电式风能收集模块至少对应一摩擦式风能收集模块，形成一组复合式风能收集器。

2.如权利要求1所述的复合式风能收集器，其特征在于，所述复合式风能收集器还包括固定结构架，所述固定结构架的上下表面均依次设置有电极层与高分子聚合物层，所述固定结构架的上下侧均对应设置有一压电悬臂梁，所述压电悬臂梁与所述固定结构架表面存在摆动空间，所述压电悬臂梁相对固定结构架的一侧表面上设置金属摩擦层，形成上下对称设置的两组复合式风能收集器。

3.如权利要求1所述的复合式风能收集器，其特征在于，所述高分子聚合物层的表面制作有摩擦结构层。

4.如权利要求3所述的复合式风能收集器，其特征在于，所述摩擦结构层为具有微米级别的金字塔结构。

5.如权利要求2所述的复合式风能收集器，其特征在于，所述固定结构架为T型结构架，所述T型结构架包括垂直设置的横梁与竖梁，横梁的两端分别固定连接压电悬臂梁的固定端，竖梁的两侧表面均依次设置电极层与高分子聚合物层。

6.如权利要求1所述的复合式风能收集器，其特征在于，所述叶片铰连接于所述压电悬臂梁的自由端上，所述叶片与所述压电悬臂梁为平行连接、垂直叶片中部连接或垂直叶片底部连接。

7.如权利要求1所述的复合式风能收集器，其特征在于，所述叶片为三角形叶片，且所述三角形叶片的底边与高度相等。

8.如权利要求1所述的复合式风能收集器，其特征在于，所述叶片与压电悬臂梁的自由端通过合页铰连接固定。