[發(fā)明專利]一種復合式風能收集器

有效

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• 申請日: 2016-04-18
• 公開（公告）號: CN105680723B
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發(fā)明（設計）人: 劉會聰;陳濤;夏月冬;孫立寧;劉文杰
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;F03D5/06;H02N1/04
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 常亮

技術領域

本發(fā)明屬于風能收集器的結構設計技術領域，具體涉及一種復合式風能收集器。

背景技術

風能是自然界中廣泛存在的一種可再生的清潔能源，收集風能給在戶外工作的無線傳感網絡、嵌入式低功耗電子器件供電有著廣闊的前景。

目前，將風能轉化成電能的方式主要有三種，分別是：電磁式、壓電式和摩擦式。電磁式是一種傳統(tǒng)的風能收集方式，通常利用風車的結構驅動轉子與定子發(fā)生相對運動，從而切割磁感線產生感應電動勢。這種風能收集器體積較大，結構復雜且制作成本高。壓電式的風能收集器通常設計成懸臂梁結構，利用卡門渦街效應或顫振效應使壓電懸臂梁在風中產生形變，從而輸出電能。壓電式的風能收集器通常共振頻率較高，輸出電壓較小。而摩擦式風能收集器則是基于摩擦生電和靜電感應的耦合效應，利用風帶動摩擦材料間的周期性碰撞，在外電路產生電荷轉移。這類能量收集器有較高的功率輸出，但是一般體積較大。因此如何設計一款結構簡單、輸出可觀，體積小的風能收集器是目前亟待解決的技術問題。

鑒于以上問題，有必要提出一種新型的風能收集器，有效結合壓電與摩擦兩種風能收集方式，實現風能收集器在低風速條件下輸出功率的最大化。

發(fā)明內容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種復合式風能收集器，有效結合壓電與摩擦兩種風能收集方式，實現風能收集器在低風速條件下輸出功率的最大化。

根據本發(fā)明的目的提出的一種復合式風能收集器，包括壓電式風能收集模塊與摩擦式風能收集模塊，所述壓電式風能收集模塊包括壓電懸臂梁與葉片，所述壓電懸臂梁一端固定，自由端固定連接葉片，葉片擺動繼而帶動壓電懸臂梁產生周期性上下擺動，壓電懸臂梁內部正負電荷分離，產生交流電壓輸出；

所述摩擦式風能收集模塊包括相對設置的金屬摩擦層與高分子聚合物層及電極層，所述高分子聚合物層設置于所述電極層上，金屬摩擦層與高分子聚合物層周期性的接觸分離，實現電子流動，形成交流電輸出；

所述金屬摩擦層或高分子聚合物層與電極層設置于壓電懸臂梁的表面上，高分子聚合物層與電極層或金屬摩擦層相對于壓電懸臂梁固定設置，一壓電式風能收集模塊至少對應一摩擦式風能收集模塊，形成一組復合式風能收集器。

優(yōu)選的，所述復合式風能收集器還包括固定結構架，所述固定結構架的上下表面均依次設置有電極層與高分子聚合物層，所述固定結構架的上下側均對應設置有一壓電懸臂梁，所述壓電懸臂梁與所述固定結構架表面存在擺動空間，所述壓電懸臂梁相對固定結構架的一側表面上設置金屬摩擦層，形成上下對稱設置的兩組復合式風能收集器。

優(yōu)選的，所述高分子聚合物層的表面制作有摩擦結構層。

優(yōu)選的，所述摩擦結構層為具有微米級別的金字塔結構。

優(yōu)選的，所述固定結構架為T型結構架，所述T型結構架包括垂直設置的橫梁與豎梁，橫梁的兩端分別固定連接壓電懸臂梁的固定端，豎梁的兩側表面均依次設置電極層與高分子聚合物層。

優(yōu)選的，所述葉片鉸連接于所述壓電懸臂梁的自由端上，所述葉片與所述壓電懸臂梁為平行連接、垂直葉片中部連接或垂直葉片底部連接。

優(yōu)選的，所述葉片為三角形葉片，且所述三角形葉片的底邊與高度相等。

優(yōu)選的，所述葉片與壓電懸臂梁的自由端通過合頁鉸連接固定。

與現有技術相比，本發(fā)明公開的復合式風能收集器的優(yōu)點是：

該風能收集器包括壓電式風能收集模塊與摩擦式風能收集模塊，風力作用葉片擺動繼而帶動壓電懸臂梁產生周期性上下擺動，壓電懸臂梁內部正負電荷分離，產生交流電壓輸出；與此同時金屬摩擦層與高分子聚合物層周期性的接觸分離，實現電子流動，形成交流電輸出。有效結合壓電與摩擦兩種風能收集方式，實現風能收集器在低風速條件下的高功率輸出。摩擦與壓電兩種能量采集方式同時工作，提高風能收集器的高能量密度輸出。

通過對葉片的結構形式以及葉片與壓電懸臂梁的連接位置進行限定，實現壓電懸臂梁的大振幅、高電壓輸出，實現輸出功率的最大化。

此外，可有效簡化風能收集器的結構組成，減小體積。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明公開的復合式風能收集器的結構示意圖。

圖2為工作原理圖。

圖3為電壓輸出效果圖。