CN111697872B - 自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置 - Google Patents

自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，包括防水叶片、上盖板、中套、下底板，中套内部中央位置处安装有转轴，转轴分别与上盖板、下底板通过轴承连接，转轴顶部穿过上盖板后与防水叶片相连接，并在防水叶片的带动下作旋转运动，转轴中部连接有若干自适应伸缩臂，自适应伸缩臂沿周向均匀分布，自适应伸缩臂末端连接有得电子驻电极板，中套内侧设有铝电极一和铝电极二，铝电极一与铝电极二沿周向错开布置，电子驻极体7在转轴及自适应伸缩臂的带动下与铝电极一、铝电极二依次接触或分离；本发明同现有技术相比，既具有较好发电性能，又极大地减少了摩擦阻力和材料磨损，显著提高了器件性能和使用寿命。

Description

自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置
[技术领域]
本发明涉及小型风能采集技术领域，具体地说是一种自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置。
[背景技术]
摩擦纳米发电机通过摩擦起电效应和静电感应将机械能转化为电能。基于摩擦起电效应，两种对电子吸引能力不同的材料相互接触时产生静电荷；通过机械运动使正负静电荷发生分离，从而两种材料外侧的电极之间产生电势差。当两个电极接通，两个电极中的电子会因为电势差的存在而产生流动，从而产生感应电流和电压。目前，现有的摩擦纳米发电机结构简单、易集成，可小型化，适合低频激励，具有高电压输出；但是，基于摩擦纳米技术的风能采集装置存在一个关键问题是摩擦会产生较大的阻力和材料磨损，从而极大地影响了器件性能和使用寿命。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，既具有较好发电性能，又极大地减少了摩擦阻力和材料磨损，显著提高了器件性能和使用寿命，解决了现有风能采集技术环境适应性差、能量密度低、可靠性低等问题。
为实现上述目的设计一种自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，包括防水叶片1、上盖板2、中套3、下底板4、转轴5，所述中套3为上下端敞口、内部设有空腔的筒状，所述中套3上、下端敞口处分别装设有上盖板2、下底板4，所述中套3内部中央位置处安装有转轴5，所述转轴5竖直布置，所述转轴5分别与上盖板2、下底板4通过轴承连接，所述转轴5顶部穿过上盖板2后与防水叶片1相连接，并在防水叶片1的带动下作旋转运动，所述转轴5中部连接有若干自适应伸缩臂6，所述自适应伸缩臂6沿周向均匀分布，所述自适应伸缩臂6末端连接有得电子驻电极板7，所述中套3内侧设有铝电极一8和铝电极二9，所述铝电极一8与铝电极二9沿周向错开布置，所述得电子驻电极板7在转轴5及自适应伸缩臂6的带动下与铝电极一8、铝电极二9依次接触或分离。
进一步地，所述防水叶片1设置有至少两个，至少两个防水叶片1沿周向均匀布置，所述防水叶片1通过连接筋18固定在连接套19上，所述转轴5顶部穿过上盖板2后伸入连接套19内，并通过连接套19、连接筋18由防水叶片1带动作旋转运动。
进一步地，所述防水叶片1横截面呈弧形，且沿竖直方向延伸，所述防水叶片1底部设有防水板17。
进一步地，所述自适应伸缩臂6包括伸缩臂安装架10、伸缩杆11、永磁体一12、永磁体二13，所述伸缩臂安装架10上安装有可沿径向活动的伸缩杆11，所述伸缩杆11上套设有永磁体一12、永磁体二13，所述永磁体一12固定在伸缩臂安装架10后端，且位于伸缩杆11后部，所述永磁体二13固定在伸缩杆11前部，所述永磁体一12与永磁体二13相互排斥构成非线性磁力弹簧，所述伸缩杆11末端固定有安装板14，所述得电子驻电极板7粘贴在安装板14上。
进一步地，所述伸缩杆11中部设置有螺纹，所述永磁体二13前侧固定有调节螺母15，所述调节螺母15旋装于伸缩杆11的螺纹段，所述永磁体二13通过螺纹段、调节螺母15固定在伸缩杆11上。
进一步地，所述伸缩臂安装架10由安装架底板20、前端板一21、前端板二22和后端板23构成，所述伸缩臂安装架10纵截面呈E型，所述永磁体一12、永磁体二13设置在后端板23与前端板二22之间。
进一步地，所述转轴5中部穿过并固定有连接块24，所述前端板一21固定在连接块24上，所述自适应伸缩臂6通过前端板一21、连接块24与转轴5连接。
进一步地，所述永磁体一12与伸缩臂安装架10后端之间还设置有离心力监测压电层16。
进一步地，还包括压电无线发射模块和能源管理模块，所述压电无线发射模块、能源管理模块安装在下底板4上。
进一步地，所述得电子驻电极板7的材料采用氟化乙烯丙烯共聚物。
本发明同现有技术相比，结构新颖、简单，设计合理，针对现有风能采集技术环境适应性差、能量密度低、可靠性低等问题，提出了一种自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，通过离心力调节摩擦发电副的分离、接触及接触程度，从而实现高能量密度的摩擦发电并且减少摩擦阻力和摩擦发电副磨损；在风速较小时，摩擦发电副分离，因为驻极体具有保存静电荷的作用，仍能通过静电感应发电，当再次风速变大时，摩擦发电副再次接触发生电荷转移，为发电副补充静电荷，这种间歇自适应电荷补充模式既具有较好发电性能，又极大的减少摩擦阻力和材料磨损，显著提高器件性能和使用寿命。此外，离心力引起振动使压电层产生变形，从而可实时监测风速变化情况，结合摩擦发电输出的电压信息，即可以更加准确地测量风速，值得推广应用。
[附图说明]
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的内部结构示意图；
图3是本发明的内部结构俯视图；
图4是本发明中自适应伸缩臂的结构示意图；
图5是本发明中铝电极一、铝电极二的结构示意图；
图6是本发明中防水叶片的结构示意图；
图中：1、防水叶片 2、上盖板 3、中套 4、下底板 5、转轴 6、自适应伸缩臂 7、得电子驻电极板 8、铝电极一 9、铝电极二 10、伸缩臂安装架 11、伸缩杆 12、永磁体一 13、永磁体二 14、安装板 15、调节螺母 16、离心力监测压电层 17、防水板 18、连接筋 19、连接套 20、安装架底板 21、前端板一 22、前端板二 23、后端板 24、连接块。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如附图所示，本发明提供了一种自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，包括防水叶片 1、上盖板 2、中套 3、下底板 4、转轴5，中套3为上下端敞口、内部设有空腔的筒状，中套3上、下端敞口处分别装设有上盖板2、下底板 4，中套3内部中央位置处安装有转轴 5，转轴5竖直布置，转轴5分别与上盖板2、下底板4通过轴承连接，转轴5顶部穿过上盖板2后与防水叶片1相连接，并在防水叶片1的带动下作旋转运动，转轴5中部连接有若干自适应伸缩臂6，自适应伸缩臂6沿周向均匀分布，自适应伸缩臂6末端连接有得电子驻电极板7，得电子驻电极板7的材料采用氟化乙烯丙烯共聚物，中套3内侧设有铝电极一8和铝电极二9，铝电极一8与铝电极二9沿周向错开布置，得电子驻电极板7在转轴5及自适应伸缩臂6的带动下与铝电极一8、铝电极二9依次接触或分离。
其中，防水叶片1横截面呈弧形，且沿竖直方向延伸，防水叶片1底部设有防水板17；该防水叶片1设置有至少两个，至少两个防水叶片1沿周向均匀布置，防水叶片1通过连接筋18固定在连接套19上，转轴5顶部穿过上盖板2后伸入连接套19内，并通过连接套19、连接筋18由防水叶片1带动作旋转运动。自适应伸缩臂6包括伸缩臂安装架 10、伸缩杆 11、永磁体一 12、永磁体二13，伸缩臂安装架10上安装有可沿径向活动的伸缩杆11，伸缩杆11上套设有永磁体一12、永磁体二13，永磁体一12固定在伸缩臂安装架10后端，且位于伸缩杆11后部，永磁体二13固定在伸缩杆11前部，永磁体一12与永磁体二13相互排斥构成非线性磁力弹簧，伸缩杆11末端固定有安装板14，得电子驻电极板7粘贴在安装板14上；
伸缩杆11中部设置有螺纹，永磁体二13前侧固定有调节螺母15，调节螺母15旋装于伸缩杆11的螺纹段，永磁体二13通过螺纹段、调节螺母15固定在伸缩杆11上；伸缩臂安装架10由安装架底板 20、前端板一 21、前端板二22和后端板23构成，伸缩臂安装架10纵截面呈E型，永磁体一12、永磁体二13设置在后端板23与前端板二22之间；转轴5中部穿过并固定有连接块24，前端板一21固定在连接块24上，自适应伸缩臂6通过前端板一21、连接块24与转轴5连接；永磁体一12与伸缩臂安装架10后端之间还设置有离心力监测压电层16，还包括压电无线发射模块和能源管理模块，压电无线发射模块、能源管理模块安装在下底板4上。
本发明中，防水叶片1与转轴5连接，转轴5连接若干自适应伸缩臂6，自适应伸缩臂6末端设有得电子驻电极板7，中套3内侧设有铝电极一8和铝电极二9；自适应伸缩臂6包括伸缩臂安装架10，伸缩臂安装架10安装可以沿径向活动的伸缩杆 11，伸缩臂安装架10固定永磁体一 12，伸缩杆11设有永磁体二13，永磁体一12与永磁体二13相互排斥构成非线性磁力弹簧，伸缩杆11末端设有安装板14。伸缩杆11设有螺纹，永磁体二13固定有调节螺母15，调节螺母15可在伸缩杆11螺纹段调节。永磁体一12与伸缩臂安装架10之间还设有离心力监测压电层16。得电子驻电极板7粘贴在安装板14上，得电子驻电极板7的材料可以采用氟化乙烯丙烯共聚物(FEP：Fluorinated ethylene propylene)。还包括压电无线发射模块和能源管理模块，安装在下底板4。
如附图2和附图4所示，本发明所述的风电采集装置包括自适应伸缩臂6、得电子驻电极板7、铝电极一8和铝电极二9。当超过一定风速，防水叶片1与转轴5连接旋转产生离心力，离心力作用使得得电子驻电极板7和铝电极一8、铝电极二9依次接触，从而得电子驻电极板7和铝电极发生电荷转移，风速减小，由于永磁体一12和永磁体二13相互排斥构成非线性磁力弹簧，使得得电子驻电极板7与铝电极一8、铝电极二9分离，由于得电子驻电极板7具有保存静电荷的作用，仍能通过静电感应发电，从而减少摩擦阻力和得电子驻电极板7与铝电极一8、铝电极二9上材料的磨损；当再次风速变大时，得电子驻电极板7和铝电极一8、铝电极二9再次接触发生电荷转移，为发电副补充静电荷，从而保持良好静电感应发电性能，离心力引起振动从而使离心力监测压电层16产生变形，通过压电无线发射模块和能源管理模块实时监测风速。
本发明针对现有风能采集技术环境适应性差、能量密度低、可靠性低等问题，通过动力学设计控制摩擦发电副的分离、接触及接触程度，从而实现高能量密度的摩擦发电并且减少摩擦阻力和摩擦发电副磨损。当超过一定风速，离心力作用使得摩擦发电副接触，从而摩擦发电副发生电荷转移，风速减小，磁力使得摩擦发电副分离，因为驻极体具有保存静电荷的作用，仍能通过静电感应发电，当再次风速变大时，摩擦发电副再次接触发生电荷转移，为发电副补充静电荷；这种间歇自适应电荷补充模式既具有较好发电性能，又极大的减少摩擦阻力和材料磨损，显著提高器件性能和使用寿命。离心力引起振动使压电层产生变形，从而实时监测风速变化情况，结合摩擦发电输出的电压信息，可以更加准确的测量风速。
本发明并不受上述实施方式的限制，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)

1.一种自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，包括防水叶片(1)、上盖板(2)、中套(3)、下底板(4)、转轴(5)，其特征在于：所述中套(3)为上下端敞口、内部设有空腔的筒状，所述中套(3)上、下端敞口处分别装设有上盖板(2)、下底板(4)，所述中套(3)内部中央位置处安装有转轴(5)，所述转轴(5)竖直布置，所述转轴(5)分别与上盖板(2)、下底板(4)通过轴承连接，所述转轴(5)顶部穿过上盖板(2)后与防水叶片(1)相连接，并在防水叶片(1)的带动下作旋转运动，所述转轴(5)中部连接有若干自适应伸缩臂(6)，所述自适应伸缩臂(6)沿周向均匀分布，所述自适应伸缩臂(6)末端连接有得电子驻电极板(7)，所述中套(3)内侧设有铝电极一(8)和铝电极二(9)，所述铝电极一(8)与铝电极二(9)沿周向错开布置，所述得电子驻电极板(7)在转轴(5)及自适应伸缩臂(6)的带动下与铝电极一(8)、铝电极二(9)依次接触或分离。
2.如权利要求1所述的自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，其特征在于：所述防水叶片(1)设置有至少两个，至少两个防水叶片(1)沿周向均匀布置，所述防水叶片(1)通过连接筋(18)固定在连接套(19)上，所述转轴(5)顶部穿过上盖板(2)后伸入连接套(19)内，并通过连接套(19)、连接筋(18)由防水叶片(1)带动作旋转运动。
3.如权利要求1或2所述的自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，其特征在于：所述防水叶片(1)横截面呈弧形，且沿竖直方向延伸，所述防水叶片(1)底部设有防水板(17)。
4.如权利要求1所述的自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，其特征在于：所述自适应伸缩臂(6)包括伸缩臂安装架(10)、伸缩杆(11)、永磁体一(12)、永磁体二(13)，所述伸缩臂安装架(10)上安装有可沿径向活动的伸缩杆(11)，所述伸缩杆(11)上套设有永磁体一(12)、永磁体二(13)，所述永磁体一(12)固定在伸缩臂安装架(10)后端，且位于伸缩杆(11)后部，所述永磁体二(13)固定在伸缩杆(11)前部，所述永磁体一(12)与永磁体二(13)相互排斥构成非线性磁力弹簧，所述伸缩杆(11)末端固定有安装板(14)，所述得电子驻电极板(7)粘贴在安装板(14)上。
5.如权利要求4所述的自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，其特征在于：所述伸缩杆(11)中部设置有螺纹，所述永磁体二(13)前侧固定有调节螺母(15)，所述调节螺母(15)旋装于伸缩杆(11)的螺纹段，所述永磁体二(13)通过螺纹段、调节螺母(15)固定在伸缩杆(11)上。
6.如权利要求4所述的自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，其特征在于：所述伸缩臂安装架(10)由安装架底板(20)、前端板一(21)、前端板二(22)和后端板(23)构成，所述伸缩臂安装架(10)纵截面呈E型，所述永磁体一(12)、永磁体二(13)设置在后端板(23)与前端板二(22)之间。
7.如权利要求6所述的自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，其特征在于：所述转轴(5)中部穿过并固定有连接块(24)，所述前端板一(21)固定在连接块(24)上，所述自适应伸缩臂(6)通过前端板一(21)、连接块(24)与转轴(5)连接。
8.如权利要求7所述的自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，其特征在于：所述永磁体一(12)与伸缩臂安装架(10)后端之间还设置有离心力监测压电层(16)。
9.如权利要求8所述的自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，其特征在于：还包括压电无线发射模块和能源管理模块，所述压电无线发射模块、能源管理模块安装在下底板(4)上。
10.如权利要求1所述的自适应宽速度范围摩擦静电风能采集及风速测量装置，其特征在于：所述得电子驻电极板(7)的材料采用氟化乙烯丙烯共聚物。
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