專利名稱:一種葉片式復合風動能量收集器的制造方法
【專利摘要】一種葉片式復合風動能量收集器，包括壓電式能量采集模塊和摩擦式能量采集模塊；壓電式能量采集模塊包括葉片和柔性壓電懸梁臂；葉片與柔性壓電懸梁臂的自由端平行連接，葉片可帶動柔性壓電懸梁臂在框架內(nèi)發(fā)生周期性振動；摩擦式能量采集模塊包括粘貼于柔性壓電懸梁臂表面的運動摩擦層和粘貼于框架內(nèi)表面的固定摩擦層；運動摩擦層與固定摩擦層可在框架內(nèi)發(fā)生周期性相對接觸與分離。本收集器采用摩擦和壓電兩種能量收集方式，提高了能量輸出密度。懸臂梁末端的葉片設(shè)計能夠更好的響應(yīng)風流體的擾動，提高了壓電懸臂梁的振幅和壓電電壓輸出。同時，框架雙弧形阻流結(jié)構(gòu)的設(shè)計能夠增大摩擦層間的接觸面積，提高摩擦電壓輸出。
【專利說明】
一種葉片式復合風動能量收集器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及能量收集轉(zhuǎn)換設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種葉片式復合風動能量收集器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、智能家居、交通運輸、醫(yī)療健康等領(lǐng)域，但是無線傳感節(jié)點的供電問題卻成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的電池供電方式存在著體積大，壽命短，更換難等問題，特別是在偏遠的無人區(qū)。收集環(huán)境中的能量給無線傳感節(jié)點供電是一種取代電池的有效方式。
[0003]風能作為一種無污染和可再生的清潔能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ貏e是對沿海島嶼，交通不便的邊遠山區(qū)，地廣人稀的草原牧場，以及遠離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。即使在發(fā)達國家，風能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視。收集風能給在戶外工作的無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線傳感節(jié)點、嵌入式低功耗電子器件供電有著廣闊的前景，正受到越來越廣泛的研究，各種結(jié)構(gòu)的風動能量收集器層出不窮。其中最常見的結(jié)構(gòu)有風車結(jié)構(gòu)、共振腔結(jié)構(gòu)和懸臂梁結(jié)構(gòu)。目前，能夠取得高輸出的風動能量收集器往往體積大、結(jié)構(gòu)復雜?，F(xiàn)有的懸臂梁結(jié)構(gòu)風動能量采集器雖然結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但其工作頻率高，振幅小，導致電壓輸出低，難以取得理想的功率輸出。
[0004]鑒于以上問題，有必要提出一種能夠在低風速的情況下，實現(xiàn)風能向電能高效轉(zhuǎn)化，具有高振幅、高輸出的特點的風動能量收集器，以解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本實用新型提供一種高振幅、高輸出的葉片式復合風動能量收集器。
[0006]為達到上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種葉片式復合風動能量收集器，其特征在于:包括壓電式能量采集模塊和摩擦式能量采集模塊；
[0008]所述壓電式能量采集模塊包括葉片和柔性壓電懸梁臂;所述葉片與柔性壓電懸梁臂的自由端連接，葉片可帶動柔性壓電懸梁臂在框架內(nèi)發(fā)生周期性振動；
[0009]所述摩擦式能量采集模塊包括粘貼于柔性壓電懸梁臂表面的運動摩擦層和粘貼于框架內(nèi)表面的固定摩擦層;所述運動摩擦層與固定摩擦層可在框架內(nèi)發(fā)生周期性相對接觸與分尚；
[0010]所述框架通過墊片與柔性壓電懸梁臂在其末端進行固定;所述框架與固定摩擦層之間還粘貼有電極層。
[0011 ]所述葉片與柔性壓電懸梁臂的自由端通過合頁平行連接。
[0012]所述運動摩擦層為金屬摩擦層，對稱粘貼于柔性壓電懸梁臂的上下表面。
[0013]所述固定摩擦層為聚二甲基硅氧烷摩擦層，具有多個金字塔微結(jié)構(gòu)摩擦單元。
[0014]所述葉片的形狀可為正方形、長方形、圓形、菱形。
[0015]所述框架為阻流體結(jié)構(gòu)。
[0016]所述框架的形狀為雙弧形或梭形。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型針對懸臂梁結(jié)構(gòu)風動能量收集器低振幅、低輸出的問題，設(shè)計了一種葉片式復合風動能量收集器。該收集器能夠在低風速下，實現(xiàn)風能向電能的高效轉(zhuǎn)化。摩擦和壓電兩種能量收集方式同時工作提高了該收集器的能量輸出密度。懸臂梁末端的葉片設(shè)計能夠更好的響應(yīng)風流體的擾動，提高了壓電懸臂梁的振幅和壓電電壓輸出。同時，雙弧形(梭形)阻流的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠增大摩擦材料間的接觸面積，提高摩擦電壓輸出。
【附圖說明】

[0018]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)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實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1為本實用新型提供的葉片式復合風動能量收集器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本實用新型提供的葉片式復合風動能量收集器工作原理圖；
[0021]圖3為本實用新型提供的葉片式復合風動能量收集器中摩擦式能量采集模塊電荷轉(zhuǎn)移圖；
[0022]圖4為本實用新型提供的葉片式復合風動能量收集器的輸出特性測試圖表。
[0023]附圖中涉及的附圖標記和組成部分說明:
[0024]1、框架;2、墊片；3、柔性壓電懸梁臂;4、電極層;5、固定摩擦層;6、運動摩擦層;7、葉片;8、游禍。
【具體實施方式】
[0025]現(xiàn)有技術(shù)中風動能量收集器能夠取得高輸出的往往體積大、結(jié)構(gòu)復雜。現(xiàn)有的懸臂梁結(jié)構(gòu)風動能量采集器雖然結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但其工作頻率高，振幅小，導致電壓輸出低，難以取得理想的功率輸出。
[0026]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了能夠在低風速的情況下，實現(xiàn)風能向電能高效轉(zhuǎn)化，具有高振幅、高輸出的特點的風動能量收集器。一種葉片式復合風動能量收集器，具有兩種電壓輸出方式相互配合，壓電式和摩擦式，包括壓電式能量采集模塊和摩擦式能量采集模塊。
[0027]壓電式能量采集模塊中包括葉片和柔性壓電懸梁臂，葉片與柔性壓電懸梁臂的自由端連接，葉片可帶動柔性壓電懸梁臂在框架內(nèi)發(fā)生周期性振動。
[0028]摩擦式能量采集模塊包括粘貼于柔性壓電懸梁臂表面的運動摩擦層和粘貼于框架內(nèi)表面的固定摩擦層，運動摩擦層與固定摩擦層可在框架內(nèi)發(fā)生周期性相對接觸與分離。
[0029]框架通過墊片與柔性壓電懸梁臂在其末端進行固定，框架與固定摩擦層之間還粘貼有電極層。
[0030]其中，葉片與柔性壓電懸梁臂的自由端通過合頁平行連接。
[0031]作為優(yōu)選的，運動摩擦層為金屬摩擦層，對稱粘貼于柔性壓電懸梁臂的上下表面，固定摩擦層為聚二甲基硅氧烷摩擦層，具有多個金字塔微結(jié)構(gòu)摩擦單元。
[0032]葉片的形狀可為正方形、長方形、圓形、菱形，形狀可多樣，并不限定于該四種形狀之一的任意一種?？蚣転樽枇黧w結(jié)構(gòu)，可為雙弧形或者梭形，形狀也可多樣，并不限定該兩種形狀之一的任意一種。
[0033]下面將通過【具體實施方式】對本實用新型的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0034]參見圖1所示:葉片式復合風動能量收集器，包括壓電式能量采集模塊和摩擦式能量采集模塊，壓電式能量采集模塊包括葉片7和柔性壓電懸梁臂3，葉片7與柔性壓電懸梁臂3的自由端通過合頁平行連接，其連接方式不限，葉片7能夠更好的響應(yīng)風流體的擾動，在風的驅(qū)動下，葉片7可帶動柔性壓電懸梁臂7在框架I內(nèi)發(fā)生周期性振動，從而使得柔性壓電懸梁臂7發(fā)生形變，實現(xiàn)電能輸出，葉片的形狀不限，葉片的存在提高了柔性壓電懸梁臂的振幅，從而也提高了壓電電壓的輸出強度。
[0035]摩擦式能量采集模塊包括粘貼于柔性壓電懸梁臂3表面的運動摩擦層6和粘貼于框架I內(nèi)表面的固定摩擦層5，運動摩擦層6與固定摩擦層5可在框架I內(nèi)發(fā)生周期性相對接觸與分離，將風能轉(zhuǎn)換為電能。
[0036]壓電式能量采集和摩擦式能量采集兩種能量采集方式同時工作，提高風能收集器在低風速環(huán)境下的能量密度輸出。
[0037]收集器的框架I為阻流體結(jié)構(gòu)，且可為雙弧形或梭型結(jié)構(gòu)，減少了氣流的阻力，保證了氣流的穩(wěn)定，同時弧形內(nèi)壁的設(shè)計，提高了運動摩擦層6與固定摩擦層5的接觸面積，使得運動摩擦層6和固定摩擦層5碰撞時充分貼合和擠壓，提高摩擦電壓輸出?？蚣躀通過墊片2與柔性壓電懸梁臂3在其末端進行固定，與固定摩擦層5之間還粘貼有電極層4。
[0038]柔性壓電懸臂梁3的振動主要由卡門渦街效應(yīng)引起?？ㄩT渦街是流體力學中的重要現(xiàn)象，在一定條件下，當流體繞過阻流體時，阻流體后面兩側(cè)會周期性地脫落出方向相反、排列規(guī)則的雙列漩渦。在本收集器中，當風從如圖2所示方向吹過雙弧形阻流結(jié)構(gòu)的框架I時，葉片7的兩側(cè)會產(chǎn)生方向相反漩渦8和氣壓差，從而形成與葉片7垂直的壓力并驅(qū)動其上下振動，葉片7的振動會帶動與之相連的柔性壓電懸臂梁3以較大的振幅振動。柔性壓電懸臂梁3由于發(fā)生形變則會產(chǎn)生電壓輸出。同時，柔性壓電懸臂梁3振動的時候會帶動固定摩擦層5與運動摩擦層6發(fā)生周期性的碰撞，運動摩擦層6優(yōu)選為金屬摩擦層，固定摩擦層5優(yōu)選為均勻分布多個金字塔微結(jié)構(gòu)摩擦單元的聚二甲基硅氧烷摩擦層。根據(jù)摩擦起電和靜電感應(yīng)原理，兩種摩擦材料的相互接觸、分離會產(chǎn)生電能輸出，兩種摩擦材料碰撞時的接觸面積是影響摩擦輸出的關(guān)鍵因素，本收集器的的雙弧形結(jié)構(gòu)框架I能夠使摩擦層碰撞時充分貼合，從而提高電壓輸出。
[0039]聚二甲基硅氧烷摩擦層和金屬摩擦層周期性碰撞過程中會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，其工作原理是基于摩擦生電與靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)。粘貼在柔性壓電懸臂梁3表面的金屬摩擦層在風的驅(qū)動下與上下兩側(cè)的聚二甲基硅氧烷摩擦層發(fā)生周期性的碰撞。金屬摩擦層易失電子，聚二甲基硅氧烷摩擦層易得電子。兩者相互接觸、分離的過程中電勢差的改變會驅(qū)動電子在外電路轉(zhuǎn)移，從而形成交流電輸出，參見如圖3所示。
[0040]同時，本葉片式復合風動能量收集器在風洞設(shè)備中進行輸出性能測試，風洞設(shè)備可以提供Om/s?15m/s的穩(wěn)定風速。摩擦式能量采集部分和壓電式能量采集部分電壓輸出情況如圖4所示。當風速低于4m/s時，柔性壓電懸臂梁3幾乎不發(fā)生振動，因此兩部分均沒有電壓的輸出。當風速大于4m/s時，隨著風速的增加，兩部分的電壓輸出近似成線性增加。當風速為1m/s時，壓電和摩擦部分的輸出電壓峰值分別為16V和13.4V。
[0041]本實用新型提供的一種葉片式復合風動能量收集器，通過將摩擦式和壓電式能量采集模塊進行結(jié)合設(shè)計，提高了能量輸出密度。增加柔性壓電懸梁臂末端的葉片能夠更好的響應(yīng)風流體的擾動，提高了壓電式能量采集部分的振幅和壓電電壓輸出?？蚣茈p弧形阻流體結(jié)構(gòu)的設(shè)計增大了各個摩擦層的接觸面積，從而提高了摩擦電壓的輸出。
[0042]對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種葉片式復合風動能量收集器，其特征在于:包括壓電式能量采集模塊和摩擦式能量采集模塊； 所述壓電式能量采集模塊包括葉片和柔性壓電懸梁臂;所述葉片與柔性壓電懸梁臂的自由端連接，葉片可帶動柔性壓電懸梁臂在框架內(nèi)發(fā)生周期性振動； 所述摩擦式能量采集模塊包括粘貼于柔性壓電懸梁臂表面的運動摩擦層和粘貼于框架內(nèi)表面的固定摩擦層;所述運動摩擦層與固定摩擦層可在框架內(nèi)發(fā)生周期性相對接觸與分離； 所述框架通過墊片與柔性壓電懸梁臂在其末端進行固定;所述框架與固定摩擦層之間還粘貼有電極層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片式復合風動能量收集器，其特征在于:所述葉片與柔性壓電懸梁臂的自由端通過合頁平行連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片式復合風動能量收集器，其特征在于:所述運動摩擦層為金屬摩擦層，對稱粘貼于柔性壓電懸梁臂的上下表面。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片式復合風動能量收集器，其特征在于:所述固定摩擦層為聚二甲基硅氧烷摩擦層，具有多個金字塔微結(jié)構(gòu)摩擦單元。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片式復合風動能量收集器，其特征在于:所述葉片的形狀可為正方形、長方形、圓形、菱形。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片式復合風動能量收集器，其特征在于:所述框架為阻流體結(jié)構(gòu)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種葉片式復合風動能量收集器，其特征在于:所述框架的形狀為雙弧形或梭形。
【文檔編號】H02N1/04GK205725515SQ201620323099
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】劉會聰, 夏月冬, 陳濤, 孫立寧, 劉文杰
【申請人】蘇州大學