[发明专利]带质量块的微型振动式风力发电机

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)领域，特别涉及到将风能转换为电能的MEMS微能源(Power MEMS)技术。

背景技术

集成电路和MEMS技术的发展使具有成千上万个节点的无线传感网络的构建成为可能，由于传统电池尺寸大、寿命有限和需要更换等缺点，使其在无线传感网络中的应用受到了限制。将环境能(如振动能、热能、太阳能等)转换为电能的微能源不需携带化学原料，具有尺寸小、寿命长、可以和微传感器系统一体化设计等优点，是解决无线传感网络等的能源问题的最有效途径之一。基于风致振动机理的MEMS微型振动式风力发电机利用风载荷引起的微结构振动将环境风能转换为微结构振动能，进一步利用电磁效应、压电效应或静电效应将微结构振动能转换为电能，实现对负载或储能器的供电，其具有结构简单、不含转动部件等诸多优点，在环境监测、建筑物健康监测等无线传感网络等方面有广阔应用前景。

微型振动式风力发电机输出的电能需要通过电源管理电路进行整流和储能后，方可为负载供电，该电源管理电路本身也需要消耗部分电能，当发电机输出功率过低时，其产生的电能大部分被电源管理电路消耗，难以被应用对象利用。微型振动式风力发电机的输出功率由发电机振动部分的振幅决定，而该振幅直接依赖于环境风速的大小。根据风载荷的特点可知，风对结构施加的风载荷包含静风载荷和动风载荷两部分，其中动风载荷的频率随着风速的增加而增加，当环境风速达到某个值(临界风速)时，动风载荷的频率接近或达到微型振动式风力发电机振动部分的固有频率，发电机的振动部分将产生强烈振动，使其振幅达到某个值(临界振幅)以上，发电机才能正常应用(即为应用对象正常供电)。重庆大学申请的发明专利“基于风致振动机理和压电效应的微型风力发电机”(申请号：200910104106.5)提出了以含压电层的振动梁/膜结构为基础的微型风力发电机结构，但由于该发电机结构不包含质量块，固有频率高，因此只有在风速很大的环境(如位于飞行器表面、高速列车表面等)才能正常应用，极大地限制了其应用范围。无线传感网络在大型建筑物健康监测、国土安全监测、大气监测等领域均有广阔应用前景，这些应用环境在大部分时间内的风速均不大(15m/s以下)，为了将基于风致振动机理的微型风力发电机应用于这些中、低风速环境，必须降低发电机正常工作的风速，本发明提出了可以在更低风速下正常工作的基于风致振动机理的微型风力发电机新结构。

发明内容

本发明的目的是提出利用一种微型振动式风力发电机结构，以降低微型振动式风力发电机正常应用的临界风速。

为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

带质量块的微型振动式风力发电机是在微型振动式风力发电机的振动部分增加一个或多个质量块。发电机是由衬底、振动梁/膜和由该振动梁/膜支承的质量块构成，其中振动梁/膜和质量块构成了发电机的振动部分。带质量块的微型振动式风力发电机的振动梁/膜可采用悬臂梁、两端固支梁、多根单端固支梁或周边固支的膜。质量块固定于振动梁/膜的振幅较大的可动部分(如悬臂梁的自由端、两端固支梁的中心附近、多根单端固支梁相互连接点附近，或边界固支膜的中心附近)的上表面或小表面，或同时位于该可动部分的上表面和小表面。该振动梁/膜包含有压电层，压电层的上、下表面均设置有电极。本发电机利用风载荷引起的振动梁/膜振动，将环境风能转换为振动梁/膜的振动能，振动梁/膜的振动将引起其上的压电层应力的交替变化，由于压电效应，在压电层的上下表面将产生电势差，利用该电势差可实现对负载或储能器的供电。

本风力发电机在振动梁/膜的可动部分增加质量块，降低了发电机振动部分的固有频率，该固有频率的降低使发电机振动部分在更低风速作用下产生强烈振动。因此该质量块的引入将有效降低基于风致振动机理的微型风力发电机正常应用的临界风速的目的。

本发明具有以下特点：

1、本发明引入的质量块将降低微型振动式风力发电机振动部分的自振频率，使发电机振动部分在更低风速作用下产生强烈振动。

2、本发明提出的带质量块的微型振动式风力发电机，其振动梁/膜可采用悬臂梁、两端固支梁、多根单端固支梁或周边固支的膜。

3、本发明提出的带质量块的微型振动式风力发电机，其质量块位于振动梁/膜的振幅较大的可动部分(如悬臂梁的自由端、两端固支梁的中心附近、多根单端固支梁相互连接点附近，或边界固支膜的中心附近)的上表面或下表面，或同时固定于振动梁/膜的振幅较大的可动部分的上、下表面。