[发明专利]无叶片风力发电机

说明书

本申请要求由本发明人于2010年8月30日提交的美国临时专利申请No61/378068的权益。该临时专利申请的全部内容作为引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及通过风的运动能量来发电。

背景技术

当前的风力发电机总体上采用风力涡轮机和电机来发电。这些系统是低效的，并且构造和维护起来是昂贵的。它们还是嘈杂的、不耐损坏的，并且相对难以运输和组装^1,2。它们还涉及安全和环境问题。不幸地，尽管已经提出了一些方法，但是紧凑的、模块化的、无叶片的风力发电系统是不存在的。其发展的潜在优点包括减少噪音、尺寸和成本，同时与改善的便携性、效率和成本效益结合。

无叶片的风力发电机的设计的最普遍方法是基于电动力学现象，其涉及静电和处于液相的带电介质之间的相互作用。电动系统需要设计成将空气运动转换为液体运动，并分离和采集用于电输出的电荷。气-液和液-固界面必须包含在这样的系统中，导致十分低的转换效率和高制造成本。例如，Marks1977³年的美国专利2406396“Charged aerosol generator with uni-electrode source”提出了一种无叶片式离子风发电机，其通过使用风将带电气溶胶(水滴)从一个电极泵送到另一个电极来直接生产电能，而不需要任何移动部件。显然，为了使带电气溶胶从一个电极移动到另一个电极损失了风的大部分动能。Daniel Y Kwok等人的“Electrokinetic microchannel battery by means of electrokinetic and microfluidic phenomena”,Journal of Micromechanics and Microengineering,13,964-970,2003⁴提出了一种从微通道中的压力驱动液体流中提取能量的微流体方法。

然而，该方法也呈现低效率和高成本，因为其需要额外的能量吸收过程以在微通道中驱动液体流，在微通道中，由于在液体和微通道壁之间的界面中存在电偶层，所以仅感生微弱的电流。

发明内容

本发明是一种将风的运动转换为电力的新方法。该方法基于压电效应的作用，即某些材料的熟知特性，当这些材料经受应变和应力时产生电力。例如，在诸如麦克风等装置中，声音振动可在压电晶体上产生足够的应力和应变以产生电流。基于纳米科技的最近成就，现在可以组装新的、低成本的、微尺寸的晶体以制造更有效的压电材料。

本发明的第一实施例包含压电材料，其作为元件插入独特设计的气道(air jet tunnel)的侧壁中以形成无叶片的风能-电力(Wind Energy to Power,WEP)系统。更确切地说，该系统使用(1)薄的黄铜层，夹在两个聚偏氟乙稀(PVDF)层之间以形成具有高压电转换效率的悬臂；(2)独特的气道和具有高性能系数的声子连串构造(phononic cascade configuration)；以及(3)紧凑的模块化发电单元设计。

本发明第一实施例具有优于现有技术的以下优点：

·无叶片：WEP系统不包含旋转的叶片或机械移动部件。

·静音作业：因为不包含机械移动部件，WEP系统十分安静，而机械移动部件是声振动的主要来源，并且悬臂阵列由不会产生可由人类感知的声频的压电聚合物制成。独特的声子结构设计和声音屏蔽外壳会有效地抑制声音传播。

·模块化：WEP系统通过可重复且模块化的小基本单元得以组装，其充当可组合为任意尺寸和形状以提供风力发电机的构建块。

·高效率：独特的WEP设计包括其成串下落的（cascading）声子阵列和气道构造、PVDF-黄铜-PVDF夹层悬臂、悬臂与内壁的高表面面积比、进气窗与出气窗的特定比例以及纵横比(气道的平均横截面与长度之比)，以确保WEP系统具有十分高的能量转换效率。

·低成本：与基于现有风力涡轮发电机或动电学的方法不同，WEP技术不需要昂贵的器材和微结构制造工艺。WEP技术维护较少、高度耐用并且极具成本效益。

·结实且轻量：诸如气道、框架和外壳材料等所有使用的材料是轻且结实的。

这些优点可通过以下独特的创新来实现：

·具有侧悬臂阵列的小型气道的应用；

·作为动电转换装置的PVDF-黄铜-PVDF夹层压电悬臂的合并；