[发明专利]一种叶片式复合风动能量收集器

说明书

技术领域

本发明涉及能量收集转换设备领域，具体涉及一种叶片式复合风动能量收集器。

背景技术

目前，无线传感器网络正广泛应用于环境监测、智能家居、交通运输、医疗健康等领域，但是无线传感节点的供电问题却成为制约其发展的关键因素。传统的电池供电方式存在着体积大，寿命短，更换难等问题，特别是在偏远的无人区。收集环境中的能量给无线传感节点供电是一种取代电池的有效方式。

风能作为一种无污染和可再生的清洁能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。即使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。收集风能给在户外工作的无线传感网络、无线传感节点、嵌入式低功耗电子器件供电有着广阔的前景，正受到越来越广泛的研究，各种结构的风动能量收集器层出不穷。其中最常见的结构有风车结构、共振腔结构和悬臂梁结构。目前，能够取得高输出的风动能量收集器往往体积大、结构复杂。现有的悬臂梁结构风动能量采集器虽然结构简单，体积小，但其工作频率高，振幅小，导致电压输出低，难以取得理想的功率输出。

鉴于以上问题，有必要提出一种能够在低风速的情况下，实现风能向电能高效转化，具有高振幅、高输出的特点的风动能量收集器，以解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种高振幅、高输出的叶片式复合风动能量收集器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种叶片式复合风动能量收集器，其特征在于：包括压电式能量采集模块和摩擦式能量采集模块；

所述压电式能量采集模块包括叶片和柔性压电悬梁臂；所述叶片与柔性压电悬梁臂的自由端连接，叶片可带动柔性压电悬梁臂在框架内发生周期性振动；

所述摩擦式能量采集模块包括粘贴于柔性压电悬梁臂表面的运动摩擦层和粘贴于框架内表面的固定摩擦层；所述运动摩擦层与固定摩擦层可在框架内发生周期性相对接触与分离；

所述框架通过垫片与柔性压电悬梁臂在其末端进行固定；所述框架与固定摩擦层之间还粘贴有电极层。

所述叶片与柔性压电悬梁臂的自由端通过合页平行连接。

所述运动摩擦层为金属摩擦层，对称粘贴于柔性压电悬梁臂的上下表面。

所述固定摩擦层为聚二甲基硅氧烷摩擦层，具有多个金字塔微结构摩擦单元。

所述叶片的形状可为正方形、长方形、圆形、菱形。

所述框架为阻流体结构。

所述框架的形状为双弧形或梭形。

与现有技术相比，本发明针对悬臂梁结构风动能量收集器低振幅、低输出的问题，设计了一种叶片式复合风动能量收集器。该收集器能够在低风速下，实现风能向电能的高效转化。摩擦和压电两种能量收集方式同时工作提高了该收集器的能量输出密度。悬臂梁末端的叶片设计能够更好的响应风流体的扰动，提高了压电悬臂梁的振幅和压电电压输出。同时，双弧形(梭形)阻流的结构设计能够增大摩擦材料间的接触面积，提高摩擦电压输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的叶片式复合风动能量收集器结构示意图；

图2为本发明提供的叶片式复合风动能量收集器工作原理图；

图3为本发明提供的叶片式复合风动能量收集器中摩擦式能量采集模块电荷转移图；

图4为本发明提供的叶片式复合风动能量收集器的输出特性测试图表。

附图中涉及的附图标记和组成部分说明：

1、框架；2、垫片；3、柔性压电悬梁臂；4、电极层；5、固定摩擦层；6、运动摩擦层；7、叶片；8、漩涡。

具体实施方式

现有技术中风动能量收集器能够取得高输出的往往体积大、结构复杂。现有的悬臂梁结构风动能量采集器虽然结构简单，体积小，但其工作频率高，振幅小，导致电压输出低，难以取得理想的功率输出。

针对现有技术的不足，本发明提供了能够在低风速的情况下，实现风能向电能高效转化，具有高振幅、高输出的特点的风动能量收集器。一种叶片式复合风动能量收集器，具有两种电压输出方式相互配合，压电式和摩擦式，包括压电式能量采集模块和摩擦式能量采集模块。