一种风力发电机及风力发电机组的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及新能源领域，公开了一种风力发电机及风力发电机组，该风力发电机包括：由第一条状电极和第二条状电极交错编织形成的若干个叠层单元；其中，所述叠层单元内的所述第一条状电极和所述第二条状电极在风力驱动下发生接触或分离，且所述第一条状电极和所述第二条状电极的发生接触或分离的接触面具有不同的电负性。本实用新型的风力发电机具有轻便、柔软、易于安装等特点，可利用浮空或高空上任意方向的风力进行发电。
【专利说明】
一种风力发电机及风力发电机组
技术领域
[0001]本实用新型涉及新能源领域，具体地，涉及一种风力发电机及风力发电机组。
【背景技术】
[0002]目前，随着对能源需求的不断提高，风力发电受到越来越多的关注，其中主要的一种风力发电设备是风力涡轮机。但是，尽管风力涡轮机已经取得了极大的成功，并装备了全球范围内的风力发电厂，但是人们开发新型风力发电设备的探索却从没有停止过。例如，现有技术中还有一种栓翼式发电机，其利用飘在空中的飞翼拉动绳子，并带动地面上轮子转动发电。对新型风力发电设备的探索主要是由于风力涡轮机本身具有一些缺点:成本高、安装复杂、对生态环境有一定程度的破坏等。此外，风力涡轮机不能满足一些新出现的潜在应用要求，例如浮空平台、高空平台。这些浮空(高空)平台通常悬浮在一定高度的空中，实现环境监测、安全监控、导航定位、无线通信等功能，例如谷歌公司提出的利用热气球浮空平台对偏远地区提供无线通讯的计划。显然，仅储能电池难以实现这些平台的持续工作，且太阳能电池也只能在白天发电，不能作为这些平台的理想能源。相反地，当海拔高度升高时，风力速度会大大增加，且对天气的依赖也降低，因而高空风能就成为这些平台设备的理想能源。这些平台设备对风力发电装置的要求是:轻质、且无需伺服装置实现对不同风向的风力发电。对此，现有技术中包括风力涡轮机等风力发电设备无法满足浮空(高空)类平台设备对高空风能发电的要求。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的是提供一种风力发电机及风力发电机组，用于解决在浮空(高空)平台上利用风力发电的问题。
[0004]为了实现上述目的，本实用新型提供一种风力发电机，该风力发电机包括:由第一条状电极和第二条状电极交错编织形成的若干个叠层单元;其中，所述叠层单元内的所述第一条状电极和所述第二条状电极在风力驱动下发生接触或分离，且所述第一条状电极和所述第二条状电极的发生接触或分离的接触面具有不同的电负性。
[0005]优选地，所述第一条状电极和所述第二条状电极的形状均为长方体，且所述第一条状电极与所述第二条状电极以纵横方式交错编织以形成若干个叠层单元。
[0006]优选地，所述叠层单元内的所述第一条状电极和所述第二条状电极之间具有间隔，且所述叠层单元内的所述第一条状电极和所述第二条状电极中的一者的一对平行的边固定在另一者上。
[0007]优选地，所述若干个叠层单元排列形成旗帜状的风力发电机。
[0008]优选地，所述旗帜状的风力发电机的一侧设置有杆件。
[0009]优选地，各个所述叠层单元中的第一条状电极相互电连接，且各个所述叠层单元中的第二条状电极相互电连接。
[0010]优选地，所述第一条状电极和所述第二条状电极连接有负载电路，用于通过向所述负载电路转移所述第一条状电极和所述第二条状电极发生接触或分离而产生的电荷。
[0011]优选地，所述第一条状电极和所述第二条状电极是由柔性材料制成的电极。
[0012]优选地，所述第一条状电极和所述第二条状电极均包括依次层叠的第一高分子聚合物层、金属层和第二高分子聚合物层。
[0013]优选地，所述第一条状电极和所述第二条状电极中的任意一者包括依次层叠的第一高分子聚合物层、金属层和第二高分子聚合物层，另一者包括依次层叠的第一金属层、高分子聚合物层和第二金属层。
[0014]本实用新型还提供了一种风力发电机组，该风力发电机组包括多个并联的上述的风力发电机。
[0015]通过上述技术方案，本实用新型的有益效果是:本实用新型的风力发电机具有轻便、柔软、易于安装等特点，可利用浮空或高空上任意方向的风力进行发电。
[0016]本实用新型的其它特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0017]附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的【具体实施方式】一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中:
[0018]图1是本发明的实施例中形成的旗帜状的风力发电机的外形示意图；
[0019]图2(a)是本发明的实施例一中的处于初始状态的叠层单元的结构示意图；
[0020]图2(b)是本发明的实施例一中的叠层单元的接触状态示意图；
[0021]图2(c)是本发明的实施例一中的叠层单元的分离状态示意图；
[0022]图2(d)是本发明的实施例一中的叠层单元的再次接触状态示意图；
[0023]图3(a)是本发明的实施例二中的叠层单元的接触状态示意图；
[0024]图3(b)是本发明的实施例二中的叠层单元的分离状态示意图；
[0025]图3(c)是本发明的实施例二中的叠层单元的再次接触状态示意图；
[0026]图4是实施例二中的单个风力发电机在22m/s的风速下的短路电流输出示意图；
[0027]图5是实施例二中的单个风力发电机在不同风速下的短路电流输出示意图；
[0028]图6是实施例二中的单个风力发电机在3m/s、7m/s、19m/s三个风速下短路电流输出示意图。
[0029]图7是多个并联连接的风力发电机在相同风速下的短路电流输出示意图。
[0030]图8是多个并联连接的风力发电机在相同风速下对一个4.7yF的电容器的充电电压曲线图。
[0031]附图标记说明
[0032]I第一条状电极2第二条状电极
[0033]3叠层单元4负载电路
[0034]5高分子聚合物层6金属层
[0035]51第一高分子聚合物层52第二高分子聚合物层
[0036]61第一金属层62第二金属层
【具体实施方式】
[0037]以下结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
[0038]另外，在本实用新型的实施例中所提到的“第一”及“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
[0039]如图1及图2(a)所示，本实用新型的第一实施例提供了一种风力发电机，该风力发电机包括:由第一条状电极I和第二条状电极2交错编织形成的若干个叠层单元3。其中，所述叠层单元3内的所述第一条状电极I和所述第二条状电极2在风力驱动下发生接触或分离，且所述第一条状电极I和所述第二条状电极2的发生接触或分离的接触面具有不同的电负性。
[0040]如图1所示，本实施例中若干个叠层单元3可排列形成旗帜状的风力发电机，该旗帜状的风力发电机的一侧可设置杆件。该杆件的高度可调，从而可通过该杆件可使旗帜状的风力发电机受到各个高度的风力的驱动。本实施例中，所述第一条状电极I和所述第二条状电极2的形状优选为长方体，且所述第一条状电极I与所述第二条状电极2以纵横方式交错编织以形成若干个叠层单元，如此，可使若干个叠层单元的排列更为规则，以形成较为美观的旗帜状风力发电机。
[0041]旗帜状的风力发电机受风力驱动，使得叠层单元内的第一条状电极I和第二条状电极2发生接触或分离，而两个条状电极的发生接触或分离的接触面具有不同的电负性，从而基于摩擦起电原理和静电感应原理，两个条状电极可以产生电荷。此外，所述第一条状电极I和第二条状电极2还通过导线连接有负载电路4，用于将产生的电荷转移至负载电路4以形成电流，在图2(a)中，负载电路4包括电阻R，但并不限制于此，在具体应用中负载电路也可以包括储能电容、可充电电池等。优选地，将各个所述叠层单元3中的第一条状电极I相互电连接，将各个所述叠层单元3中的第二条状电极2也相互电连接，如此，使各个叠层单元3的连接方式类似于电容器的并联连接，从而使多个叠层单元3产生的电荷均转移至负载电路4以形成更大的电流，以满足对风力发电机的更高的用电需求。
[0042]图2(a)示意了图1中的叠层单元3的具体结构。该叠层单元3中，所述第一条状电极I和所述第二条状电极2之间具有间隔，且第一条状电极I和所述第二条状电极2中的一者的一对平行的边固定在另一者上，优选地，将所述第一条状电极I的一对平行的边与对应的所述第二条状电极2的一对平行的边相固定。如此，有利于保证两个条状电极在风力驱动下的结构的稳定性，而使两个条状电极之间具有间隔，可以保证两个条状电极在风力驱动下发生接触或分离。
[0043]因两个条状电极需要能在风力驱动下发生接触或分离，因此所述第一条状电极I和所述第二条状电极2需要具有一定的柔韧性，从而本实施例中的所述第一条状电极I和所述第二条状电极2是优选采用由柔性材料制成的电极。在采用柔性材料制成的电极的基础上，如图2(a)所示，本实施例中的所述第一条状电极I和所述第二条状电极2均包括依次层叠的第一高分子聚合物层51、金属层6和第二高分子聚合物层52。其中，两个条状电极的第一高分子聚合物层51和第二高分子聚合物层52可选用相同的或不同的柔性材料制成，但是需要保证两个条状电极发生接触或分离的接触面具有不同的电负性，且电负性差异要尽量大。优选地，两个条状电极各自的第一高分子聚合物层51和第二高分子聚合物层52采用相同的高分子聚合物制成，而第一条状电极I与第二条状电极2分别采用不同材料制成的各自的第一高分子聚合物层51和第二高分子聚合物层52。该另外，高分子聚合物和金属的厚度可变，但需要尽量保证叠层单元3的柔韧性。
[0044]图2(a)所示意的叠层单元3的形状为风力发电机未受风力驱动时的初始状态。图2(b)在图2(a)的基础上示意了第一条状电极I和第二条状电极2在风力驱动下发生接触的接触状态，由于相接触的两个高分子聚合物层具有不同的电负性，在接触面发生接触起电后，其中一种高分子聚合物层带正电，另一种高分子聚合物层带负电。图2(c)在图2(b)的基础上进一步示意了第一条状电极I和第二亲状电极在接触后发生分离的分离状态，当两个条状电极接触再分离时，分别在各自的金属层中感应出和与对应的高分子聚合物符号相反的电荷，金属层感应出的电荷通过负载电路4发生转移，在负载电路4中形成电流。图2(d)在图2(c)的基础上进一步示意了第一条状电极I和第二条状电极2再次接触时，在负载电路4中产生方向相反的电流。根据图2(a)-图2(d)，如此循环反复，尽管旗帜状的风力发电机的所有叠层单元3的振动并不能完全同步，但仍然可以在负载电路4中测得静电流。
[0045]本实用新型的第二实施例提供了图1中的叠层单元3的另一种具体结构，如图3(a)所示，其与图2(a)所示的第一实施例的叠层单元3的结构的主要区别在于:该实施例的叠层单元3中，所述第一条状电极I和所述第二条状电极2中的任意一者包括依次层叠的第一高分子聚合物层51、金属层6和第二高分子聚合物层52，另一者包括依次层叠的第一金属层
61、高分子聚合物层5和第二金属层62 ο需说明的是，图中的第一高分子聚合物层51、第二高分子聚合物层52与高分子聚合层5的附图标记用于区分叠层结构中不同的高分子聚合物层，不能理解为高分子聚合层5包括第一高分子聚合物层51、第二高分子聚合物层52，金属层的相关附图标记也是如此。第二实施例的风力发电机的其他构成与第一实施例的风力发电机相同，在此不再赘述。
[0046]图3(a)至图3(c)示意了第二实施例中的叠层单元3产生电流的过程。图3(a)示意了第一条状电极I和第二条状电极2在风力驱动下发生接触的接触状态，当两个条状电极接触时，一个条状电极的高分子聚合物层和另一条状电极的金属层发生接触起电，使得高分子聚合物层带负电，而金属层带正电。图3(b)在图3(a)的基础上进一步示意了第一条状电极I和第二条状电极2在接触后发生分离的分离状态，带负电的高分子聚合物层通过静电感应的作用使得第一金属层中的正电荷转移到另一条状电极的金属层，金属层再通过负载电路4转移电荷以产生电流。图3(c)在图3(b)的基础上进一步示意了第一条状电极I和第二条状电极2再次接触时，负载电路4则产生方向相反的电流。根据图3(a)-图3(c)，如此循环反复，当整张旗帜的所有叠层单元3—起振动时，外电路可测得静电流。
[0047]下面以实例在说明第二实施例的风力发电机的电流输出情况。该实例中，第一条状电极I的的第一高分子聚合物层和第二高分子聚合物层的材料为聚酰亚胺，金属层的材料为铜，第二条状电极2的第一金属层和第二金属层的材料为镍，高分子聚合物层的材料为涤纶，其中，聚酰亚胺和铜的厚度均为25μπ?，镍的厚度为ΙΟμ??，涤纶厚度为30μπ?。图4示意了第二实施例的风力发电机经过桥式整流桥后的短路电流，需说明的是，发电机的输出电流为正负方向交变的电流，经过整流后可获得只有正向的电流。该实施的测试条件为:22m/s的风速、风力发电机的大小为20 X 30cm、第一条状电极I和第二条状电极2宽度均为1.5cm。通过图4可知，约10s-30s以及约40s-60秒处为风吹时的电流输出，约30s-40s处为风停时的电流输出，可知当风吹时，在20s内风力发电机最大能产生40mA左右大小的电流。
[0048]图5示意了第二实施例的风力发电机在不同风速下经整流后的短路电流，其中风速大小为3m/s?32m/s，明显可知输出电流随风速增加而增加。
[0049]图6示意了第二实施例的风力发电机在3m/s、7m/s、19m/s三种风速下的电流输出细节。由图6可知，不仅输出电流大小随风速增加而增加，电流频率也随风速增加而增加。这是由于风速越大，风力发电机的抖动频率也越大，从而电流的频率增加。
[0050]在实施例一和实施例二配置好各自的第一条状电极I和第二条状电极2的层叠结构的基础上，可通过以下方法制备旗帜状的风力发电机，具体包括:(I)将两个条状电极分别纵横交错编织成旗帜，在编织时每个编织单元的两条状电极间留有间隙，然后把旗帜四周固定，并把每个编织单元一对相互平行的边固定在一起，另一对相互平行的边不固定；
(2)将两个条状电极上下叠在一起，每间隔一定距离固定在一起，则两个条状电极被分割成一系列叠层单元3，每个旗帜可以排列很多个这样的叠层单元3。
[0051]本实用新型的第三实施例还提出了一种风力发电机组，该风力发电机组包括多个并联的如实施例一或实施例二所述的风力发电机。由于旗帜状的风力发电机为二维结构，故可通过将多个风力发电机并联连接以组成风力发电机组来提高电流输出。图7示意了将实施例二的多个风力发电机并联连接后的电流输出，图中约10s-30s处示意了一个风力发电机的电流输出，约40s_60s处不意了两个风力发电机的电流输出，约750s_95s处不意了三个风力发电机的电流输出，测试的风速为14m/s，可知电流输出的幅值随着风力发电机个数的增加而增加。进一步地，图8是使用实施例二的发电机对电容器进行充电的电压变化曲线，使用单个风力发电机可在10秒内将4.7yF的电容器充电到2.7V，而使用三个并联的风力发电机10秒充电后相同电容器的电压约为8.1V。
[0052]以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。例如，可以将条状电极改变为其他合适进行编织的电极。
[0053]另外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0054]此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。
【主权项】
1.一种风力发电机，其特征在于，该风力发电机包括: 由第一条状电极和第二条状电极交错编织形成的若干个叠层单元； 其中，所述叠层单元内的所述第一条状电极和所述第二条状电极在风力驱动下发生接触或分离，且所述第一条状电极和所述第二条状电极的发生接触或分离的接触面具有不同的电负性。2.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述第一条状电极和所述第二条状电极的形状均为长方体，且所述第一条状电极与所述第二条状电极以纵横方式交错编织以形成若干个叠层单元。3.根据权利要求2所述的风力发电机，其特征在于，所述叠层单元内的所述第一条状电极和所述第二条状电极之间具有间隔，且所述叠层单元内的所述第一条状电极和所述第二条状电极中的一者的一对平行的边固定在另一者上。4.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述若干个叠层单元排列形成旗帜状的风力发电机。5.根据权利要求4所述的风力发电机，其特征在于，所述旗帜状的风力发电机的一侧设置有杆件。6.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，各个所述叠层单元中的第一条状电极相互电连接，且各个所述叠层单元中的第二条状电极相互电连接。7.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述第一条状电极和所述第二条状电极连接有负载电路，用于通过向所述负载电路转移所述第一条状电极和所述第二条状电极发生接触或分离而产生的电荷。8.根据权利要求1至7中任一项所述的风力发电机，其特征在于，所述第一条状电极和所述第二条状电极是由柔性材料制成的电极。9.根据权利要求8所述的风力发电机，其特征在于，所述第一条状电极和所述第二条状电极均包括依次层叠的第一高分子聚合物层、金属层和第二高分子聚合物层。10.根据权利要求8所述的风力发电机，其特征在于，所述第一条状电极和所述第二条状电极中的任意一者包括依次层叠的第一高分子聚合物层、金属层和第二高分子聚合物层，另一者包括依次层叠的第一金属层、高分子聚合物层和第二金属层。11.一种风力发电机组，其特征在于，该风力发电机组包括多个并联的如权利要求1-10中任一项所述的风力发电机。
【文档编号】F03D9/25GK205605361SQ201620118813
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年2月6日
【发明人】蒲雄, 赵振富, 胡卫国, 王中林
【申请人】北京纳米能源与系统研究所