一种高效压电风能发电机及发电方法

本发明涉及环境风能收集以及自供能无线监测，特别是指一种高效压电风能发电机及发电方法。

背景技术：

1、随着科学技术发展，无线传感器在结构健康监测和环境状况监测等方面已得到了越来越广泛的应用，如建筑、交通、森林、草原、荒漠、海洋等。因其部署广泛且通常采用电池供能，而电池寿命有限、更换成本高、更换后的电池还容易带来环境污染，特殊情况下人员难以到达，因此长期持续稳定且环保的能量供给成为无线传感器长期稳定使用的瓶颈。从无线传感器周围环境中收集能量是一种潜在的替代现有电池供电的方法。

2、考虑到风在监测环境中广泛存在，是一种可再生的环保能源，若采用合理高效的能量收集方法将部分风能转化为电能存储起来并为无线传感器网络供能，有望实现无线传感器网路的长期自供能稳定工作。如在轨道交通中桥梁上和隧道中普遍存在因列车运行或正常空气流动产生的风能，且持续时间长；在草原和荒漠中风能也普遍存在。关于风能收集，目前多数采用了风致振动效应进行能量收集研究，但是该种能量收集方式能量输出效率不高，此外多数俘能器进行针对单一风向进行能量收集，但交通、草原或者荒漠环境中的风向通常是不定的，因此对不同风向下俘能器的适用性不强。

3、公告号为cn107453647a的中国发明专利公开了一种宽速度域磁力耦合压电风能采集器，该结构采用磁铁之间的斥力及磁铁与线圈的相对运动进行发电，装置的机械结构相对复杂且多处用到了磁铁，制作不便。公告号：cn113676080a的中国发明专利公开了一种多方向的微小型压电风能采集器，该风能采集器是采用风致振动进行能量收集，压电材料与弹性基层直接粘贴，该情况下压电材料变形较小能量输出效率相对较低。

4、针对上述情况，有必要研发一种能适用于多风向的结构简单、性能可靠且能充分发挥压电材料性能的压电风能发电机。

技术实现思路

1、本发明提供了一种高效压电风能发电机及发电方法，本发明的实施例提供如下方案：

2、一方面，本发明实施例提供一种高效压电风能发电机，包括外框架，在所述外框架的顶部安装有用于收集风能的风轮，在所述外框架内安装有俘能单元，所述风轮与所述俘能单元通过传动装置连接，所述传动装置将所述风轮的转动运动转换至所述俘能单元的循环位移运动；

3、所述俘能单元包括弹性基层，所述弹性基层的一端为固定端，另一端为活动端，所述活动端连接所述传动装置，所述传动装置带动所述弹性基层的活动端绕着所述固定端循环位移；在所述弹性基层上靠近所述固定端处粘贴有变形放大器，在所述变形放大器上粘贴有压电材料，位于同一所述弹性基层两侧的压电材料的极化方向相反，所述压电材料的两个侧面均涂有建银电极，所述银电极连接导线。

4、优选地，所述外框架包括顺序连接的左片、上片及右片，在所述左片、所述上片及所述右片的后侧设置有后片，在所述左片和所述右片的前侧设置有前片，在所述左片、所述上片、所述右片、所述前片及所述后片的底部设置有固定基座，在所述上片的中间设有轴承孔，所述风轮的中轴通过轴承安装在所述轴承孔内，在所述上片的内侧设有竖轴，在所述左片和所述右片内侧均设有凸出部，在所述凸出部上设有滑槽。

5、优选地，所述传动装置包括齿轮机构，所述齿轮机构的输入齿轮安装在所述风轮的转轴上，且所述输入齿轮位于所述外框架的内侧，所述齿轮机构的输出齿轮安装在所述外框架的内侧，在所述输入齿轮上偏心设置有安装轴一；

6、活动支架上设安装轴二，所述安装轴一和所述安装轴二通过连杆转动连接，所述活动支架两端为滑动端，所述滑动端得以在所述滑槽内滑动；所述弹性基层的活动端活动插入所述活动支架内，所述弹性基层的活动端得以循环位移。

7、优选地，所述活动支架上设有矩形内框，在所述矩形内框内排布有圆管，相邻两个所述圆管间具有一定空隙，所述弹性基层的自由端插入所述空隙内。

8、优选地，在所述弹性基层的两侧分别安装有变形放大器。

9、优选地，所述发电机还包括安装在所述外框架内的固定件，相邻两个所述固定件之间夹有所述弹性基层，所述固定件与所述弹性基层之间夹有绝缘垫片，所述固定件、所述绝缘垫片和所述弹性基层上的螺栓安装孔位置相对应，利用螺栓紧固件连接所述固定件、所述绝缘垫片和所述弹性基层。

10、优选地，所述固定件通过螺栓紧固件安装在所述外框架上。

11、优选地，所述俘能单元至少设置有两个。

12、优选地，所述风轮包括十字架，在所述十字架的端部设置有风兜，在所述十字架的中间设置有中轴。

13、另一方面，本发明实施例提供一种高效压电风能发电方法，所述方法利用所述的高效压电风能发电机，所述发电方法包括：

14、将所述高效压电风能发电机组装完成；

15、风轮在任意水平风吹动下转动，通过传动装置将所述风轮的转动运动转换至所述弹性基层的自动端的循环位移，弹性基层的固定端两侧产生拉压变形，变形放大器将拉压变形通过两个方向放大，带动压电材料产生在两个方向上产生拉压变形，压电材料进行力电转换，将压电材料产生的电荷导出。

16、本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

17、上述方案中，本发明的高效压电风能发电机可以自由放置于铁路桥梁、隧道、草原或者荒漠中进行高效多方向风能收集，在交通基础设施结构健康监测以及生态环境监测等领域的长期稳定供能方面将具有广阔的应用前景；本发明的弹性基层采用了端部加载位移，把压电材料放置于固定端，充分发挥了弹性基层的应变，实现了高效能量输出；在压电材料与弹性基层中间加入了变形放大器，变形放大器采用拉张超材料，变形放大器实现了压电材料在两个方向上的变形，极大地提高能量转换效率，能量转换效率提升在一个数量级左右。

技术特征：

1.一种高效压电风能发电机，其特征在于，包括外框架，在所述外框架的顶部安装有用于收集风能的风轮，在所述外框架内安装有俘能单元，所述风轮与所述俘能单元通过传动装置连接，所述传动装置将所述风轮的转动运动转换至所述俘能单元的循环位移运动；

2.根据权利要求1所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述外框架包括顺序连接的左片、上片及右片，在所述左片、所述上片及所述右片的后侧设置有后片，在所述左片和所述右片的前侧设置有前片，在所述左片、所述上片、所述右片、所述前片及所述后片的底部设置有固定基座，在所述上片的中间设有轴承孔，所述风轮的中轴通过轴承安装在所述轴承孔内，在所述上片的内侧设有竖轴，在所述左片和所述右片内侧均设有凸出部，在所述凸出部上设有滑槽。

3.根据权利要求2所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述传动装置包括齿轮机构，所述齿轮机构的输入齿轮安装在所述风轮的转轴上，且所述输入齿轮位于所述外框架的内侧，所述齿轮机构的输出齿轮安装在所述外框架的内侧，在所述输入齿轮上偏心设置有安装轴一；

4.根据权利要求3所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述活动支架上设有矩形内框，在所述矩形内框内排布有圆管，相邻两个所述圆管间具有一定空隙，所述弹性基层的自由端插入所述空隙内。

5.根据权利要求1所述的高效压电风能发电机，其特征在于，在所述弹性基层的两侧分别安装有变形放大器。

6.根据权利要求1所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述发电机还包括安装在所述外框架内的固定件，相邻两个所述固定件之间夹有所述弹性基层，所述固定件与所述弹性基层之间夹有绝缘垫片，所述固定件、所述绝缘垫片和所述弹性基层上的螺栓安装孔位置相对应，利用螺栓紧固件连接所述固定件、所述绝缘垫片和所述弹性基层。

7.根据权利要求6所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述固定件通过螺栓紧固件安装在所述外框架上。

8.根据权利要求1所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述俘能单元至少设置有两个。

9.根据权利要求1所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述风轮包括十字架，在所述十字架的端部设置有风兜，在所述十字架的中间设置有中轴。

10.一种高效压电风能发电机的发电方法，所述方法利用如权利要求1～9任意一项所述的高效压电风能发电机，其特征在于，所述发电方法包括：

技术总结
本发明公开了一种高效压电风能发电机及发电方法，涉及环境风能收集技术领域。发电机包括外框架、风轮和俘能单元，俘能单元包括弹性基层，弹性基层的活动端通过所述传动装置连接风轮，在弹性基层上靠近固定端处安装有变形放大器，在变形放大器上安装有压电材料，位于同一弹性基层两侧的压电材料的极化方向相反。发电方法包括：风轮在任意水平风吹动下转动，通过传动装置将风轮的转动运动转换至弹性基层的自动端的循环位移，弹性基层的固定端两侧产生拉压变形，变形放大器将拉压变形通过两个方向放大，带动压电材料产生在两个方向上产生拉压变形，压电材料进行力电转换，将压电材料产生的电荷导出。实现了任意水平风能量收集，俘能效率高。

技术研发人员：张之伟,黄建坤,向宏军,王建军
受保护的技术使用者：北京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15