一种叶片式复合风动能量收集器制造技术

一种叶片式复合风动能量收集器，包括压电式能量采集模块和摩擦式能量采集模块；压电式能量采集模块包括叶片和柔性压电悬梁臂；叶片与柔性压电悬梁臂的自由端平行连接，叶片可带动柔性压电悬梁臂在框架内发生周期性振动；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；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。本收集器采用摩擦和压电两种能量收集方式，提高了能量输出密度。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，框架双弧形阻流结构的设计能够增大摩擦层间的接触面积，提高摩擦电压输出。

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本技术提供一种高振幅、高输出的叶片式复合风动能量收集器。为达到上述目的，本技术采用的技术方案是：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，本技术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技术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技术的一些实施例，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为本技术提供的叶片式复合风动能量收集器结构示意图；图2为本技术提供的叶片式复合风动能量收集器工作原理图；图3为本技术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为本技术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，本技术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。压电式能量采集模块中包括叶片和柔性压电悬梁臂，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。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，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。框架通过垫片与柔性压电悬梁臂在其末端进行固定，框架与固定摩擦层之间还粘贴有电极层。其中，叶片与柔性压电悬梁臂的自由端通过合页平行连接。作为优选的，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，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。叶片的形状可为正方形、长方形、圆形、菱形，形状可多样，并不限定于该四种形状之一的任意一种。框架为阻流体结构，可为双弧形或者梭形，形状也可多样，并不限定该两种形状之一的任意一种。下面将通过具体实施方式对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。参见图1所示：叶片式复合风动能量收集器，包括压电式能量采集模块和摩擦式能量采集模块，压电式能量采集模块包括叶片7和柔性压电悬梁臂3，叶片7与柔性压电悬梁臂3的自由端通过合页平行连接，其连接方式不限，叶片7能够更好的响应风流体的扰动，在风的驱动下，叶片7可带动柔性压电悬梁臂7在框架1内发生周期性振动，从而使得柔性压电悬梁臂7发生形变，实现电能输出，叶片的形状不限，叶片的存在提高了柔性压电悬梁臂的振幅，从而也提高了压电电压的输出强度。摩擦式能量采集模块包括粘贴于柔性压电悬梁臂3表面的运动摩擦层6和粘贴于框架1内表面的固定摩擦层5，运动摩擦层6与固定摩擦层5可在框架1内发生周期性相对接触与分离，将风能转换为电能。压电式能量采集和摩擦式能量采集两种能量采集方式同时工作，提高风能收集器在低风速环境下的能量密度输出。收集器的框架1为阻流体结构，且可为双弧形或梭型结构，减少了气流的阻力，保证了气流的稳定，同时弧形内壁的设计，提高了运动摩擦层6与固定摩擦层5的接触面积，使得运动摩擦层6和固定摩擦层5碰撞时充分贴合和挤压，提高摩擦电压输出。框架1通过垫片2与柔性压电悬梁臂3在其末端进行固定，与固定摩擦层5之间还粘贴有电极层4。柔性压电悬臂梁3的振动主要由卡门涡街效应引起。卡门涡街是流体力学中的重要现象，在一定条件下，当流体绕过阻流体时，阻流体后面两侧会周期性地脱落出方向相反、排列规则的双列漩涡。在本收集器中，当风从如图2所示方向吹过双弧形阻流结构的框架1时，叶片7的两侧会产生方向相反漩涡8和气压差，从而形成与叶片7垂直的压力并驱动其上下振动，叶片7的振动会带动与之相连的柔性压电悬臂梁3以较大的振幅振动。柔性压电悬臂梁3由于发生形变则会产生电压输出。同时，柔性压电悬臂梁本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一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。2.根据权利要求1所述的一种叶片式复合风动能量收集器，其特征在于：所述叶片与柔性压电悬梁臂的自由端通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘会聪，夏月冬，陈涛，孙立宁，刘文杰，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32