盒式风力发电装置及发电装置组制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种盒式风力发电装置及发电装置组。盒式风力发电装置，包括盒体、第一能量采集单元及第一连接件。盒体包括柔性壳和刚性壳，柔性壳和刚性壳围成至少一个密封腔，第一能量采集单元包括压电膜和设于压电膜的两侧的电极，第一能量采集单元覆于柔性壳的内壁上并且位于密封腔内，第一连接件的一端固定于柔性壳上从而使第一连接件连接于盒体上并且至少一部分第一连接件位于密封腔的外侧。

【技术实现步骤摘要】
盒式风力发电装置及发电装置组
本专利技术涉及风力发电
，尤其是一种盒式风力发电装置及发电装置组。
技术介绍
智慧城市、大型基础设施健康监测、环境监测等领域对无线传感器网络技术具有十分迫切的需求，而无线传感器节点是构建无线传感器网络的基本单元。现有的无线传感器节点大多采用传统的化学电池来供电，这些化学电池携带的能量有限，在工作过程中需要更换或充电，对于节点众多的无线传感器网络而言，电池的更换或充电不仅需要消耗大量的时间、资金和人力，甚至在有的情况下是难以完成的，例如对于设置于危险环境中的无线传感器节点。风能是自然界广泛存在的一种绿色可再生能源，将风能转换为电能的微小型风力发电装置具有工作寿命长、无污染等优点，可用于替代化学电池来为无线传感器节点供电。微小型风能发电装置主要有两种结构，第一种是与大型风能发电装置类似的涡轮式风力发电装置，另一种是基于风致振动现象的风力发电装置。其中，第一种的结构比较复杂，而且随着尺度的较小，其启动风速较高。第二种结构更为简单，更易于微型化。但是无论是涡轮式风力发电装置，还是基于风致振动现象的风力发电装置，都只有在风速大于切入风速(启动风速)并在特定范围内变化时才有较高的电学输出。再者，根据机电转换原理的不同，可以将发电装置分别为微小型风能发电装置压电式发电装置、静电式发电装置、电磁感应式发电装置、摩擦式发电装置。相较于其他的发电装置，其中的压电式发电装置不需要外部电压输入，制造过程容易，功率密度相对较高，更容易微型化。但是，应用于大型基础设施健康监测、环境监测等领域的无线传感节点需要在野外长期工作，为其供电的微小型风力发电装置也需要长期工作于野外环境。基于风致振动的压电式风力发电装置利用压电复合梁/膜将振动能转换为电能，目前报道的压电式风力发电装置的压电复合梁/膜是直接暴露于外部环境的，日晒雨淋会导致压电材料的压电性大幅衰减，环境中的水分(包含酸碱液体)会对引出电极等产生腐蚀，空气中的灰尘易于附着于薄膜并改变薄膜的动力学性能，因此，现有的压电式风力发电装置的稳定性和可靠性难以满足在野外长期稳定工作的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结构简单并且适用于野外长期工作的压电式风力发电装置。为了解决上述技术问题，本专利技术提供的盒式风力发电装置，包括盒体、第一能量采集单元及第一连接件。盒体包括柔性壳和刚性壳，柔性壳和刚性壳围成至少一个密封腔，第一能量采集单元包括压电膜和设于压电膜的两侧的电极，第一能量采集单元覆于柔性壳的内壁上并且位于密封腔内，第一连接件的一端固定于柔性壳上从而使第一连接件连接于盒体上并且至少一部分第一连接件位于密封腔的外侧。本专利技术中提供的盒式风力发电装置通过将位于密封腔的外侧的第一连接件的部分安装在某一物体上之后，柔性壳和刚性壳各作为组成盒体的一部分，刚性壳在风的作用下的运动势必会带动柔性壳的变形，而且第一连接件和柔性壳连接，因此刚性壳通过柔性壳和第一连接件间接连接，第一连接件和刚性壳不直接连接，所以在风的作用下，柔性壳随着盒体的风致振动发生变形，从而引起压电膜内的应力发生变化，进一步导致两侧的电极间的电压发生变化，该电压通过后续的管理电路就可以为负载供电。并且，当盒体振动的时候，刚性壳不会发生变形，盒体的振动完全是由柔性壳的变形引起的。再者，本申请中采用了全封闭的盒体，将能量采集单元设于盒体内部的密封腔内，以避免雨水、灰尘对能量采集单元造成影响，满足在野外长期稳定工作的要求。除此以外，本申请中的发电装置体积小、结构紧凑。本申请中的柔性壳和刚性壳围成至少一个密封腔不仅包括柔性壳和刚性壳这两者直接围成至少一个密封腔，还包括柔性壳、刚性壳、第一连接件的第一端三者围成少一个密封腔的情况。可选的，盒式风力发电装置还包括底座，第一连接件的另一端(也就是位于密封腔的外侧的第一连接件的部分)固定于底座上，底座可以和地面、桌面、建筑物表面、树枝等连接；底座不一定位于盒体的下侧，底座和盒体的位置关系根据安装条件确定。在其他的实施例中，比如将底座连接于桥梁主梁的下面时，此时底座位于盒体的上侧。可选的，为了避免日晒、雨淋、灰尘、腐蚀性物质等对压电膜的性能造成影响，盒体的刚性壳和柔性壳将选用质量轻、不透水、耐腐蚀的材料，例如，刚性壳可选用铝、玻璃钢、塑料等材料，柔性壳可选用聚合物薄膜、塑料薄膜等材料，选用质量轻的材料有利于加强盒体的风致振动。第一连接件和底座可选用高强度、不透水、耐腐蚀的材料，如不锈钢、铝、或塑料等材料。由于盒体外壳将压电膜与外部环境隔离，有效隔离了外部环境对压电风力发电装置的影响，因此本专利技术提出的压电风力发电装置具有在野外长期工作的潜力。可选的，压电膜可以由锆钛酸铅(PZT)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氮化铝(AlN)或压电纤维复合材料(MFC)等压电材料制成，且压电膜的上、下表面均涂覆有金属(如铝等)作为引出电极与外部电路连接。可选的，盒式风力发电装置还包括第二能量采集单元，第二能量采集单元可以为压电复合梁，即在部分表面上覆有压电膜的梁，压电膜的两侧均设置有金属电极。第二能量采集单元位于密封腔内，压电复合梁的一端固定于第二连接件上，压电复合梁的另一端设有弯折并和刚性壳的内壁连接。第二能量采集单元的设置可以增加采能效率，但会导致工作风速提高。并且通过弯折的设定将反弯点外移，本申请中的外移指的是向远离盒体的中心的方向移动。弯折可以是压电复合梁直接弯折形成的，也可以是弹簧或者其他可以伸缩的结构。可选的，第一连接件和盒体的形状可以为旋转体或非旋转体，旋转体包括圆柱形、球形、圆锥、圆台、球缺，非旋转体包括棱柱形或椭圆柱形。例如当盒体是圆柱形这种旋转体时，侧面及圆柱形的侧面，水平方向上的各个方向的风都对刚性壳施加力的作用，因此发电装置正常工作的风向范围非常大。当盒体具有中心轴的时候，例如盒体为旋转体的时候，第一连接件可以偏离盒体的轴心，也就是说，柔性壳固定于连接件的位置可以偏离其中心，此时，如果有多个第二能量采集单元，则不同的第二能量采集单元的长度可以是不相同的，此时，风力发电装置对不同方向的风的采集效率是不同的，这种设置对风向相对变化不大的环境更为合适。第一能量采集单元从第一连接件的一端向柔性壳的边缘延伸。第二能量采集单元从第二连接件的一端向刚性壳延伸。可选的，柔性壳具有反弯点连成的反弯线，第一能量采集单元位于反弯线内。上述在盒式压电风力发电装置在风致振动过程中，不同位置的压电层的应变不一定是同步的。对在圆柱形盒体内部有第二能量采集单元和无第二能量采集单元的风力发电装置而言，其运动形式和压电层的应变情况是相似的，为了便于叙述，下面仅对盒体内无第二能量采集单元的情况进行简单分析。当盒体的风致振动是上、下方向的平动时，柔性壳和第一能量采集单元会产生弯曲，并存在反弯点(距轴心特定的距离，在反弯点处是弯矩和应变为0，反弯点距离轴的距离由采集器上、下方向振动的阵型决定，可通过有限元方法进行模态分析后得到)，反弯点以内(指距离轴心的距离小于反弯点半径)和以外(指距离轴心的距离大于反弯点半径)的应变是异号的，为了便于将产生的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种盒式风力发电装置，其特征在于，包括：/n盒体，包括柔性壳和刚性壳，所述柔性壳和所述刚性壳围成至少一个密封腔，/n第一能量采集单元，包括压电膜和设于所述压电膜的两侧的电极，所述第一能量采集单元覆于所述柔性壳的内壁上并且位于密封腔内，及/n第一连接件，所述第一连接件的一端固定于所述柔性壳上从而使所述第一连接件连接于所述盒体上并且至少一部分第一连接件位于所述密封腔的外侧。/n

【技术特征摘要】
1.一种盒式风力发电装置，其特征在于，包括：
盒体，包括柔性壳和刚性壳，所述柔性壳和所述刚性壳围成至少一个密封腔，
第一能量采集单元，包括压电膜和设于所述压电膜的两侧的电极，所述第一能量采集单元覆于所述柔性壳的内壁上并且位于密封腔内，及
第一连接件，所述第一连接件的一端固定于所述柔性壳上从而使所述第一连接件连接于所述盒体上并且至少一部分第一连接件位于所述密封腔的外侧。


2.如权利要求1所述的盒式风力发电装置，其特征在于，所述第一能量采集单元从所述第一连接件的所述一端向柔性壳的边缘延伸。


3.如权利要求2所述的盒式风力发电装置，其特征在于，所述柔性壳具有反弯点连成的反弯线，所述第一能量采集单元位于反弯线内。


4.如权利要求3所述的盒式风力发电装置，其特征在于，所述盒体的底面包括至少一部分的柔性壳，所述盒体的侧面为刚性壳，所述盒体的顶面包括至少一部分的柔性壳或所述盒体的顶面均为刚性壳。


5.如权利要求4所述的盒式风力发电装置，其特征在于，所述盒体的底面的柔性壳和所述刚性壳连接的部分设有波纹结构以将所述反弯点外移。


6.如权利要求4所述的盒式风力发电装置，其特征在于，所述盒体的顶面包括至少一部分的柔性壳时，第一能量采集单元有多个，多个能量采集单元分别设于所述盒体的顶面和底面的柔性壳的内壁上，所述盒式风力发电装置还包括第二连接件，所述第二连接件的...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺学锋，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50