一种基于涡激摆动的俘能器制造技术

本发明专利技术公开一种基于涡激摆动的俘能器，通过设置旋转底座、支撑柱、俘能柱以及接触分离式摩擦发电机，能在水流经过俘能器后，诱发俘能柱发生摆动，进而带动接触分离式摩擦发电机上下摆动，致使接触分离式摩擦发电机内的垂直接触—分离式结构将俘能柱的部分摆动机械能转换为电能，达到了充分收集水流的振动能量并将其高效转换为电能的目的，填补了目前涡激振动在流体能量收集领域的技术空白。通过设置MFC压电片，可利用其发生形变将俘能柱的部分摆动机械能转换为电能。通过设置转盘式摩擦发电机，可将支撑柱的旋转机械能转换为电能，进一步减少能量损失。本发明专利技术实现了同时利用压电和摩擦电模块高效地收集来自四面八方的水流动能，工作效率高。工作效率高。工作效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于涡激摆动的俘能器


[0001]本专利技术涉及发电
，特别是涉及一种基于涡激摆动的俘能器。

技术介绍

[0002]近年来，随着集成电路与微机电系统的日新月异，无线传感器的需求量日益提高，但以化学电池为代表的传统无线传感器供能方式存在着低使用寿命、高维护成本和环境问题等诸多缺点，为了寻找物联网供能的最佳解决方案，人们致力于从环境中收集能量，如太阳能、风能、水能、振动能等，使设备实现自供电并可持续运转。水能作为低成本可再生清洁能源，受到广泛关注。其中，利用涡激振动进行流体能量收集是目前的研究热点之一，实验表明，从俘能效果来看迎流向摆动圆柱的性能最好，远高于平动圆柱，但较少有研究人员研究涡激摆动。因此，本专利技术提出一种基于涡激摆动的俘能器，以充分收集水流的振动能量并将其高效转换为电能，填补目前涡激振动在流体能量收集领域的技术空白。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于涡激摆动的俘能器，以充分收集水流的振动能量并将其高效转换为电能，填补目前涡激振动在流体能量收集领域的技术空白。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]本专利技术提供一种基于涡激摆动的俘能器，包括：
[0006]涡激摆动模块，其包括旋转底座、支撑柱和俘能柱，所述支撑柱的一端与所述旋转底座相连，所述支撑柱上设置有流向标，所述流向标用于在水流冲击作用下带动所述支撑柱转动；所述俘能柱通过弹性悬臂梁连接于所述支撑柱上，且所述弹性悬臂梁与所述支撑柱呈夹角布置，所述俘能柱用于接触水流，并在水流动能作用下相对所述支撑柱发生摆动；
[0007]摩擦电模块，所述摩擦电模块包括接触分离式摩擦发电机，所述接触分离式摩擦发电机包括封闭壳体和设置于所述封闭壳体内的垂直接触
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分离结构，所述封闭壳体连接于所述俘能柱的端部，所述垂直接触
‑
分离结构包括第一电极板、第二电极板和弹性件，所述第一电极板和所述第二电极板平行间隔布置，所述第一电极板和所述第二电极板通过所述弹性件相连，所述第一电极板和所述第二电极板的背表面上均设置有金属电极，所述接触分离式摩擦发电机能够随所述俘能柱摆动，以使所述第一电极板上的所述金属电极和所述第二电极板上的所述金属电极垂直接触并分离，将所述水流动能转换为电能。
[0008]可选的，所述弹性悬臂梁为波浪形弹性悬臂梁，所述波浪形弹性悬臂梁的一端与所述支撑柱相连，另一端与所述俘能柱相连；所述波浪形弹性悬臂梁上设置有MFC压电片，所述波浪形弹性悬臂梁能够在所述俘能柱摆动作用下发生形变，以使所述MFC压电片发生形变并将所述俘能柱的摆动机械能转换为电能。
[0009]可选的，所述波浪形弹性悬臂梁的两端均设置有所述MFC压电片，任意一所述MFC压电片均呈“C”型。
[0010]可选的，所述金属电极为金电极；所述第一电极板上的所述金电极和所述第二电
极板上的所述金电极中的一者表面涂覆有PDMS背电极，另一者表面设置有若干金纳米颗粒。
[0011]可选的，所述支撑柱上下竖直设置，且所述支撑柱的下端与所述旋转底座相连；所述波浪形弹性悬臂梁上的波峰朝向所述支撑柱的上端或下端凸出，以带动所述俘能柱上下摆动。
[0012]可选的，所述封闭壳体为长方体封闭壳体，所述第一电极板和所述第二电极板在所述长方体封闭壳体内上下排布，且所述第一电极板和所述第二电极板均为与所述长方体封闭壳体的内壁滑动配合的矩形电极板。
[0013]可选的，所述俘能柱包括多个第一俘能柱和多个第二俘能柱，任意一所述第一俘能柱和任意一所述第二俘能柱均通过所述弹性悬臂梁与所述支撑柱相连，任意一所述第一俘能柱和任意一所述第二俘能柱的端部均连接有所述接触分离式摩擦发电机；其中，所述第一俘能柱的直径大于所述第二俘能柱的直径，所述第一俘能柱和所述第二俘能柱的设置数量相同，所有所述第一俘能柱和所有所述第二俘能柱以所述支撑柱为中心呈圆周均匀均布，且所述第一俘能柱和所述第二俘能柱间隔交错布置。
[0014]可选的，静止状态下的所述第一俘能柱和所述第二俘能柱均垂直于所述支撑柱，所述第一俘能柱和所述第二俘能柱均靠近所述支撑柱的上端设置，所述流向标靠近所述旋转底座设置。
[0015]可选的，所述摩擦电模块还包括转盘式摩擦发电机，所述转盘式摩擦发电机包括圆柱状盒体和圆形盒盖，所述圆柱状盒体通过连接轴连接于所述支撑柱的上端，所述圆柱状盒体的内底面间隔设置有第一组铝电极和第二组铝电极，所述第一组铝电极和所述第二组铝电极均呈放射状分布，所述第一组铝电极和所述第二组铝电极的极性相反，且所述第一组铝电极和所述第二组铝电极交错分布，所述第一组铝电极和所述第二组铝电极的上方设置有FEP膜作为摩擦层；所述圆形盒盖与所述圆柱状盒体的上部开口密封且转动配合，所述圆形盒盖的下表面设置有第三组铝电极，所述第三组铝电极呈放射状分布，并与所述FEP膜接触；所述圆柱状盒体用于在所述支撑柱的带动下相对所述圆形盒盖转动，以将所述水流动能转换为电能。
[0016]可选的，所述旋转底座包括底座下盖和通过轴承与所述底座下盖转动连接的底座上盖；所述支撑柱与所述底座上盖连接。
[0017]本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0018]本专利技术提出的基于涡激摆动的俘能器，结构新颖合理，通过设置旋转底座、支撑柱、俘能柱以及接触分离式摩擦发电机，能够在水流经过俘能器后，诱发俘能柱发生摆动，进而带动接触分离式摩擦发电机上下摆动，致使接触分离式摩擦发电机内的垂直接触—分离式结构将俘能柱的部分摆动机械能转换为电能，达到了充分收集水流的振动能量并将其高效转换为电能的目的，填补了目前涡激振动在流体能量收集领域的技术空白。
[0019]在本专利技术公开的一些技术方案中，在支撑柱外周设置了多个俘能器，在增强了俘能器结构稳定性的同时，提高了俘能器对水流动能的收集及转换效率。在不同流速和流向下，均会发生至少一个俘能柱的上下摆动，增强了俘能器在不同水流环境下的适应能力，从而增强了该俘能器在水流环境的俘能特性和整体能量转换性能。
[0020]在本专利技术公开的一些技术方案中，在每个弹性悬臂梁上均设置有MFC压电片，俘能
柱在上下摆动时会施加一个横向的力到弹性悬臂梁上，导致弹性悬臂梁发生弹性形变，从而使弹性悬臂梁上的MFC压电片发生形变并将俘能柱的部分摆动机械能转换为电能，进一步减少了能量损失，提升了对水流动能的收集及利用率。
[0021]在本专利技术公开的一些技术方案中，还在支撑柱的顶部设置了转盘式摩擦发电机，在俘能柱在水流动能作用下发生摆动的过程中，流向标在水流动能作用下带动支撑柱发生转动，在此过程中，转盘式摩擦发电机的圆柱状盒体随支撑柱相对圆形盒盖转动，从而由转盘式摩擦发电机将支撑柱的旋转机械能转换为电能，进一步减少了能量损失，提升了对水流动能的收集及利用率。
[0022]在本专利技术公开的一些技术方案中，通过将旋转底座、支撑柱、MFC压电片、接触分离式摩擦发电机以及转盘式摩擦发电机集成设置，实现了同时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于涡激摆动的俘能器，其特征在于，包括：涡激摆动模块，其包括旋转底座、支撑柱和俘能柱，所述支撑柱的一端与所述旋转底座相连，所述支撑柱上设置有流向标，所述流向标用于在水流冲击作用下带动所述支撑柱转动；所述俘能柱通过弹性悬臂梁连接于所述支撑柱上，且所述弹性悬臂梁与所述支撑柱呈夹角布置，所述俘能柱用于接触水流，并在水流动能作用下相对所述支撑柱发生摆动；摩擦电模块，所述摩擦电模块包括接触分离式摩擦发电机，所述接触分离式摩擦发电机包括封闭壳体和设置于所述封闭壳体内的垂直接触
‑
分离结构，所述封闭壳体连接于所述俘能柱的端部，所述垂直接触
‑
分离结构包括第一电极板、第二电极板和弹性件，所述第一电极板和所述第二电极板平行间隔布置，所述第一电极板和所述第二电极板通过所述弹性件相连，所述第一电极板和所述第二电极板的背表面上均设置有金属电极，所述接触分离式摩擦发电机能够随所述俘能柱摆动，以使所述第一电极板上的所述金属电极和所述第二电极板上的所述金属电极垂直接触并分离，将所述水流动能转换为电能。2.根据权利要求1所述的基于涡激摆动的俘能器，其特征在于，所述弹性悬臂梁为波浪形弹性悬臂梁，所述波浪形弹性悬臂梁的一端与所述支撑柱相连，另一端与所述俘能柱相连；所述波浪形弹性悬臂梁上设置有MFC压电片，所述波浪形弹性悬臂梁能够在所述俘能柱摆动作用下发生形变，以使所述MFC压电片发生形变并将所述俘能柱的摆动机械能转换为电能。3.根据权利要求2所述的基于涡激摆动的俘能器，其特征在于，所述波浪形弹性悬臂梁的两端均设置有所述MFC压电片，任意一所述MFC压电片均呈“C”型。4.根据权利要求1所述的基于涡激摆动的俘能器，其特征在于，所述金属电极为金电极；所述第一电极板上的所述金电极和所述第二电极板上的所述金电极中的一者表面涂覆有PDMS背电极，另一者表面设置有若干金纳米颗粒。5.根据权利要求1～4任意一项所述的基于涡激摆动的俘能器，其特征在于，所述支撑柱上下竖直设置，且所述支撑柱的下端与所述旋转底座相连；所述波浪形弹性悬臂梁上的波峰朝向所述支撑柱的上端或下端凸出，以带动所述俘能柱...

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠杰，汪辰煜，彭艳，王标，宫熒，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：