基于柔性聚合物壓電材料的風能采集器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于柔性聚合物壓電材料的風能采集器，包括葉片、轉軸、柔性材料、圓柱形外殼、轉盤、壓電薄膜以及頂蓋，所述轉軸通過軸承固定在圓柱形外殼上，其只有一個旋轉自由度，轉軸的一端連接葉片，另一端連接轉盤；所述柔性材料和壓電薄膜構成柔性壓電聚合物懸臂梁，多個柔性壓電聚合物懸臂梁均布固定于圓柱形外殼上，所述頂蓋安裝在圓柱形外殼的底部。風帶動葉片轉動，轉軸將運動傳遞給轉盤，轉盤在轉動時會周期性地敲打柔性壓電聚合物懸臂梁，壓電薄膜在敲打和恢復變形的振動中產生電能。本發明結構簡單、制作工藝要求低、能量采集效率高、使用壽命長、適用于寬風速變化范圍環境，可為微型傳感網絡節點供能。
【專利說明】
基于柔性聚合物壓電材料的風能采集器
技術領域
[0001]本發明屬于基于壓電材料的能量收集領域，具體涉及一種基于柔性聚合物壓電材料的風能采集器。
【背景技術】
[0002]由于微機械加工、無線傳感和微電子技術的迅速發展，無線傳感器、射頻識別系統、嵌入式系統以及它們形成的無線傳感網絡在生活中有著廣泛的應用。采用傳統電池供電，由于電池體積大、電容量有限、更換維護不方便等特點，使其無法滿足要求。這就需要尋求新的供能方式來代替傳統電池。壓電式能量采集器具有結構簡單、體積小、不發熱、輸出能量密度大、無電磁干擾、易于集成等優點。而風能在自然環境中廣泛存在，是一種綠色清潔能源。因此基于壓電的風能采集器能較好地解決無線傳感網絡節點供能的問題。
[0003]專利CN101951188A提出了一種利用風能的壓電能量收集方法及裝置，其通過旋轉載體上的永磁鐵致使壓電懸臂梁產生振動，進而產生電能。專利CN102647112A提出了一種旋轉式壓電發電裝置，通過多個旋轉葉片將激勵以脈沖式沖擊荷載施加于多個壓電諧振器，由于采用了33模式壓電堆發電，其提高了發電效率。專利CN103812383A提出了一種風致振動壓電能量收集裝置，該裝置結構簡單，成本低。但當前的裝置結構復雜、尺寸較大、電能采集效率不高；制造成本高，定子對動子的阻礙力大，需要的啟動風速較高，在低風速的場合不適合使用;葉片位于腔體內部，其不利于風能轉化為葉片的旋轉機械能。
【發明內容】
[0004]為了克服現有技術的缺陷，本發明提出一種基于柔性聚合物壓電材料的風能采集器。由于采用了柔性的壓電聚合物，壓電懸臂梁可實現較大的變形，同時不像壓電陶瓷片那樣容易破碎、剛度大、變形小，因此其可以有效地采集風能并轉化為電能。本發明具有結構簡單、發電效率高、使用壽命高等優點。
[0005]為達到上述目的，本發明的技術方案是:
一種基于柔性聚合物壓電材料的風能采集器，包括葉片、轉軸、柔性材料、圓柱形外殼、轉盤、壓電薄膜以及頂蓋，所述轉軸通過軸承固定在圓柱形外殼上，其只有一個旋轉自由度，轉軸的一端連接葉片，另一端連接轉盤;所述柔性材料和壓電薄膜構成柔性壓電聚合物懸臂梁，多個柔性壓電聚合物懸臂梁均布固定于圓柱形外殼上，所述頂蓋安裝在圓柱形外殼的底部。風帶動葉片轉動，轉軸將運動傳遞給轉盤，轉盤在轉動時會周期性地敲打柔性壓電聚合物懸臂梁，壓電薄膜在敲打和恢復變形的振動中產生電能。
[0006]所述的轉盤形狀可以為葉片式、偏心輪式、多邊形式等。轉盤凸角的數目可以I個、2個、3個或其他個數，凸角的數目對應柔性壓電聚合物懸臂梁在一個旋轉周期內的被敲打次數。轉盤凸角的凸起高度越大，其致使柔性壓電聚合物懸臂梁(柔性材料和壓電薄膜)變形越大;轉盤凸角的凸起高度越小，其致使柔性壓電聚合物懸臂梁變形越小。
[0007]所述的柔性壓電聚合物懸臂梁可以以不同的安裝角度固定在圓柱形外殼上。安裝角度不同時，柔性懸臂梁的彎曲變形幅度不同，懸臂梁對轉盤轉動的阻力不同，轉盤對懸臂梁的敲打頻率也不同。柔性懸臂梁的數目可以I個、2個、3個或其他個數，其數目的增多可以提高電能的輸出，同時也會降低轉盤的轉速。
[0008]所述的柔性壓電聚合物懸臂梁和轉盤位于圓柱形外殼內部，通過頂蓋將其密封起來。外界環境對內部結構干擾小，內部結構不易損壞、使用壽命長。
[0009]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
與風致振動的能量采集器相比，無需使采集器的自身固有頻率接近于外界的激勵頻率，以產生共振來獲取較大的電能輸出，本發明可在較寬的風速變化范圍內有效地進行風能采集;本發明的柔性壓電聚合物懸臂梁由于是由柔性材料和壓電薄膜構成，所以其可以實現較大的變形，而不存在類似壓電陶瓷懸臂梁會因振幅過大而碎裂的情況;正由于柔性懸臂梁大振幅的振動，因此其可以產生更多的電能;柔性壓電聚合物懸臂梁和轉盤凸角的個數可以進行調整，以使其在不同風速環境下有較好的輸出性能;本發明葉片設置在殼體夕卜，有利于風能轉化為葉片的旋轉機械能;而柔性壓電懸臂梁和轉盤設置在圓柱形外殼內，可以減小外部環境的干擾，延長部件的使用壽命。本發明結構簡單、制作工藝易于實現、成本低，適用于微型傳感網絡節點供能。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明的結構立體圖。
[0011 ]圖2為本發明內部的結構立體圖。
[0012]圖3為柔性壓電聚合物懸臂梁和轉盤安裝位置示意圖。
[0013]圖4為轉盤是偏心輪式的機構示意圖。
[0014]圖5為轉盤是多邊形式的結構示意圖。
[0015]圖6為轉盤是葉片式的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結合附圖對本發明的實施例作進一步的說明。
[0017]如圖1和圖2所示，一種基于柔性聚合物壓電材料的風能采集器，包括葉片1、轉軸
2、柔性材料3、圓柱形外殼4、轉盤5、壓電薄膜6以及頂蓋7，所述轉軸2通過軸承8固定在圓柱形外殼4上，其只有一個旋轉自由度，轉軸2的一端連接葉片I，另一端連接轉盤5;所述柔性材料3和壓電薄膜6構成柔性壓電聚合物懸臂梁，多個柔性壓電聚合物懸臂梁均布固定于圓柱形外殼4上，所述頂蓋7安裝在圓柱形外殼4的底部。風帶動葉片I轉動，轉軸2將運動傳遞給轉盤5，轉盤5在轉動時會周期性地敲打柔性壓電聚合物懸臂梁，壓電薄膜6在被敲打和恢復變形的振動中產生電能。
[0018]如圖3所示，所述的柔性壓電聚合物懸臂梁(柔性材料3和壓電薄膜6)可以以不同的安裝角度固定在圓柱形外殼4上。假設柔性懸臂梁和過固定點的圓半徑的夾角為σ，當柔性懸臂梁的安裝角度σ增大時，懸臂梁對轉盤5轉動的阻力減小，在相同風速下轉盤5的轉速增加，從而轉盤5對懸臂梁的敲打頻率增加，但柔性懸臂梁的彎曲變形幅度減小，此時能量采集器的啟動工作風速較低。當柔性懸臂梁的安裝角度σ減小時，懸臂梁對轉盤5轉動的阻力增大，在相同風速下轉盤5的轉速減小，從而轉盤5對懸臂梁的敲打頻率減小，但柔性懸臂梁的彎曲變形幅度增大，此時能量采集器的輸出電能較大。
[0019]如圖3所示，所述的柔性壓電聚合物懸臂梁的數目可以I個、2個、3個或其他個數，其數目的增多可以提高電能的輸出，同時也會降低轉盤5的轉速。轉盤5凸角的數目可以I個、2個、3個或其他個數，凸角的數目對應柔性壓電聚合物懸臂梁在一個旋轉周期內的被敲打次數。轉盤5凸角的凸起高度越大，其致使柔性壓電聚合物懸臂梁變形越大;轉盤5凸角的凸起高度越小，其致使柔性壓電聚合物懸臂梁變形越小。
[0020]如圖4、圖5、圖6所示，所述轉盤5形狀可以為葉片式、偏心輪式、多邊形式等。如圖4所示，當轉盤5采用偏心輪式時，其結構簡單，轉動慣量大，但啟動風速高，而且一個旋轉周期只能使一個柔性懸臂梁變形一次;如圖5所示，當轉盤5采用多邊形式時，結構簡單，加工方便，一個周期中可以使柔性懸臂梁變形多次，但轉動慣量較大，啟動風速較高；如圖6所示，當轉盤5采用葉片式時，其轉動慣量低，啟動風速低，結構穩定，凸角數容易控制。
[0021]本發明無需使采集器的自身固有頻率接近于外界的激勵頻率，以產生共振來獲取較大的電能輸出，本發明可在較寬的風速變化范圍內有效地進行風能采集;本發明的柔性壓電聚合物懸臂梁由于是由柔性材料3和壓電薄膜6構成，所以其可以實現較大的變形，而不存在類似壓電陶瓷懸臂梁會因振幅過大而碎裂的情況；正由于柔性懸臂梁大振幅的振動，因此其可以產生更多的電能;柔性壓電聚合物懸臂梁和轉盤凸角的個數可以進行調整，以使其在不同風速環境下有較好的輸出性能;本發明葉片設置在殼體外，有利于風能轉化為葉片的旋轉機械能；而柔性壓電懸臂梁和轉盤設置在圓柱形外殼內，可以減小外部環境的干擾，延長部件的使用壽命。本發明結構簡單、制作工藝易于實現、成本低，適用于微型傳感網絡節點供能。
【主權項】
1.一種基于柔性聚合物壓電材料的風能采集器，其特征在于，包括葉片(1)、轉軸(2)、柔性材料(3)、圓柱形外殼(4)、轉盤(5)、壓電薄膜(6)以及頂蓋(7)，所述轉軸(2)通過軸承(8)固定在圓柱形外殼(4)上，其只有一個旋轉自由度，轉軸(2)的一端連接葉片(I)，另一端連接轉盤(5);所述柔性材料(3)和壓電薄膜(6)構成柔性壓電聚合物懸臂梁，多個柔性壓電聚合物懸臂梁均布固定于圓柱形外殼(4)上，所述頂蓋(7)安裝在圓柱形外殼(4)的底部。2.根據權利要求1所述的基于柔性聚合物壓電材料的風能采集器，其特征在于，所述的柔性壓電聚合物懸臂梁以不同的安裝角度固定在圓柱形外殼(4)上;安裝角度不同時，使得柔性壓電聚合物懸臂梁的彎曲變形幅度不同，其對轉盤(5)轉動的阻力不同，轉盤(5)對懸臂梁的敲打頻率也不同。3.根據權利要求1所述的基于柔性聚合物壓電材料的風能采集器，其特征在于，所述轉盤(5)形狀為葉片式、偏心輪式或多邊形式，轉盤(5)凸角的數目對應柔性壓電聚合物懸臂梁在一個旋轉周期內的被敲打次數，轉盤(5)凸角的凸起高度影響柔性壓電聚合物懸臂梁的變形大小。
【文檔編號】F03D9/25GK106050570SQ201610386604
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月4日
【發明人】張健滔, 方舟
【申請人】上海大學