一種風力發電機及風力發電機組的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及新能源領域，公開了一種風力發電機及風力發電機組，該風力發電機包括：由第一條狀電極和第二條狀電極交錯編織形成的若干個疊層單元；其中，所述疊層單元內的所述第一條狀電極和所述第二條狀電極在風力驅動下發生接觸或分離，且所述第一條狀電極和所述第二條狀電極的發生接觸或分離的接觸面具有不同的電負性。本實用新型的風力發電機具有輕便、柔軟、易于安裝等特點，可利用浮空或高空上任意方向的風力進行發電。
【專利說明】
一種風力發電機及風力發電機組
技術領域
[0001]本實用新型涉及新能源領域，具體地，涉及一種風力發電機及風力發電機組。
【背景技術】
[0002]目前，隨著對能源需求的不斷提高，風力發電受到越來越多的關注，其中主要的一種風力發電設備是風力渦輪機。但是，盡管風力渦輪機已經取得了極大的成功，并裝備了全球范圍內的風力發電廠，但是人們開發新型風力發電設備的探索卻從沒有停止過。例如，現有技術中還有一種栓翼式發電機，其利用飄在空中的飛翼拉動繩子，并帶動地面上輪子轉動發電。對新型風力發電設備的探索主要是由于風力渦輪機本身具有一些缺點:成本高、安裝復雜、對生態環境有一定程度的破壞等。此外，風力渦輪機不能滿足一些新出現的潛在應用要求，例如浮空平臺、高空平臺。這些浮空(高空)平臺通常懸浮在一定高度的空中，實現環境監測、安全監控、導航定位、無線通信等功能，例如谷歌公司提出的利用熱氣球浮空平臺對偏遠地區提供無線通訊的計劃。顯然，僅儲能電池難以實現這些平臺的持續工作，且太陽能電池也只能在白天發電，不能作為這些平臺的理想能源。相反地，當海拔高度升高時，風力速度會大大增加，且對天氣的依賴也降低，因而高空風能就成為這些平臺設備的理想能源。這些平臺設備對風力發電裝置的要求是:輕質、且無需伺服裝置實現對不同風向的風力發電。對此，現有技術中包括風力渦輪機等風力發電設備無法滿足浮空(高空)類平臺設備對高空風能發電的要求。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型的目的是提供一種風力發電機及風力發電機組，用于解決在浮空(高空)平臺上利用風力發電的問題。
[0004]為了實現上述目的，本實用新型提供一種風力發電機，該風力發電機包括:由第一條狀電極和第二條狀電極交錯編織形成的若干個疊層單元;其中，所述疊層單元內的所述第一條狀電極和所述第二條狀電極在風力驅動下發生接觸或分離，且所述第一條狀電極和所述第二條狀電極的發生接觸或分離的接觸面具有不同的電負性。
[0005]優選地，所述第一條狀電極和所述第二條狀電極的形狀均為長方體，且所述第一條狀電極與所述第二條狀電極以縱橫方式交錯編織以形成若干個疊層單元。
[0006]優選地，所述疊層單元內的所述第一條狀電極和所述第二條狀電極之間具有間隔，且所述疊層單元內的所述第一條狀電極和所述第二條狀電極中的一者的一對平行的邊固定在另一者上。
[0007]優選地，所述若干個疊層單元排列形成旗幟狀的風力發電機。
[0008]優選地，所述旗幟狀的風力發電機的一側設置有桿件。
[0009]優選地，各個所述疊層單元中的第一條狀電極相互電連接，且各個所述疊層單元中的第二條狀電極相互電連接。
[0010]優選地，所述第一條狀電極和所述第二條狀電極連接有負載電路，用于通過向所述負載電路轉移所述第一條狀電極和所述第二條狀電極發生接觸或分離而產生的電荷。
[0011]優選地，所述第一條狀電極和所述第二條狀電極是由柔性材料制成的電極。
[0012]優選地，所述第一條狀電極和所述第二條狀電極均包括依次層疊的第一高分子聚合物層、金屬層和第二高分子聚合物層。
[0013]優選地，所述第一條狀電極和所述第二條狀電極中的任意一者包括依次層疊的第一高分子聚合物層、金屬層和第二高分子聚合物層，另一者包括依次層疊的第一金屬層、高分子聚合物層和第二金屬層。
[0014]本實用新型還提供了一種風力發電機組，該風力發電機組包括多個并聯的上述的風力發電機。
[0015]通過上述技術方案，本實用新型的有益效果是:本實用新型的風力發電機具有輕便、柔軟、易于安裝等特點，可利用浮空或高空上任意方向的風力進行發電。
[0016]本實用新型的其它特征和優點將在隨后的【具體實施方式】部分予以詳細說明。
【附圖說明】
[0017]附圖是用來提供對本實用新型的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的【具體實施方式】一起用于解釋本實用新型，但并不構成對本實用新型的限制。在附圖中:
[0018]圖1是本發明的實施例中形成的旗幟狀的風力發電機的外形示意圖；
[0019]圖2(a)是本發明的實施例一中的處于初始狀態的疊層單元的結構示意圖；
[0020]圖2(b)是本發明的實施例一中的疊層單元的接觸狀態示意圖；
[0021]圖2(c)是本發明的實施例一中的疊層單元的分離狀態示意圖；
[0022]圖2(d)是本發明的實施例一中的疊層單元的再次接觸狀態示意圖；
[0023]圖3(a)是本發明的實施例二中的疊層單元的接觸狀態示意圖；
[0024]圖3(b)是本發明的實施例二中的疊層單元的分離狀態示意圖；
[0025]圖3(c)是本發明的實施例二中的疊層單元的再次接觸狀態示意圖；
[0026]圖4是實施例二中的單個風力發電機在22m/s的風速下的短路電流輸出示意圖；
[0027]圖5是實施例二中的單個風力發電機在不同風速下的短路電流輸出示意圖；
[0028]圖6是實施例二中的單個風力發電機在3m/s、7m/s、19m/s三個風速下短路電流輸出示意圖。
[0029]圖7是多個并聯連接的風力發電機在相同風速下的短路電流輸出示意圖。
[0030]圖8是多個并聯連接的風力發電機在相同風速下對一個4.7yF的電容器的充電電壓曲線圖。
[0031]附圖標記說明
[0032]I第一條狀電極2第二條狀電極
[0033]3疊層單元4負載電路
[0034]5高分子聚合物層6金屬層
[0035]51第一高分子聚合物層52第二高分子聚合物層
[0036]61第一金屬層62第二金屬層
【具體實施方式】
[0037]以下結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本實用新型，并不用于限制本實用新型。
[0038]另外，在本實用新型的實施例中所提到的“第一”及“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。
[0039]如圖1及圖2(a)所示，本實用新型的第一實施例提供了一種風力發電機，該風力發電機包括:由第一條狀電極I和第二條狀電極2交錯編織形成的若干個疊層單元3。其中，所述疊層單元3內的所述第一條狀電極I和所述第二條狀電極2在風力驅動下發生接觸或分離，且所述第一條狀電極I和所述第二條狀電極2的發生接觸或分離的接觸面具有不同的電負性。
[0040]如圖1所示，本實施例中若干個疊層單元3可排列形成旗幟狀的風力發電機，該旗幟狀的風力發電機的一側可設置桿件。該桿件的高度可調，從而可通過該桿件可使旗幟狀的風力發電機受到各個高度的風力的驅動。本實施例中，所述第一條狀電極I和所述第二條狀電極2的形狀優選為長方體，且所述第一條狀電極I與所述第二條狀電極2以縱橫方式交錯編織以形成若干個疊層單元，如此，可使若干個疊層單元的排列更為規則，以形成較為美觀的旗幟狀風力發電機。
[0041]旗幟狀的風力發電機受風力驅動，使得疊層單元內的第一條狀電極I和第二條狀電極2發生接觸或分離，而兩個條狀電極的發生接觸或分離的接觸面具有不同的電負性，從而基于摩擦起電原理和靜電感應原理，兩個條狀電極可以產生電荷。此外，所述第一條狀電極I和第二條狀電極2還通過導線連接有負載電路4，用于將產生的電荷轉移至負載電路4以形成電流，在圖2(a)中，負載電路4包括電阻R，但并不限制于此，在具體應用中負載電路也可以包括儲能電容、可充電電池等。優選地，將各個所述疊層單元3中的第一條狀電極I相互電連接，將各個所述疊層單元3中的第二條狀電極2也相互電連接，如此，使各個疊層單元3的連接方式類似于電容器的并聯連接，從而使多個疊層單元3產生的電荷均轉移至負載電路4以形成更大的電流，以滿足對風力發電機的更高的用電需求。
[0042]圖2(a)示意了圖1中的疊層單元3的具體結構。該疊層單元3中，所述第一條狀電極I和所述第二條狀電極2之間具有間隔，且第一條狀電極I和所述第二條狀電極2中的一者的一對平行的邊固定在另一者上，優選地，將所述第一條狀電極I的一對平行的邊與對應的所述第二條狀電極2的一對平行的邊相固定。如此，有利于保證兩個條狀電極在風力驅動下的結構的穩定性，而使兩個條狀電極之間具有間隔，可以保證兩個條狀電極在風力驅動下發生接觸或分離。
[0043]因兩個條狀電極需要能在風力驅動下發生接觸或分離，因此所述第一條狀電極I和所述第二條狀電極2需要具有一定的柔韌性，從而本實施例中的所述第一條狀電極I和所述第二條狀電極2是優選采用由柔性材料制成的電極。在采用柔性材料制成的電極的基礎上，如圖2(a)所示，本實施例中的所述第一條狀電極I和所述第二條狀電極2均包括依次層疊的第一高分子聚合物層51、金屬層6和第二高分子聚合物層52。其中，兩個條狀電極的第一高分子聚合物層51和第二高分子聚合物層52可選用相同的或不同的柔性材料制成，但是需要保證兩個條狀電極發生接觸或分離的接觸面具有不同的電負性，且電負性差異要盡量大。優選地，兩個條狀電極各自的第一高分子聚合物層51和第二高分子聚合物層52采用相同的高分子聚合物制成，而第一條狀電極I與第二條狀電極2分別采用不同材料制成的各自的第一高分子聚合物層51和第二高分子聚合物層52。該另外，高分子聚合物和金屬的厚度可變，但需要盡量保證疊層單元3的柔韌性。
[0044]圖2(a)所示意的疊層單元3的形狀為風力發電機未受風力驅動時的初始狀態。圖2(b)在圖2(a)的基礎上示意了第一條狀電極I和第二條狀電極2在風力驅動下發生接觸的接觸狀態，由于相接觸的兩個高分子聚合物層具有不同的電負性，在接觸面發生接觸起電后，其中一種高分子聚合物層帶正電，另一種高分子聚合物層帶負電。圖2(c)在圖2(b)的基礎上進一步示意了第一條狀電極I和第二親狀電極在接觸后發生分離的分離狀態，當兩個條狀電極接觸再分離時，分別在各自的金屬層中感應出和與對應的高分子聚合物符號相反的電荷，金屬層感應出的電荷通過負載電路4發生轉移，在負載電路4中形成電流。圖2(d)在圖2(c)的基礎上進一步示意了第一條狀電極I和第二條狀電極2再次接觸時，在負載電路4中產生方向相反的電流。根據圖2(a)-圖2(d)，如此循環反復，盡管旗幟狀的風力發電機的所有疊層單元3的振動并不能完全同步，但仍然可以在負載電路4中測得靜電流。
[0045]本實用新型的第二實施例提供了圖1中的疊層單元3的另一種具體結構，如圖3(a)所示，其與圖2(a)所示的第一實施例的疊層單元3的結構的主要區別在于:該實施例的疊層單元3中，所述第一條狀電極I和所述第二條狀電極2中的任意一者包括依次層疊的第一高分子聚合物層51、金屬層6和第二高分子聚合物層52，另一者包括依次層疊的第一金屬層
61、高分子聚合物層5和第二金屬層62 ο需說明的是，圖中的第一高分子聚合物層51、第二高分子聚合物層52與高分子聚合層5的附圖標記用于區分疊層結構中不同的高分子聚合物層，不能理解為高分子聚合層5包括第一高分子聚合物層51、第二高分子聚合物層52，金屬層的相關附圖標記也是如此。第二實施例的風力發電機的其他構成與第一實施例的風力發電機相同，在此不再贅述。
[0046]圖3(a)至圖3(c)示意了第二實施例中的疊層單元3產生電流的過程。圖3(a)示意了第一條狀電極I和第二條狀電極2在風力驅動下發生接觸的接觸狀態，當兩個條狀電極接觸時，一個條狀電極的高分子聚合物層和另一條狀電極的金屬層發生接觸起電，使得高分子聚合物層帶負電，而金屬層帶正電。圖3(b)在圖3(a)的基礎上進一步示意了第一條狀電極I和第二條狀電極2在接觸后發生分離的分離狀態，帶負電的高分子聚合物層通過靜電感應的作用使得第一金屬層中的正電荷轉移到另一條狀電極的金屬層，金屬層再通過負載電路4轉移電荷以產生電流。圖3(c)在圖3(b)的基礎上進一步示意了第一條狀電極I和第二條狀電極2再次接觸時，負載電路4則產生方向相反的電流。根據圖3(a)-圖3(c)，如此循環反復，當整張旗幟的所有疊層單元3—起振動時，外電路可測得靜電流。
[0047]下面以實例在說明第二實施例的風力發電機的電流輸出情況。該實例中，第一條狀電極I的的第一高分子聚合物層和第二高分子聚合物層的材料為聚酰亞胺，金屬層的材料為銅，第二條狀電極2的第一金屬層和第二金屬層的材料為鎳，高分子聚合物層的材料為滌綸，其中，聚酰亞胺和銅的厚度均為25μπ?，鎳的厚度為ΙΟμ??，滌綸厚度為30μπ?。圖4示意了第二實施例的風力發電機經過橋式整流橋后的短路電流，需說明的是，發電機的輸出電流為正負方向交變的電流，經過整流后可獲得只有正向的電流。該實施的測試條件為:22m/s的風速、風力發電機的大小為20 X 30cm、第一條狀電極I和第二條狀電極2寬度均為1.5cm。通過圖4可知，約10s-30s以及約40s-60秒處為風吹時的電流輸出，約30s-40s處為風停時的電流輸出，可知當風吹時，在20s內風力發電機最大能產生40mA左右大小的電流。
[0048]圖5示意了第二實施例的風力發電機在不同風速下經整流后的短路電流，其中風速大小為3m/s?32m/s，明顯可知輸出電流隨風速增加而增加。
[0049]圖6示意了第二實施例的風力發電機在3m/s、7m/s、19m/s三種風速下的電流輸出細節。由圖6可知，不僅輸出電流大小隨風速增加而增加，電流頻率也隨風速增加而增加。這是由于風速越大，風力發電機的抖動頻率也越大，從而電流的頻率增加。
[0050]在實施例一和實施例二配置好各自的第一條狀電極I和第二條狀電極2的層疊結構的基礎上，可通過以下方法制備旗幟狀的風力發電機，具體包括:(I)將兩個條狀電極分別縱橫交錯編織成旗幟，在編織時每個編織單元的兩條狀電極間留有間隙，然后把旗幟四周固定，并把每個編織單元一對相互平行的邊固定在一起，另一對相互平行的邊不固定；
(2)將兩個條狀電極上下疊在一起，每間隔一定距離固定在一起，則兩個條狀電極被分割成一系列疊層單元3，每個旗幟可以排列很多個這樣的疊層單元3。
[0051]本實用新型的第三實施例還提出了一種風力發電機組，該風力發電機組包括多個并聯的如實施例一或實施例二所述的風力發電機。由于旗幟狀的風力發電機為二維結構，故可通過將多個風力發電機并聯連接以組成風力發電機組來提高電流輸出。圖7示意了將實施例二的多個風力發電機并聯連接后的電流輸出，圖中約10s-30s處示意了一個風力發電機的電流輸出，約40s_60s處不意了兩個風力發電機的電流輸出，約750s_95s處不意了三個風力發電機的電流輸出，測試的風速為14m/s，可知電流輸出的幅值隨著風力發電機個數的增加而增加。進一步地，圖8是使用實施例二的發電機對電容器進行充電的電壓變化曲線，使用單個風力發電機可在10秒內將4.7yF的電容器充電到2.7V，而使用三個并聯的風力發電機10秒充電后相同電容器的電壓約為8.1V。
[0052]以上結合附圖詳細描述了本實用新型的優選實施方式，但是，本實用新型并不限于上述實施方式中的具體細節，在本實用新型的技術構思范圍內，可以對本實用新型的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本實用新型的保護范圍。例如，可以將條狀電極改變為其他合適進行編織的電極。
[0053]另外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本實用新型對各種可能的組合方式不再另行說明。
[0054]此外，本實用新型的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本實用新型的思想，其同樣應當視為本實用新型所公開的內容。
【主權項】
1.一種風力發電機，其特征在于，該風力發電機包括: 由第一條狀電極和第二條狀電極交錯編織形成的若干個疊層單元； 其中，所述疊層單元內的所述第一條狀電極和所述第二條狀電極在風力驅動下發生接觸或分離，且所述第一條狀電極和所述第二條狀電極的發生接觸或分離的接觸面具有不同的電負性。2.根據權利要求1所述的風力發電機，其特征在于，所述第一條狀電極和所述第二條狀電極的形狀均為長方體，且所述第一條狀電極與所述第二條狀電極以縱橫方式交錯編織以形成若干個疊層單元。3.根據權利要求2所述的風力發電機，其特征在于，所述疊層單元內的所述第一條狀電極和所述第二條狀電極之間具有間隔，且所述疊層單元內的所述第一條狀電極和所述第二條狀電極中的一者的一對平行的邊固定在另一者上。4.根據權利要求1所述的風力發電機，其特征在于，所述若干個疊層單元排列形成旗幟狀的風力發電機。5.根據權利要求4所述的風力發電機，其特征在于，所述旗幟狀的風力發電機的一側設置有桿件。6.根據權利要求1所述的風力發電機，其特征在于，各個所述疊層單元中的第一條狀電極相互電連接，且各個所述疊層單元中的第二條狀電極相互電連接。7.根據權利要求1所述的風力發電機，其特征在于，所述第一條狀電極和所述第二條狀電極連接有負載電路，用于通過向所述負載電路轉移所述第一條狀電極和所述第二條狀電極發生接觸或分離而產生的電荷。8.根據權利要求1至7中任一項所述的風力發電機，其特征在于，所述第一條狀電極和所述第二條狀電極是由柔性材料制成的電極。9.根據權利要求8所述的風力發電機，其特征在于，所述第一條狀電極和所述第二條狀電極均包括依次層疊的第一高分子聚合物層、金屬層和第二高分子聚合物層。10.根據權利要求8所述的風力發電機，其特征在于，所述第一條狀電極和所述第二條狀電極中的任意一者包括依次層疊的第一高分子聚合物層、金屬層和第二高分子聚合物層，另一者包括依次層疊的第一金屬層、高分子聚合物層和第二金屬層。11.一種風力發電機組，其特征在于，該風力發電機組包括多個并聯的如權利要求1-10中任一項所述的風力發電機。
【文檔編號】F03D9/25GK205605361SQ201620118813
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年2月6日
【發明人】蒲雄, 趙振富, 胡衛國, 王中林
【申請人】北京納米能源與系統研究所