一种复合式风力发电系统的制作方法

本实用新型涉及纳米新能源领域，具体涉及一种复合式风力发电系统。

背景技术：

现有技术中，摩擦纳米发电机(TENG)主要采用薄膜振动来利用风力发电，或者利用类似于风扇叶片的形式来采集风能。但是，采用这些结构的发电机均存在结构单一、不易集成的缺点，并且对风的方向有较高的要求，当风向经常变化或者不稳定时，会导致发电机的输出性能不理想，对风能的利用率也不理想。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种能多元化收集风能的复合式发电机系统。

本实用新型的实施例一种复合式风力发电系统，包括：

风力驱动装置，所述风力驱动装置能够在风力的作用下旋转；以及

球式发电机阵列，所述球式发电机阵列悬挂于所述风力驱动装置，并在风力的作用下产生电能；

其中，所述系统还包括旋转式发电机，所述旋转式发电机在所述风力驱动装置的带动下旋转并产生电能。

进一步地，所述系统还包括：

变速装置，所述变速装置设置于所述风力驱动装置与所述旋转式发电机之间，用于调节所述风力驱动装置与所述旋转式发电机的转速比。

进一步地，所述旋转式发电机包括定子和转子；

其中，所述旋转式发电机通过所述转子相对于所述定子转动并发生摩擦，产生电能。

进一步地，所述系统还包括用于保护所述风力驱动装置的第一外壳和用于保护所述旋转式发电机的第二外壳；

其中，所述第一外壳设有开口。

进一步地，所述定子包括至少一个第一扇形电极、至少一个第二扇形电极以及设置在所述第一扇形电极和所述第二扇形电极上方的第一摩擦层；

其中，每一个第一扇形电极均与其他第一扇形电极连接，每一个第二扇形电极均与其他第二扇形电极连接，并且所述第一扇形电极与所述第二扇形电极交替排列。

进一步地，所述定子还包括：

定子基底，所述定子基底与所述第一外壳固定连接，并用于支撑所述第一扇形电极以及所述第二扇形电极。

进一步地，所述转子包括：

第二摩擦层，所述第二摩擦层用于与所述第一摩擦层摩擦；

转子基底，所述转子基底用于支撑所述第二摩擦层；以及

轴承，所述轴承能够在风力驱动装置的带动下旋转，并带动所述第二摩擦层旋转。

进一步地，所述第二摩擦层包括多个扇形结构的摩擦区，所述摩擦区的数量与所述第一扇形电极或所述第二扇形电极的数量相同。

进一步地，所述球式发电机阵列包括多个球式发电机，

其中，相邻两个球式发电机采用连接绳，和/或弹簧连接。

进一步地，所述球式发电机包括：

壳体，所述壳体具有内腔；

感应电极层，所述感应电极层设置在所述壳体的内壁上；

摩擦层，所述摩擦层设置在感应电极层上，所述感应电极层位于所述壳体的内壁和所述摩擦层之间；

活动体，所述活动体位于所述内腔中；

其中，在风力的作用下，所述活动体在所述内腔中往复滚动，使所述感应电极层产生电信号。

进一步地，所述风力驱动装置包括：

转轴和呈放射状设置在所述转轴周围的多个叶片；

其中，所述叶片能够在风力的作用下，带动所述转轴旋转。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型公开的复合式风力发电系统将旋转式发电机与球式发电机阵列相结合，能够多元化的收集风能，提高风能的利用率。

附图说明

通过下文中参照附图对本实用新型所作的描述，本实用新型的其他目的和优点将显而易见，并可帮助对本实用新型有全面的理解。

图1为本实用新型实施例提供的复合式发电机系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的旋转式发电机的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的球式发电机的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的复合式发电机系统的电路连接示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

如图1所示，本实用新型提供了一种复合式风力发电系统100，包括风力驱动装置2、旋转式发电机1和球式发电机阵列3。风力驱动装置2 可以在风力的作用下旋转，并带动与之连接的旋转式发电机1旋转，使旋转式发电机1产生电能。球式发电机阵列3可以悬挂在风力驱动装置2 上，并且其可以在风力作用下产生电能。通过将旋转式发电机1与容易集成的球式发电机阵列3，两种发电机结构的复合，可以实现多元化的收集风能，大大提高了对风能的利用率。

图1示出的风力驱动装置2可以包括转轴23和呈放射状设置在转轴 23周围的多个叶片22。叶片22的形状可以是图示中的方形，也可以是其他形状，例如扇形等等。这样，风力驱动装置2可以在任意方向的风的作用下均可以产生稳定的旋转，解决了传统的采用类似于风扇叶片的结构只能采集单一方向的风的问题。

在进一步较佳实施例中，如图1所示，在风力驱动装置2与旋转式发电机1之间还可以设置变速装置4，用于调节风力驱动装置2与旋转式发电机1的转速比。通过变速装置4使得旋转式发电机1的转速大于风力驱动装置2的转速，这样，旋转式发电机1在风力较弱的情况下，也可以产生理想的电能。例如，变速装置4可以是多个齿轮的组合，这样可以通过改变齿轮的配置，改变风力驱动装置2与旋转式发电机1的转速比。

风力驱动装置2、旋转式发电机1以及变速装置4三者可以通过转轴连接，需要说明的是，三者并不是共用同一转轴，仅仅是利用风力驱动装置2的转轴23的转动来带动变速装置4的转轴转动，进而带动旋转式发电机1的轴承134的转动。即，当风力驱动装置2的叶片22在风力的作用下转动时，叶片22带动转轴23旋转，转轴23带动变速装置4的转轴旋转，变速装置4的转轴带动旋转式发电机1的轴承134旋转，从而使得旋转式发电机1产生电能。

在其他实施例中，在风力驱动装置2与旋转式发电机1之间可以不设置变速装置4变速机构，这时，风力驱动装置2的转轴23和旋转式发电机1的轴承134的转速相同，或者也可以将风力驱动装置2与旋转式发电机1设置为同一根转轴。

图1示出的复合式风力发电系统100可以包括多个球式发电机阵列3，每一个球式发电机阵列3都可以包括多个球式发电机32，相邻的两个球式发电机32可以采用连接绳31和/或弹簧链接，采用弹簧可使球式发电机阵列3在风力的作用下产生共振，增强风能的利用率。当然，也可以同时采用连接绳31和弹簧的形式，连接相邻的两个球式发电机32，或者采用其他类似于弹簧的结构连接相邻的两个球式发电机32。

在进一步较佳实施例中，多个球式发电机阵列3之间的球式发电机 32也可以通过弹簧31和/或连接绳连接，即在横向上，将相邻的球式发电机32通过弹簧和/或连接绳31连接，这样会形成类似于“网格”结构，横向连接可以产生联动效应，进一步增强了利用风能的效果。

这样，采用球式发电机阵列3或球式发电机网络，可以有效地利用空间，有助于收集较大区域内的风能，并且个别球式发电机32的损坏不影响整个装置的正常工作，另外球形发电机还可以收集任意方向的风的风能，解决了之前发电机性能受风向制约的问题。

在进一步较佳实施例中，如图1所示，可以在风力驱动装置2、旋转式发电机1以及变速装置4外均设置一个用于起保护作用的外壳。而且为了能使叶片22在风力的作用下旋转，设置于风力驱动装置2外的第一外壳21需要设置开口，即第一外壳21属于敞口式结构，这样既能采集到风能，又能保护风力驱动装置2。设置于旋转式发电机1的第二外壳11以及设置于变速装置4外的第三外壳41则可以采用封闭式的结构。

如图2所示，旋转式发电机1可以包括定子12和转子13。当风力驱动装置2在风力的作用下转动时，通过转轴23可以带动转子13发生转动，使转子13能够相对于定子12摩擦，进而产生电流。

图2示出的定子12可以包括至少一个第一扇形电极121、至少一个第二扇形电极122以及设置在所述第一扇形电极121和所述第二扇形电极 122上方的第一摩擦层123。并且，每一个第一扇形电极121均与其他第一扇形电极121连接，即所有的第一扇形电极121是相互连接在一起的。每一个第二扇形电极122均与其他第二扇形电极122连接，即所有的第二扇形电极122是相互连接在一起的。而且，第一扇形电极121与第二扇形电极122相当于互补电极，交替排列，形成一个类似于圆形的摩擦面，每一个第一扇形电极121相邻的两侧均是第二扇形电极122，每一个第二扇形电极122的两侧均是第一扇形电极121。优选的，摩擦面的直径为20cm。

在本实施例中，定子12还可以包括定子基底125，用于支撑所有的第一扇形电极121和所有的第二扇形电极122。定子基底125可以通过螺丝与用于保护旋转式发电机1的第二外壳11固定连接，相当于将定子12 与旋转式发电机1的转轴23分离，这样，可以保证在风力驱动装置2的带动下，旋转式发电机1的转轴23只会带动转子13转动，不会同时带动定子12转动。这样的发电机性能较好，且利于实际应用。

定子基底125通过螺丝与第二外壳11固定连接时，需要在定子基底 125上设置贯穿其本体的孔124，以供螺丝能够穿过。在外壳上需要设置与螺丝相配合的孔，使得螺丝能够将二者固定连接。优选的，在定子基底 125的四个角设置螺丝，当然还可以在更多的地方设置螺丝。可以理解的是，定子基底125与第二外壳11并不仅仅限于螺丝连接，还可以采用其他连接方式，例如粘接等等。

在本实施例中，转子13可以包括第二摩擦层131和轴承134。当轴承134在风力驱动装置2的带动下旋转时，轴承134带动第二摩擦层131 旋转，进而与第一摩擦层123摩擦，这样，第一扇形电极121和第二扇形电极122就会产生感应电荷，产生电能。这时，可以通过整流桥7将第一扇形电极121和第二扇形电极122产生的感应电流进行整流后，与电容器 8相连以进行存储。当电容8器存储的转化的电能足够多时，就可以接通外电路，给负载9放电。当然电容器8也可以替换成蓄电池等储能元件。

在本实施例中，如图2所示，第二摩擦层131可以包括多个扇形结构的摩擦区，摩擦区的数量与形状可以设置成与第一扇形电极121或第二扇形电极122的数量、形状相同，这样的排布方式能够使得在第二摩擦层 131旋转过程中，更加准确地感应出摩擦区与第一扇形电极121或第二扇形电极122相互对应和分离时产生的特定点处的电荷，使得产生的周期电流信号更加稳定。

在本实施例中，图2示出的转子13还可以包括转子基底133，用于支撑第二摩擦层131。

优选的，第一扇形电极121或第二扇形电极122采用铜、铝等导电性好的金属材料制成，优选采用铜片。铜片的厚度范围为50nm-1mm，优选0.1mm。可以采用印刷电路板(PCB)的方法制备所需的铜片。

第一摩擦层123可以通过在第一扇形电极121和第二扇形电极122 表面粘上一层高分子薄膜层制得，例如可以将商用的高分子胶带粘在第一扇形电极121和第二扇形电极122表面制得第一摩擦层123。优选可以采用PTFE等高分子薄膜材料制得第一摩擦层123，其厚度优选为80μm。

第二摩擦层131可以采用金属或介电材料制得，优先采用尼龙等高分子薄膜材料，这样会有较好的性能。当然为了提高耐用性也可以选择铜片等金属材料作为第二摩擦层131。

而且，为了提高表面电荷密度，高分子薄膜一般选用电负性较好的材料，如含氟类材料，聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)，优选采用聚四氟乙烯，采购和实验操作都很方便。

高分子薄膜材料的厚度为50μm-200μm。如果在金属材料上镀膜，则金属材料的厚度设为200nm即可，如果是采用商用的金属薄片，则其厚度为100μm。

定子基底125和转子基底133可以使用亚克力材料制成，厚度可以为 5mm。

如图3所示，球式发电机可以包括壳体321、设置在壳体321的内壁上的感应电极层320、设置在感应电极层320上的摩擦层324以及位于壳体321内腔中的活动体325。其中，在风力的作用下，所述活动体325在所述内腔中往复滚动，使所述感应电极层320产生电信号。

球式发电机的壳体321可以采用各种材料，例如聚合物、复合材料以及金属等。而且感应电极层320需要与壳体321的内壁绝缘设置。需要说明的是，当壳体321采用导电材料制成时，需要在壳体321的内壁与感应电极层320之间绝缘设置，例如设置一层绝缘材料，可以理解的是，该绝缘层可以是采用间断式分布，由多段间隔开的绝缘材料组成，也可以是连续式分布，由一整层绝缘材料组成。这样，采用感应电极层320与壳体 321的内壁绝缘设置的方式，可以防止漏电现象。

在本实施例中，壳体321可以为封闭的球状结构，当然也可以是其他结构，例如，筒状结构。

进一步地，在壳体321的内壁上设置的感应电极层320采用导电材料制成，例如金属、碳材料、导电玻璃等。其可以包括第一感应电极层322 和第二感应电极层323。

第一感应电极层322和第二感应电极层323由于需要涂覆在球壳的弯曲的内壁上，一般采用将铜浆、银浆涂刷在壁上，再放到加热炉上烘干的方式制得，这样能够保证制得的第一感应电极层322和第二感应电极层 323均匀。第一感应电极层322和第二感应电极层323的厚度需要适中，优选0.1mm。

进一步地，在感应电极层320上设置摩擦层324，这样感应电极层320 位于壳体321的内壁和摩擦层324之间，即第一感应电极层322和第二感应电极层323位于壳体321的内壁和摩擦层324之间。摩擦层324可以采用高分子薄膜材料制成，例如采用液状胶水涂刷并烘干，而且为了提高摩擦层324与内部滚动球的接触亲密性，改善性能，可优先选用柔性的材料，如硅胶材料。

在本实施例中，位于内腔中的活动体325与摩擦层324接触，并且在外力的作用下，风力发电单元产生运动时，活动体325可以在内腔中往复滚动，活动体325表面与摩擦层324表面就会摩擦，产生摩擦电。活动体 325表面的静电荷会随活动体325运动，并在第一感应电极层322和第二感应电极层323中感应产生自由电荷，

在本实施例中，活动体325可选用柔性的球，也可以选用硅胶球，但需要对球表面进行紫外清洗，以保证与摩擦层324具有不同的特性。

如图4所示，每个球式发电机均连接一个整流桥7，将每个球式发电机32产生的感应电流进行整流，并且可以将多个球式发电机连接的多个整流桥7并联后再与旋转式发电机1连接的整流桥7并联。以此将球式发电机阵列3与旋转式发电机1产生的电能整合后，存储到电容器8中，进而给外电路的负载9放电。当然，电容器8也可以替换成蓄电池等储能元件。

与现有技术相比，本实用新型的实施例具有以下优点：

本实用新型公开的复合式风力发电系统将旋转式发电机与球式发电机阵列相结合，能够多元化的收集风能，提高风能的利用率。

对于本实用新型的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。