盒式风力发电装置及发电装置组

本发明涉及风力发电技术领域，尤其是一种盒式风力发电装置及发电装置组。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，本发明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。

本发明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，因此本发明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能从连接件中间的通道引出到底座附近，假设所有的第一能量采集单元均设置于反弯点以内的柔性壳上。在这种情况下，当盒体振动是上、下方向的平动时，同一柔性壳上的所有的第一能量采集单元的应变是同号的，但当盒体的风致振动是绕水平面内的某个方向转动时，同一外壳上的第一能量采集单元的应变将同时存在正、负和零。当平动和转动同时存在时，第一能量采集单元的应变分布更为复杂，同一片第一能量采集单元内同时有异号的应变时会导致电荷的抵消，因此为了尽可能减小这种相互抵消，需要根据盒体风致振动的运动形式，对柔性壳上第一能量采集单元的片数、形状等进行优化。例如，可以在发电装置盒体顶面或底面的柔性壳上粘贴4片矩形或扇形的压电膜作为第一能量采集单元，也可以粘贴6片或8片矩形或扇形的压电膜作为第一能量采集单元，这需要根据优化结果来确定。

可选的，对于上述在盒式压电风力发电装置，若柔性壳和第二能量采集单元分别采用平的膜片或者直的梁，当盒体在上、下方向振动时，在柔性壳和第二能量采集单元内将产生大的拉伸应力，由于应力刚化效应，柔性壳和压电复合梁的弯曲刚度将显著增大，从而导致盒体振幅减小和电学输出降低，为此，可在柔性壳和压电复合梁的外圈(这里指靠近刚性壳的位置)增加波纹结构，起到应力释放和降低应力刚化效应影响的作用。另外，通过在外圈增加波纹结构，将使反弯点外移(向距离中心更远的地方移动)，此时可以将设置于反弯点以内的压电层设置得更长，从而提高电学输出。

可选的，盒体的底面包括至少一部分的柔性壳，盒体的侧面为刚性壳，盒体的顶面也包括至少一部分的柔性壳。或者于另一种可行的实施方式中，盒体的底面包括至少一部分的柔性壳，盒体的侧面为刚性壳，盒体的顶面均为刚性壳。这时的反弯点外移即指的是向靠近刚性壳的方向移动。在一些可行的实施方式中，由于侧面和顶面均为刚性壳，装置结构相对简单，并且有利于降低加工成本，再者，还可以降低整个装置的刚度，从而降低整个装置的切入风速(启动风速)。

可选的，盒体的顶面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盒体的顶面和底面的柔性壳的内壁上，盒式风力发电装置还可以包括第二连接件，第二连接件位于密封腔内，第二连接件的一端固定于第一连接件的一端，第二连接件的另一端固定于盒体顶面的柔性壳上。第一连接件和第二连接件可以一体成型制成，也可以是分开的两段连接。第二连接件的形状和第一连接件的横截面的形状可以相同也可以不同。于另一种可行的实施方式中，盒体的顶面均为刚性壳的时候，多个第一能量采集单元均设于盒体底面的柔性壳的内壁上，此时不需要设置第二连接件。盒式风力发电装置还可以包括第二连接件，第二连接件的一端固定于第一连接件的一端，第二连接件的另一端可以不和顶面的刚性壳连接，第二连接件上还可以设置有从第二连接件的一端向刚性壳延伸的第二能量采集单元。

针对在柔性壳上粘贴压电膜可能存在的可靠性问题，本发明还提供了一种盒式风力发电装置，包括盒体、第一连接件及第二能量采集单元。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，第一连接件的其中一端穿过柔性壳并进入密封腔内；第二能量采集单元位于密封腔内，第二能量采集单元的一端固定于第一连接件上，第二能量采集单元的另一端和刚性壳的内壁连接。

第一连接件可以是一体成型，也可以是两部分组成，分别为第一部分和第二部分，第一部分的一端固定于柔性壳上从而使第一部分连接于盒体上并且第一部分位于密封腔的外侧，第二部分的一端固定于第一部分的固定于柔性壳的一端，第二部分位于密封腔内。

可选的，这里的盒式风力发电装置一些其他的结构、形状、连接方式等都可以采用上文中提到的第一种盒式风力发电装置的那样设置。例如，这里的盒式风力发电装置也可以设置有第一能量采集单元，第一能量采集单元覆于盒体的柔性壳的内壁上。

自然环境中的风速和风向是随着时间和空间而变化的。当风向不变时，风能采集器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；另外，风能采集器在不同方向的切入风速通常是不相同的。扩大具有高电学输出的风速范围和风向范围是提高风能采集器对环境风场变化的适应能力的一种有效方法。为了拓宽工作风速范围和风向范围，本发明还提供一种风力发电装置组，包括多个盒体、多个能量采集单元及连接件，其中一个或多个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，设于密封腔内的至少一个能量采集单元，其中一个或多个能量采集单元覆于不同的盒体的柔性壳的内壁上，或者其中一个或多个能量采集单元的一端固定于连接件，另一端与刚性壳内壁连接，连接件串联起每个盒体的柔性壳，形成串联的结构。

可选的，同组的盒体可设置成相同的形状，此时盒体的几何尺寸可以略有差别，盒体的形状也可设置成不相同的，进行以上设置的目的是使同组中各盒体的工作风速范围和风向范围略有差别，并使工作风速范围和风向范围相邻的两个盒体的工作风速范围和风向范围相邻有重叠区间，从而实现同组结构的工作风速范围和风向范围的连续拓展。也就是说，当风速和风向在大范围内连续变化时，可以确保至少一个盒体具有高电学输出。连接件分为多段，各段连接起来之后，整根连接件可以不是直的，例如可以根据需要弯曲成三维空间中的曲线形状，采用曲线形状的连接件有利于进一步拓宽风向范围。

综上，本发明提供的盒式风力发电装置中的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。但是，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，满足在野外长期稳定工作的要求。除此以外，本申请中的风力发电装置结构简单，极大地缩小了装置所占的空间并且提高了装置的简易性。

附图说明

图1是本发明中的实施例一提供的压电风力发电装置的示意图；

图2是本发明中的实施例二提供的压电风力发电装置的示意图；

图3是本发明中的实施例三提供的压电风力发电装置的示意图；

图4是本发明中的实施例四提供的压电风力发电装置的示意图；

图5是本发明中的实施例五提供的压电风力发电装置阵列的示意图；

图6是本发明中的实施例六提供的压电风力发电装置测得的归一化总输出功率与风向的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明中的多个指的是两个和多于两个的任意数量。

本发明中的球缺状指的是球体被平面截下的一部分的形状。

本发明中的旋转体指的是一条平面曲线绕着它所在的平面内的一条定直线旋转所形成的封闭的曲面围成的几何体，例如球、圆柱、圆锥、圆台、球缺等等。

实施例一

请参考图1，实施例一提供了一种盒式压电式风力发电装置，包括圆柱形的盒体1、第一连接件2、底座3，圆柱形盒体1是由柔性壳101和刚性壳102组成，柔性壳和刚性壳围成至少一个密封腔，圆柱形盒体1的底面是柔性壳101，圆柱形盒体1的侧面和顶面均为刚性壳102，第一连接件2的一端固定有柔性壳101，第一连接件2的另一端朝着密封腔的外侧延伸并固定于底座3上从而使至少一部分第一连接件位于密封腔的外侧。柔性壳101的内表面粘贴有多片压电膜4，压电膜4的上、下均覆盖有金属电极。柔性壳101的一个功能作为连接圆柱形盒体1与第一连接件2的弹性部件，也就是说盒体1是由柔性壳101支承在第一连接件2上的。盒体的底面的柔性壳的靠近刚性壳的部分设有波纹结构103以将反弯点外移。

当风吹过时，圆柱形盒体1受到风载荷的作用，由柔性壳101支承的盒体1将在第一连接件2上发生风致振动，柔性壳101的变形将导致位于其内表面的多片压电膜4发生变形，由于压电效应，压电膜4的上、下电极之间将产生交变的电势差，利用该电势差就可以为无线传感节点等用电对象供电。

实施例二

请参考图2，在实施例一的基础上，将圆柱形盒体1的顶面和底面均采用柔性壳101，连接件分为两段，分别为第一连接件21和第二连接件22，第一连接件21的一端固定于盒体1底面的柔性壳101，其另一端固定于底座3上，第二连接件22部分位于盒体1内部，其一端固定于第一连接件21的上端，其另一端固定有盒体1顶面的柔性壳101，连接件还包括第三连接件23，第三连接件23的一端固定于第二连接件22的上端，另一端朝向密封腔的外面延伸，第三连接件的另一端固定有刚性钝体6，刚性钝体6可提高发电装置对从上部吹向下部的风的采集效率，于一些其他的实施方式中，刚性钝体也可以不设置第三连接件和刚性钝体6；作为盒体1顶面和底面的柔性壳101的内表面均粘贴有压电膜4，压电膜4的上、下表面均分别覆盖有金属电极；圆柱形盒体1是通过其底面底面和顶面顶面的柔性壳101固定于第一连接件21上的，盒体1振动时，刚性壳102不发生变形，盒体1的振动完全是由底面和顶面柔性壳101的变形引起的。

在风的作用下，圆柱形盒体1将发生风致振动，此时，底面和顶面柔性壳101的变形将导致其内表面的压电膜4内的应力发生变化，进一步导致压电膜4上、下电极之间的电压发生变化，该电压通过后续的管理电路就可以为负载供电。

实施例三

请参考图3，在实施例一的基础上，在圆柱形盒体1的内部增加多根包括了压电膜42的压电复合梁5，压电复合梁5的一端固定于盒体1的侧壁上(即刚性壳102)，另一端固定于第二连接件22，压电复合梁5的梁的部分表面粘贴有压电膜42，压电膜42的上、下表面分别覆盖有金属电极。此时，盒体1是通过底面的柔性壳101固定于第一连接件21，并通过压电复合梁5固定于第二连接件22，第一连接件和第二连接件在底面的柔性壳处是固定在一起的，也就是说第二连接件是通过第一连接件间接固定于底座上的，盒体1振动时，刚性壳102不发生变形，盒体1的振动完全是底面柔性壳101和压电复合梁5的变形引起的。

在风的作用下，盒体1将发生风致振动，此时，底面柔性壳101的变形将导致其内表面的压电膜41内的应力发生变化，压电复合梁5的变形将导致其压电膜42内的应力发生变化，压电膜41和42的上、下电极之间的电压将发生变化，可实现对外供电。

实施例四

请参考图4，在实施例二的基础上，在圆柱形盒体1的内部增加多根压电复合梁5，此时，连接件分为三段，分别为第一连接件21、第二连接件22、及第三连接件23。第一连接件21将底面柔性壳101与底座3连接起来，第二连接件22的下端固定于第一连接件21的上端，压电复合梁5的一端固定于盒体1的侧面，另一端固定于第二连接件22的上端，第三连接件23的下端固定于第二连接件22的上端，第三连接件23的上端固定有盒体1顶面的柔性壳101，压电复合梁5的部分表面粘贴有压电膜42，压电膜42的上、下表面分别覆盖有金属电极，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51并和刚性壳的内壁连接。所述盒体1是通过顶面和底面的柔性壳101，以及压电复合梁5固定于连接件上的，盒体1振动时，刚性壳102不发生变形，盒体1的振动完全是底面和顶面的柔性壳101，以及压电复合梁5的变形引起的。

在风的作用下，盒体1将在第一连接件2上发生风致振动，此时，底面和顶面柔性壳101的变形将导致其内表面的压电膜41内的应力发生变化，压电复合梁5的变形将导致其压电膜42内的应力发生变化，压电膜41和42的上、下电极之间的电压将发生变化，可实现对外供电。

实施例五

请参考图5，在实施例一、二、三和四的基础上，将多个上述压电式风力发电装置用同一根第一连接件连接起来，形成串联结构，本实施例中的盒体1的几何尺寸及形状可略有差别，进行以上设置的目的是使阵列中各压电式风力发电装置的工作风速范围和风向范围略有差别，并使工作风速范围和风向范围相邻的两个压电式风力发电装置的工作风速范围和风向范围相邻有重叠区间，从而实现阵列结构的工作风速范围和风向范围的连续拓展。也就是说，当风速和风向在大范围内连续变化时，可确保至少一个压电式风力发电装置具有高电学输出。第一连接件分为多段，各段连接起来之后，整根第一连接件不一定是直的，可以根据需要弯曲成三维空间中的曲线形状，采用曲线形状的第一连接件有利于进一步拓宽风速范围。

实施例六

在实施例三的基础上，实施例六提供了一种柔性壳上没有第一能量采集单元的盒式压电式风力发电装置(图3去掉压电膜4后的装置)，以下仅对不同之处予以说明，圆柱形盒体的直径为6cm，高度为2cm，刚性壳的材料为聚乳酸薄膜，其壁厚为0.4mm，柔性壳直接采用橡胶气球的膜，盒体的内部设置了4根压电复合梁，压电复合梁是将0.05mm厚的pvdf压电薄膜粘贴在0.32mm厚的聚乳酸薄膜上制作形成的，压电复合梁的宽度为6mm。

在风洞中对实施例六提供的发电装置的性能进行了测试，实验中风速固定为10m/s，风向可在垂直于盒体侧壁的平面内(为了便于说明，下面将此平面简称为水平面)根据需要进行调整，为了便于分析，将某特定压电复合梁的长度方向设置为0°。对于某特定的风向，测出各复合梁对10兆欧负载的输出电压，进而计算出各压电复合梁的输出功率，将四根压电复合梁的输出功率加起来就得到该风向样机的总输出功率；渐次在水平面内改变风向，重复以上测量过程，就可以得到总输出功率随风向的变化关系。将不同风向的总输出功率都除以总输出功率的最大值，就得到风向在水平面内变化时的归一化总输出功率与风向的关系，图6就是在风速为10m/s时，测得的归一化总输出功率与风向的关系曲线。由图6可见，当风向在水平面内任意变化时，发电装置的最小总输出功率约为最大总输出功率的0.55倍，或者说总输出功率一直保持在最大总输出功率二分之一以上。振动能采集和风能采集的方向性评价通常是以最大功率的二分之一作为标准，根据该标准，样机具有水平面内全方向风能采集的能力。以上实验结果清楚地表明，本发明提出的盒式压电风能采集器具有很好的多方向风能采集性能。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对发明的限制。

虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。