基于柔性聚合物压电材料的风能采集器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于柔性聚合物压电材料的风能采集器，包括叶片、转轴、柔性材料、圆柱形外壳、转盘、压电薄膜以及顶盖，所述转轴通过轴承固定在圆柱形外壳上，其只有一个旋转自由度，转轴的一端连接叶片，另一端连接转盘；所述柔性材料和压电薄膜构成柔性压电聚合物悬臂梁，多个柔性压电聚合物悬臂梁均布固定于圆柱形外壳上，所述顶盖安装在圆柱形外壳的底部。风带动叶片转动，转轴将运动传递给转盘，转盘在转动时会周期性地敲打柔性压电聚合物悬臂梁，压电薄膜在敲打和恢复变形的振动中产生电能。本发明结构简单、制作工艺要求低、能量采集效率高、使用寿命长、适用于宽风速变化范围环境，可为微型传感网络节点供能。
【专利说明】
基于柔性聚合物压电材料的风能采集器
技术领域
[0001]本发明属于基于压电材料的能量收集领域，具体涉及一种基于柔性聚合物压电材料的风能采集器。
【背景技术】
[0002]由于微机械加工、无线传感和微电子技术的迅速发展，无线传感器、射频识别系统、嵌入式系统以及它们形成的无线传感网络在生活中有着广泛的应用。采用传统电池供电，由于电池体积大、电容量有限、更换维护不方便等特点，使其无法满足要求。这就需要寻求新的供能方式来代替传统电池。压电式能量采集器具有结构简单、体积小、不发热、输出能量密度大、无电磁干扰、易于集成等优点。而风能在自然环境中广泛存在，是一种绿色清洁能源。因此基于压电的风能采集器能较好地解决无线传感网络节点供能的问题。
[0003]专利CN101951188A提出了一种利用风能的压电能量收集方法及装置，其通过旋转载体上的永磁铁致使压电悬臂梁产生振动，进而产生电能。专利CN102647112A提出了一种旋转式压电发电装置，通过多个旋转叶片将激励以脉冲式冲击荷载施加于多个压电谐振器，由于采用了33模式压电堆发电，其提高了发电效率。专利CN103812383A提出了一种风致振动压电能量收集装置，该装置结构简单，成本低。但当前的装置结构复杂、尺寸较大、电能采集效率不高；制造成本高，定子对动子的阻碍力大，需要的启动风速较高，在低风速的场合不适合使用;叶片位于腔体内部，其不利于风能转化为叶片的旋转机械能。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种基于柔性聚合物压电材料的风能采集器。由于采用了柔性的压电聚合物，压电悬臂梁可实现较大的变形，同时不像压电陶瓷片那样容易破碎、刚度大、变形小，因此其可以有效地采集风能并转化为电能。本发明具有结构简单、发电效率高、使用寿命高等优点。
[0005]为达到上述目的，本发明的技术方案是:
一种基于柔性聚合物压电材料的风能采集器，包括叶片、转轴、柔性材料、圆柱形外壳、转盘、压电薄膜以及顶盖，所述转轴通过轴承固定在圆柱形外壳上，其只有一个旋转自由度，转轴的一端连接叶片，另一端连接转盘;所述柔性材料和压电薄膜构成柔性压电聚合物悬臂梁，多个柔性压电聚合物悬臂梁均布固定于圆柱形外壳上，所述顶盖安装在圆柱形外壳的底部。风带动叶片转动，转轴将运动传递给转盘，转盘在转动时会周期性地敲打柔性压电聚合物悬臂梁，压电薄膜在敲打和恢复变形的振动中产生电能。
[0006]所述的转盘形状可以为叶片式、偏心轮式、多边形式等。转盘凸角的数目可以I个、2个、3个或其他个数，凸角的数目对应柔性压电聚合物悬臂梁在一个旋转周期内的被敲打次数。转盘凸角的凸起高度越大，其致使柔性压电聚合物悬臂梁(柔性材料和压电薄膜)变形越大;转盘凸角的凸起高度越小，其致使柔性压电聚合物悬臂梁变形越小。
[0007]所述的柔性压电聚合物悬臂梁可以以不同的安装角度固定在圆柱形外壳上。安装角度不同时，柔性悬臂梁的弯曲变形幅度不同，悬臂梁对转盘转动的阻力不同，转盘对悬臂梁的敲打频率也不同。柔性悬臂梁的数目可以I个、2个、3个或其他个数，其数目的增多可以提高电能的输出，同时也会降低转盘的转速。
[0008]所述的柔性压电聚合物悬臂梁和转盘位于圆柱形外壳内部，通过顶盖将其密封起来。外界环境对内部结构干扰小，内部结构不易损坏、使用寿命长。
[0009]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
与风致振动的能量采集器相比，无需使采集器的自身固有频率接近于外界的激励频率，以产生共振来获取较大的电能输出，本发明可在较宽的风速变化范围内有效地进行风能采集;本发明的柔性压电聚合物悬臂梁由于是由柔性材料和压电薄膜构成，所以其可以实现较大的变形，而不存在类似压电陶瓷悬臂梁会因振幅过大而碎裂的情况;正由于柔性悬臂梁大振幅的振动，因此其可以产生更多的电能;柔性压电聚合物悬臂梁和转盘凸角的个数可以进行调整，以使其在不同风速环境下有较好的输出性能;本发明叶片设置在壳体夕卜，有利于风能转化为叶片的旋转机械能;而柔性压电悬臂梁和转盘设置在圆柱形外壳内，可以减小外部环境的干扰，延长部件的使用寿命。本发明结构简单、制作工艺易于实现、成本低，适用于微型传感网络节点供能。
【附图说明】
[0010]图1为本发明的结构立体图。
[0011 ]图2为本发明内部的结构立体图。
[0012]图3为柔性压电聚合物悬臂梁和转盘安装位置示意图。
[0013]图4为转盘是偏心轮式的机构示意图。
[0014]图5为转盘是多边形式的结构示意图。
[0015]图6为转盘是叶片式的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]以下结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
[0017]如图1和图2所示，一种基于柔性聚合物压电材料的风能采集器，包括叶片1、转轴
2、柔性材料3、圆柱形外壳4、转盘5、压电薄膜6以及顶盖7，所述转轴2通过轴承8固定在圆柱形外壳4上，其只有一个旋转自由度，转轴2的一端连接叶片I，另一端连接转盘5;所述柔性材料3和压电薄膜6构成柔性压电聚合物悬臂梁，多个柔性压电聚合物悬臂梁均布固定于圆柱形外壳4上，所述顶盖7安装在圆柱形外壳4的底部。风带动叶片I转动，转轴2将运动传递给转盘5，转盘5在转动时会周期性地敲打柔性压电聚合物悬臂梁，压电薄膜6在被敲打和恢复变形的振动中产生电能。
[0018]如图3所示，所述的柔性压电聚合物悬臂梁(柔性材料3和压电薄膜6)可以以不同的安装角度固定在圆柱形外壳4上。假设柔性悬臂梁和过固定点的圆半径的夹角为σ，当柔性悬臂梁的安装角度σ增大时，悬臂梁对转盘5转动的阻力减小，在相同风速下转盘5的转速增加，从而转盘5对悬臂梁的敲打频率增加，但柔性悬臂梁的弯曲变形幅度减小，此时能量采集器的启动工作风速较低。当柔性悬臂梁的安装角度σ减小时，悬臂梁对转盘5转动的阻力增大，在相同风速下转盘5的转速减小，从而转盘5对悬臂梁的敲打频率减小，但柔性悬臂梁的弯曲变形幅度增大，此时能量采集器的输出电能较大。
[0019]如图3所示，所述的柔性压电聚合物悬臂梁的数目可以I个、2个、3个或其他个数，其数目的增多可以提高电能的输出，同时也会降低转盘5的转速。转盘5凸角的数目可以I个、2个、3个或其他个数，凸角的数目对应柔性压电聚合物悬臂梁在一个旋转周期内的被敲打次数。转盘5凸角的凸起高度越大，其致使柔性压电聚合物悬臂梁变形越大;转盘5凸角的凸起高度越小，其致使柔性压电聚合物悬臂梁变形越小。
[0020]如图4、图5、图6所示，所述转盘5形状可以为叶片式、偏心轮式、多边形式等。如图4所示，当转盘5采用偏心轮式时，其结构简单，转动惯量大，但启动风速高，而且一个旋转周期只能使一个柔性悬臂梁变形一次;如图5所示，当转盘5采用多边形式时，结构简单，加工方便，一个周期中可以使柔性悬臂梁变形多次，但转动惯量较大，启动风速较高；如图6所示，当转盘5采用叶片式时，其转动惯量低，启动风速低，结构稳定，凸角数容易控制。
[0021]本发明无需使采集器的自身固有频率接近于外界的激励频率，以产生共振来获取较大的电能输出，本发明可在较宽的风速变化范围内有效地进行风能采集;本发明的柔性压电聚合物悬臂梁由于是由柔性材料3和压电薄膜6构成，所以其可以实现较大的变形，而不存在类似压电陶瓷悬臂梁会因振幅过大而碎裂的情况；正由于柔性悬臂梁大振幅的振动，因此其可以产生更多的电能;柔性压电聚合物悬臂梁和转盘凸角的个数可以进行调整，以使其在不同风速环境下有较好的输出性能;本发明叶片设置在壳体外，有利于风能转化为叶片的旋转机械能；而柔性压电悬臂梁和转盘设置在圆柱形外壳内，可以减小外部环境的干扰，延长部件的使用寿命。本发明结构简单、制作工艺易于实现、成本低，适用于微型传感网络节点供能。
【主权项】
1.一种基于柔性聚合物压电材料的风能采集器，其特征在于，包括叶片(1)、转轴(2)、柔性材料(3)、圆柱形外壳(4)、转盘(5)、压电薄膜(6)以及顶盖(7)，所述转轴(2)通过轴承(8)固定在圆柱形外壳(4)上，其只有一个旋转自由度，转轴(2)的一端连接叶片(I)，另一端连接转盘(5);所述柔性材料(3)和压电薄膜(6)构成柔性压电聚合物悬臂梁，多个柔性压电聚合物悬臂梁均布固定于圆柱形外壳(4)上，所述顶盖(7)安装在圆柱形外壳(4)的底部。2.根据权利要求1所述的基于柔性聚合物压电材料的风能采集器，其特征在于，所述的柔性压电聚合物悬臂梁以不同的安装角度固定在圆柱形外壳(4)上;安装角度不同时，使得柔性压电聚合物悬臂梁的弯曲变形幅度不同，其对转盘(5)转动的阻力不同，转盘(5)对悬臂梁的敲打频率也不同。3.根据权利要求1所述的基于柔性聚合物压电材料的风能采集器，其特征在于，所述转盘(5)形状为叶片式、偏心轮式或多边形式，转盘(5)凸角的数目对应柔性压电聚合物悬臂梁在一个旋转周期内的被敲打次数，转盘(5)凸角的凸起高度影响柔性压电聚合物悬臂梁的变形大小。
【文档编号】F03D9/25GK106050570SQ201610386604
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月4日
【发明人】张健滔, 方舟
【申请人】上海大学