一种基于压电纳米发电机的万向高效风力发电装置的制作方法

本发明涉及到一种风能收集装置，具体来说是一种基于压电纳米发电机的万向高效风力发电装置。

背景技术：

随着资源匮乏与环境污染问题的日益严峻，能源的开发与高效利用成为当前的一种趋势。电能作为人类生活中比不可缺的能源形式，其获取途径越来越重要，而一些传统的发电方式则不免存在一些弊端，例如传统的风力发电要求有合适的地理位置来建设相应的发电设施，且装置整体体积较大，维修及保养难度高，同时对地形要求较高，需要平原地区，这对于人口日益增长的土地也是一种负担。因此迫切需要一种便捷化、绿色环保的电能收集方式进行能量的收集。

风是由空气流动引起的一种自然现象，太阳光照射在地球表面上，使地表温度升高，地表的空气受热膨胀变轻而往上升。热空气上升后，低温的冷空气横向流入，上升的空气因逐渐冷却变重而降落，由于地表温度较高又会加热空气使之上升，这种空气的流动就产生了风。由于风的吹动具有无规律性，这使得设计一种随时跟随风能变化方向的风能收集装置十分必要；同时，风可以说是无处不在，若能脱离传统的风能发电束缚，可以随时随地地对风能进行有效收集，可以大大缓解能源问题，小型化的风能收集也是一种新思路。

近年来，采用智能新材料进行能量的收集成为学术圈的热点问题，纳米发电机出现对能量的收集是一种创新的思路；区别于摩擦纳米发电机，压电纳米发电机的结构简单、发电效率高、成本低，特别是能够满足各类形变要求制造一些发电装置，成为能量收集的优选。同时，现在普遍使用的风力发电机重量大，成本高，能量收集率低，对环境要求高，这些问题限制了风能的收集技术的发展。

因此，基于压电纳米发电机，提出一种结构精巧、装拆便捷、成本低廉、无污染、对环境要求低、可广泛应用且高效的能量收集装置，其意义重大。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种随风向而万向转动、结构精巧、装拆便捷、成本低廉、无污染、功能综合、应用广泛、高效能的发电装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明是一种万向高效风力发电机，其特征是：包含了发电模块、肌肉组合、支撑模块、储能模块以及自适应万向模块。其中，发电模块包含发电模块外壳风杯、风扇、传动轴、固定拨片以及传感器；肌肉组合模块包含发电片、绝缘片、弹性夹层；支撑模块包含连杆、固定夹、主支撑轴以及支撑板；储能模块采用新型智能材料制成的微型装置，降低整体装置的重量和体积，包含储能模块外壳以及电池；自适应万向模块包含内固定环、外固定环、底部支座。

具体来说，发电模块以及肌肉组合是装置的主要部分，也是发电的主要部分，这两个模块配合自适应万向模块进行最大效率工作。发电模块共有五个组，其中安装有风扇的四组(下称发电模块)呈圆周阵列于主支撑轴外部，风扇安装于传动轴同侧，另一组没有安装风扇的(下称发电模块)位于主支撑轴底部，风杯则安装于主支撑轴的顶部。肌肉组合位于发电模块内部，二者整体即构成发电的主要部分。发电模块外壳内部平行于传动轴方向有两层，即内层和外层，垂直于传动轴方向分为两个独立隔室，每个隔室又分为两层，每层均有固定拨片通过固定夹呈圆周阵列安装于内层外壁以及外层内壁上，且彼此互不干涉；传动轴位于发电模块外壳轴心，每个发电模块内部有四块支撑板，两两通过卡盘紧固安装于传动轴上，位置对应于发电模块外壳内层缺口；肌肉组合则通过固定夹呈圆周阵列安装于支撑板内外两侧，与固定拨片对应且彼此之间互不干涉。发电模块及肌肉组合通过发电模块外壳与自适应万向模块中的内外环的间隙配合整体呈圆周阵列安装于主支撑轴外侧，可以随风向实现小幅度的自由摆动；发电模块则是传动轴紧固连接于主支撑轴底部，且连接以此来实现能源收集效率的最大化。装置整体体积不大，安装便捷，安装固定后当有周围有风时，会推动风杯，带动主支撑轴旋转，进而带动发电模块的传动轴旋转，拨片拨动发电片使发电片产生形变进而发电；发电模块则随主支撑轴作圆周运动，受风力影响风扇转动，带动传动轴旋转，同样拨片拨动发电片使发电片产生形变进而发电。并且发电模块方向可以自动随风向进行小幅度调整，因此装置可以自适应各种风向进行发电，使得发电效率大大提高。储电模块位于主传动轴下部，各级弹性夹层单独通过导线与之相连，汇集到储电模块外壳内，通过输入端口进入安装在外壳内的电池中储存。需要注意，储电模块是采用新型智能材料制成的微型装置，降低整体装置的重量和体积。储电模块底部与自适应万向模块中的底部支座相连，底部支座也可以由上部装置带动一定程度上根据风向改变角度，达到风能收集效率最大化。支撑模块另一个作用是通过连杆、固定夹、卡盘等部件保持装置整体稳定，最大效率进行工作。

实际使用时，可选择合适的底部支座，将装置安装于任意可供安装的位置，如房顶、车顶等，然后适当调整主支撑轴及发电模块的角度后即可。受风力作用时，风杯会带动主支撑轴及发电模块传动轴转动，发电模块内支撑板随传动轴转动，进而发电片转动，而此时外壳不动，固定拨片拨打发电片，使肌肉组合发生形变进而发电。同时，发电模块随主轴进行圆周运动，运动过程中风扇受力转动，带动传动轴转动，同理进行发电；当需要更换零部件，例如发电片长期使用产生损耗需要更换时，只需将相应发电模块及肌肉组合拆下打开更换即可。装置各级结构之间相互联动又互不形成干涉，确保了装置的稳定性；此外，装置将多个发电模块进行两种布置以及模块内部多层结构的设置，保证了能量的收集率以及装置的高效性。

本发明的优势在于：①本发明采用模块化的组合结构，装拆便捷、应用范围广泛，同时，基于万向机构的创新设计可自适应风向而万向转动，进而实现风能收集；②本发明多个模块内部多层结构的设置，基于压电纳米功能发电机作为收集单元，具有智能化与高效能的优势；③本发明对于发电条件要求低，几乎可用于任何天气、任意位置；④本发明占地面积小，对于日益增长的土地压力可以起到一定的缓解作用，同时克服了大型收集装备的显著缺陷；⑤本发明造价较低，成本相对低廉，同时方便更换零部件，适合大批量生产及使用，社会效益深远。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图

图2是本发明整体结构俯视图

图3是发电模块及肌肉组合结构示意图

图4是发电模块内部结构示意图

图5是发电模块结构侧视图

图6是支撑板、发电片及卡盘安装结构示意图

图7是发电模块及内外环安装示意图

图8是储电模块结构示意图

图9是底部支撑底座结构示意图

图10是肌肉组合结构示意图

具体实施方式

下面结合结构示意图通过具体实施方式对本发明进行说明。

本发明是一种万向高效风力发电机，其特征是：基本结构为自适应万向模块、发电模块、肌肉组合、储能模块以及支撑模块。其中，自适应万向模块包含内固定环、外固定环以及底部支座；发电模块包含风杯、风扇、传动轴、固定拨片以及传感器；肌肉组合模块包含发电片、绝缘片、弹性夹层；储能模块采用新型智能材料制成的微型装置，降低整体装置的重量和体积，包含储能模块外壳以及电池；支撑模块包含外壳、连杆、固定夹主支撑轴以及支撑板。

本装置的发电原理为：装置安装于适当位置后，受风力作用时，风杯会带动主支撑轴及发电模块ii-5传动轴转动，发电模块ii-5内支撑板随传动轴转动，进而发电片转动，而此时外壳不动，固定拨片拨打发电片，使肌肉组合发生形变进而发电。同时，发电模块ii-1～4随主轴进行圆周运动，运动过程中风扇受力转动，带动传动轴转动，同理进行发电。装置中的自适应万向模块则会随着装置整体运动以及装置所受风向来对装置整体角度以及发电模块角度进行自适应性的调整，来保证装置对风能收集效率的最大化。当需要更换零部件，例如发电片长期使用产生损耗需要更换时，只需将相应发电模块及肌肉组合拆下打开更换即可。装置各级结构之间相互联动又互不形成干涉，确保了装置的稳定性；此外，装置将多个发电模块进行两种布置以及模块内部多层结构的设置，保证了能量的收集率以及装置的高效性。

以下是装置各个部分的组成结构及工作原理：

如下图1、2、3、7、8、9所示，本发明主要包含自适应万向模块i、发电模块ii、肌肉组合iii、储能模块iv和支撑模块v。自适应万向模块i包括内固定环12、外固定环13以及底部支座16，主要起随风向调整装置整体及部分模块的方向的作用；支撑模块v主要起支撑以及传动的作用，包含了连杆3、固定夹11、卡盘10、主支撑轴2以及支撑板7；发电模块ii和肌肉组合iii，是整个装置的核心部分，用于形变产生电能，发电模块ii主要包含风杯1、固定拨片5、风扇4、传动轴8、发电模块外壳9，其中发电模块外壳采用了新型耐腐蚀材料，可有效延长整体装置的使用寿命；肌肉组合iii主要包含传感器、发电片18、绝缘片17、弹性夹层6；此部分另外包括了支撑模块v中的固定夹11、卡盘10以及支撑板7；储电模块iv是采用新型智能材料制成的微型装置，用于储存装置产生的电能，包含储能模块外壳以及电池。

结合图1、2、8，发电模块ii-1～4呈圆周阵列分布于主支撑轴2四周，通过连杆3、内固定环12以及外固定环13将发电模块外壳9固定于主支撑轴2上。外壳采用新型耐腐蚀材料，可有效延长整体装置的使用寿命，同时质量较轻，便于装置随风调整方向。发电模块ii-5将传动轴8紧固于主支撑轴2底部；风杯1则紧固于主支撑轴2顶部。通过整体图1可以看出，发电部分有序排列于主轴周围，彼此之间既有部分联动，又做到整体互不干涉。

本发明发电模块ii、肌肉组合iii结构及工作原理如下：

本发明中，结合图3、4、6、10，发电模块和肌肉组合是整个装置的核心部分用于产生电能，主要包含了发电片18、绝缘片17、风杯1、风扇4、发电模块外壳9、传动轴8、传感器、固定拨片5、弹性夹层6，同时包含了支撑模块v中的固定夹11、卡盘10和支撑板7。其中，风杯1紧固于主支撑轴2顶部，相对独立。发电模块外壳9通过内固定环12和外固定环13固定于主支撑轴2上，发电模块外壳9共有两层。固定拨片5通过固定夹11呈圆周阵列安装于发电模块外壳9外层内壁以及内层外壁上。发电模块外壳9内分为两个隔室，每个隔室又分为两层，中间有一圈沟槽。传动轴8位于发电模块外壳9轴线上，可以与发电模块外壳9保持相对静止的同时进行自转传动。支撑板7通过卡盘10紧固于传动轴8上，安装位置位于发电模块外壳9内沟槽中。发电片18与绝缘片17交错相叠构成一个简单肌肉组合，一端通过固定夹11呈圆周阵列固定于支撑板7两侧。风扇4则紧固安装于传动轴一端。当有风力作用于风扇4上时，风扇4连接传动轴8进行转动，带动支撑板7做圆周运动，由发电片18和绝缘片17组成的简单肌肉组合随之做圆周运动，固定拨片5固定于发电模块外壳9上不动，拨动肌肉组合使其发生形变并由此产生电能。通过图1可以看出，上述结构在装置中具有有序排列的多个类似结构，极大地提高了空间利用率与发电效率。

本发明中储能模块iv结构及作用如下：

结合图1、8，其储能模块iv位于主支撑轴下端，发电模块ii通过导线与储能模块外壳14内的电池基座相连，电池15通过螺栓紧固安装于电池基座上，安装时对应基座上的充电口，装置进行发电的同时将电能充入电池15内，达到储电的效果。需要使用时，将电池15取出连接用电器即可使用，也可直接进行连接。电池部分同样方便拆装、更换，且使用新型智能材料，降低装置整体重量与体积，减少能量及设备损耗，以达到能量收集效率的最大化。

本发明中支撑模块v结构及作用如下：

结合图2、5、7，可以看出发电模块ii外壳9通过轴间间隙配合固定于内固定环12上，内固定环12同样通过轴间间隙配合固定于外固定环13上，且两者固定轴线呈90°，因此可以保证发电模块ii可以在一定范围内进行方向的转动以及调整。外固定环13则通过连杆3固定于主支撑轴2上。发电模块ii、内固定环12、外固定环13呈圆周阵列于主支撑轴四周，结构有序排列且互不干涉，提高了空间利用率与发电效率。