一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置

1.本发明属于风能发电技术领域，具体涉及一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置。


背景技术：

2.随着传统化石能源的不断消耗，与之而来的是日益严重的环境污染问题，为此，世界各国均致力于寻找一种可替代的清洁能源发电技术；其中，风能作为一种广泛存在的绿色能源逐渐引起世界各国研究人员的注意。
3.目前，大型风力发电设备已广泛应用于我国西北各大风能丰富的省份，其利用风载荷驱动转子，通过转子与定子之间的相对位置发生变化切割磁力线输出电能的技术已经得到广泛验证；然而，自然界中普遍存在的软风（0.3-1.6m/s）、轻风（1.6-3.4m/s）等低速风能，由于其风向具有随机性而未充分得到应用；同样需要注意的是，随着物联网技术的不断发展，微机电系统不断朝着智能化、微型化方向发展，而传统线缆供电以及化学电池供电的方式均难以满足；为此，可以充分收集自然界中广泛存在的低速风能，并采用高效的能量转化机制实现风能向电能的转化为微机电系统供能。


技术实现要素：

4.为了解决低速风能由于风向不确定引起的风能发电转化率低的问题，本发明提出了一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置。
5.一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置，是由风向自适应可旋转支撑体、风力驱动模块、电磁发电模块和压电发电模块四大部分组成，所述风向自适应可旋转支撑体是由柱形支撑体（1）和一对轴承（2）组成，柱形支撑体（1）在轴承（2）的支撑下可以实现360
°
旋转；所述风力驱动模块包括扇叶罩（3）、扇叶（4）、转轴（5）、一对轴承（6），自然风激励扇叶（4）发生旋转，转轴（5）与扇叶（4）根部固定连接，在轴承（6）的支撑下，扇叶（4）带动转轴（5）发生旋转；所述电磁发电模块包括置于扇叶（4）末端的一对弧形磁铁（7）、固定连接在扇叶罩（3）上的弹簧（8）、移动磁铁（9）以及缠绕线圈（10），当扇叶（4）旋转的同时带动弧形磁铁（7）发生旋转，并周期性与移动磁铁（9）产生磁力作用，引起弹簧（8）的伸缩，由于弹簧弹力作用使得移动磁铁（9）在磁斥力周期作用间隙振动频率增加，进而增加线圈（10）内磁通量变化率，提高输出电能效率；同时，为了提高电能输出，可以沿扇叶罩（3）周向均匀布置弹簧（8）、移动磁铁（9）、线圈（10）数量；此外，为进一步提高风能利用率，可以在转轴（5）的末端设置相同配置的扇叶罩（3）、扇叶（4）、弧形磁铁（7）、弹簧（8）、移动磁铁（9）以及缠绕线圈（10），并利用风力驱动转轴（5）带动末端扇叶旋转，进而输出多倍电能；所述压电发电模块包括圆筒固定架（11）、磁铁（12）、压电振子（13），圆筒固定架（11）的纵轴线与柱形支撑体（1）的中轴线在装配时存在偏置距离，其目的是当自然风激励本装置时，由于圆筒固定架（11）两侧气动力不同，柱形支撑体（1）在轴承（2）的支撑下发生旋转，最终使得扇叶（4）与自然风方向相同，进而激励扇叶旋转，磁铁（12）固定在转轴（5）上，并随转轴旋转，压电振子
（13）是由基底层（13-1）、陶瓷压电片（13-2）、末端磁铁（13-3）组成，将压电振子（13）固定在圆筒固定架（11）上，由于磁铁（12）和末端磁铁（13-3）周期磁斥力作用，会引起陶瓷压电片（13-2）发生周期性变形，利用正压电效应输出电压，值得注意的是，末端磁铁（13-3）沿基底层（13-1）厚度方向对称固定，其目的是实现陶瓷压电片（13-2）产生相同角度的上扬与下弯，进而输出稳定电压；此外，为进一步提高风能利用率，压电振子（13）数量可以沿圆筒固定架（11）周向均匀布置。
6.与现有技术相比，本发明的有益效果是：所述的一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置，可以充分利用自然界随机方向低速风进行发电，极大地提高了风能利用率，本装置同时配置有电磁和压电双效发电模式，具有环境适应性强、结构紧凑等优点，可广泛应用于室外环境为低功耗设备供电。
附图说明
7.图1本装置整体结构剖视图；图2扇叶罩局部示意图；图3圆筒固定架内部示意图；图4压电振子示意图。
具体实施方式
8.下面结合附图说明通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
9.具体实施方式：如图1所示，所述的一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置，分别由风向自适应可旋转支撑体、风力驱动模块、电磁发电模块和压电发电模块四大部分组成，风向自适应可旋转支撑体包含柱形支撑体（1）和轴承（2），所述柱形支撑体（1）在轴承（2）的支撑下可以发生360
°
旋转；风力驱动模块包括扇叶罩（3）、扇叶（4）、转轴（5）、一对轴承（6），所述转轴（5）一端与扇叶（4）固定连接，另一侧通过固定在圆筒固定架（11）上的轴承（6），在轴承（6）的支撑下使得转轴（5）与扇叶（4）发生同步旋转；电磁发电模块如图2所示，包括扇叶（4）末端的弧形磁铁（7）、固定在扇叶罩上的弹簧（8）、固定在弹簧上的移动磁铁（9），所述弧形磁铁（7）与扇叶（4）发生同步旋转，并周期性与移动磁铁（9）发生磁斥力作用，由于弹簧（8）的作用，引起线圈（10）内磁通量变化率增加，进而输出感应电动势增加；压电发电模块包括圆筒固定架（11）、磁铁（12）、压电振子（13），在装配时柱形支撑体（1）中轴线与圆筒固定架（11）纵轴线存在偏置距离，当自然风激励本装置时，由于圆筒固定架（11）两侧气动力不同，柱形支撑体（1）在轴承（2）的支撑下发生旋转，最终使得扇叶（4）与自然风方向相同，进而激励扇叶旋转，所述磁铁（12）固定在转轴（5）上，并与转轴发生同步旋转，压电振子（13）末端固定在圆筒固定架（11）上，压电振子（13）末端磁铁（13-3）与磁铁（12）发生周期性磁斥力作用，从而引起陶瓷压电片（13-2）发生周期性变形，利用正压电效应输出电压，值得注意的是，压电振子（13）末端磁铁（13-3）沿基底层（13-1）厚度方向对称固定，如图4所示；此外为了进一步提高输出电能，如图2所示，在扇叶罩（3）上可以沿周向均匀布置弹簧（8）、移动磁铁（9）、线圈（10）数量，在转轴（5）另侧布置同样配置的扇叶罩（3）、扇叶（4）和电磁发电模块，如图2所示；同样，在圆筒固定架（11）内部可以沿周向均匀布置如图3所示压电振子（13）数量。
10.本装置工作原理：当本装置初始位置与自然风方向不一致时，由于柱形支撑体（1）中轴线与圆筒固定架（11）纵轴线存在偏置距离，导致圆筒固定架（11）两侧气动力大小不同，引起柱形支撑体（1）发生旋转，最终使得扇叶（4）正对自然风方向，并在自然风驱动下旋转，扇叶（4）末端配置有弧形磁铁（7），并与移动磁铁（9）发生周期性磁斥力作用，由于弹簧（8）的作用，增加了移动磁铁（9）的振动频率，从而提高线圈（10）内磁通量变化率，进而提高输出感应电动势；在扇叶（4）的驱动下转轴（5）发生同步转动，压电振子（13）末端的磁铁（13-3）与转轴（5）上的磁铁（12）发生周期性磁斥力作用，引起陶瓷压电片（13-2）发生周期性变形，利用正压电效应输出电压。


技术特征：
1.一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置，其特征在于：由风向自适应可旋转支撑体、风力驱动模块、电磁发电模块和压电发电模块组成；具体来说，风向自适应可旋转支撑体由柱形支撑体（1）和一对轴承（2）构成，所述柱形支撑体（1）末端分别与轴承（2）形成过盈配合，使得柱形支撑体（1）在轴承（2）的支撑下可以实现360
°
旋转；风力驱动模块包括扇叶罩（3）、扇叶（4）、转轴（5）、一对轴承（6），所述扇叶罩（3）内配置有可旋转扇叶（4），转轴（5）一端固定在扇叶（4）根部，并将转轴（5）另一侧通过一对轴承（6），使得转轴（5）在扇叶（4）驱动下旋转；电磁发电模块包括分别由弧形磁铁（7）、弹簧（8）、移动磁铁（9）、线圈（10）组成，所述弧形磁铁（7）分别配置在扇叶（4）尖端，弹簧（8）固定放置在扇叶罩（3）上，并在弹簧（8）末端固定移动磁铁（9），将线圈（10）固定在扇叶罩（3）上，在装配过程中保持弹簧（8）、移动磁铁（9）、线圈（10）轴线重合；压电发电模块包括圆筒固定架（11）、磁铁（12）、压电振子（13），所述圆筒固定架（11）连接在柱形支撑体（1）上，磁铁（12）周向固定于转轴（5）上，压电振子（13）末端固定在圆筒固定架（11）上，压电振子（13）分别由基底层（13-1）、陶瓷压电片（13-2）、末端磁铁（13-3）组成，在磁铁（12）与压电振子（13）末端磁铁（13-3）磁斥力激励下引起陶瓷压电片（13-2）发生变形，利用正压电效应输出电压。2.根据权利要求1中所述的一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置，其特征在于，柱形支撑体（1）的中轴线并非与圆筒固定架（11）的纵轴线重合，而是存在偏置距离，其目的在于，当本装置初始位置与风向不同时，由于圆筒固定架（11）两侧不同气动力激励作用，使得柱形支撑体（1）在轴承（2）的支撑下发生旋转，最终使得扇叶部分正对来流风向，以此实现风向自适应目的。3.根据权利要求1中所述的一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置，其特征在于，所述电磁发电模块中的弧形磁铁（7）固定在扇叶（4）尖端，扇叶罩（3）上配置有弹簧（8）、移动磁铁（9）、线圈（10），且弧形磁铁（7）与移动磁铁（9）存在斥力，其目的是弧形磁铁（7）在扇叶（4）旋转作用下周期性激励移动磁铁（9），并在弹簧（8）作用下提高线圈（10）的磁通量变化率，提高输出感应电动势。4.根据权利要求1中所述的一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置，其特征在于，在扇叶罩（3）上可以沿周向根据实际用电量需求均匀布置弹簧（8）、移动磁铁（9）、线圈（10）数量以及在转轴另侧布置同样配置的扇叶罩（3）、扇叶（4）和电磁发电模块，其目的是提高风能转化为电能的效率，输出多倍电能。5.根据权利要求1中所述的一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置，其特征在于，所述压电发电模块中的压电振子（13）的末端磁铁（13-3）沿基底层（13-1）厚度方向对称固定，其目的是，在磁铁（12）与末端磁铁（13-3）周期斥力作用下，引起陶瓷压电片（13-2）延厚度方向产生相同角度的上扬与下弯，从而输出稳定电压。6.根据权利要求1中所述的一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置，其特征在于，在圆筒固定架（11）内部可以沿周向根据实际用电量需求均匀布置压电振子（13）数量，其目的是进一步提高风能转化为电能的效率。

技术总结
本发明公开了一种多风向自适应电磁-压电复合发电装置，具体涉及清洁能源发电领域。本装置包括风向自适应可旋转支撑体、风力驱动模块、电磁发电模块和压电发电模块；具体工作原理：当随机多向自然风激励本装置时，由于可旋转支撑体的设计，引起扇叶叶片正对来流方向发生转动，从而带动转轴旋转，并通过电磁和压电双效发电机制实现风能向电能的转变；本发明解决的技术问题是提供一种风向自适应发电装置，能够将自然界中具有随机方向的风能充分采集并转化为电能，实现提高风能利用率的目标；本装置具有环境适应性强，结构紧凑，清洁无污染等特点，可以广泛应用于室外环境为低功耗微机电系统供能。电系统供能。电系统供能。


技术研发人员：张慧荣 宋汝君 张磊安 隋文涛 黄雪梅
受保护的技术使用者：山东理工大学
技术研发日：2022.01.24
技术公布日：2022/3/25