一种基于挠曲电效应的风力发电装置及照明系统

1.本装置涉及新能源技术领域，具体涉及一种基于挠曲电效应的风力发电装置及照明系统。


背景技术：

2.压电效应是应力与电极化的线性耦合，通常描述为对晶体施加压力后伴随有电荷产生的现象。压电效应作为介电材料中最常见的一类力电耦合，在航空、航天、航海、土木工程得以广泛的应用。目前已经公开了一些的基于压电效应设计的风力发电装置，如公开号为cn202110290462.1的中国发明专利申请公开了风致振动的压电式风力发电装置及压电式风力发电装置组，其在风载荷的作用下基于压电效应发明的一种发电装置。但这种基于压电效应结构的风力发电装置存在一些缺点：第一，在材料介电材料的选择方面，许多介电材料虽然具有良好的力电耦合特性，如pmnt，pzt等，但是却因为它们含铅等重金属极易污染环境；第二，压电陶瓷材料在使用之前必须经过高压极化出来，这将使成本增加；第三，由于压电效应的机理使它必须在低于居里温度的环境工作；第四，压电效应存在随时间退化现象。
3.与压电现象不同，挠曲电效应是一种广泛存在于各类电介质材料中的力-电耦合现象。挠曲电效应是指非均匀应变场(如应变梯度局部破坏反演对称)在电介质中产生电极化的现象，即使对于中心对称晶体，挠曲电效应同样可以使材料产生电极化。由于不受晶体对称性限制，挠曲电效应普遍存在于所有的电介质中，包括非压电材料和各向同性材料。


技术实现要素：

4.基于以上现有技术存在的不足，本发明设计一种基于挠曲电效应的风力发电装置及照明系统，通过风力作用于挠曲电发电单元内的圆台挠曲电晶体产生应变梯度，由于挠曲电效应产生的电流存储于储能单元，当光线变暗后光敏感应开关打开接通电路，驱动led等照明，从而实现偏远山区自供电照明。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种基于挠曲电效应的风力发电装置，包括支架和安装在支架上的储能单元和若干只片状结构的发电单元；
7.所述的发电单元两侧面分别设置有石墨电极板，石墨电极板之间设置有若干只挠曲电晶体，所述的挠曲电晶体为圆台结构，圆台的台顶面和台底面均镀有电极，电极紧贴对应的石墨电极板设置；发电单元的内部填充有环氧树脂，将石墨电极板固定在壳体上；石墨电极板分别通过导线与储能单元连接；
8.所述的发电单元在风力作用下，挠曲电晶体受到压缩，使得圆台的台顶面和台底面产生极化电荷，并将电能储存在储能单元内。
9.上述基于挠曲电效应的风力发电装置中，所述的发电单元为树叶状，从叶尖到叶根的厚度逐渐变大，且内部的挠曲电晶体随叶片厚度相应变化；叶片的根部设置有导管供
导线穿过。
10.上述基于挠曲电效应的风力发电装置中，在导管和水平支架之间设置有摆动机构，所述的摆动机构包括空心球和半空心球；空心球的半径小于半空心球的半径，并设置在半空心球腔体内；半空心球通过环状件固联在水平支架的下方，且半空心球的下端设置有通孔，导管穿过通孔后与空心球固联，导管和空心球内部均设置有供导线穿过的直孔。
11.上述基于挠曲电效应的风力发电装置中，电极为厚度5nm的喷碳导电层。
12.上述基于挠曲电效应的风力发电装置中，所述支架包括水平支架、竖向支架和旋转机构，水平支架通过旋转机构沿竖向支架转动。
13.上述基于挠曲电效应的风力发电装置中，挠曲电晶体材料为非极化锡钛酸钡。
14.一种基于挠曲电效应的风力发电照明系统，包括基于挠曲电效应的风力发电装置；所述的支架上还设置有led灯和驱动电路单元，所述的驱动电路单元与储能单元电连接，并点亮led灯。
15.上述基于挠曲电效应的风力发电照明系统中，照明系统还包括在驱动电路单元上设置的光敏感应开关。
16.本发明具有的有益技术效果如下：
17.一、本发明采用挠曲电晶体作为发电单元，使用之前不必经过高压极化，且不受晶体对称性和居里温度的限制，同时挠曲电效应普遍存在于所有的电介质中，这将为挠曲电晶体提供更多的材料选择空间，降低了系统成本。
18.二、本发明的发电单元设计源于真实树叶的仿生原理，这种发明可以利用较小的风力其发生摆动，从而增加了发电的功效。由于挠曲电效应具有小尺寸效应(即尺寸越小效应越强)和长期稳定性等优点，本发明可设分布竖直方向设置多个水平支架，水平支架可绕竖直支架自有转动及摆动，这种设计可使各个方向风力自由转动，受压后由于挠曲电效应而产生的电信号幅度增大，显著提高了能量转换效率。另外挠曲电发电单元采用圆台形挠曲电材料元件，消除了棱角处的应力集中，
19.三、本发明可全天候存储电能，光线变暗后可自动打开led等，实现了自供电智能照明功能，结构简单可靠，性价比高。
附图说明
20.图1基于挠曲电效应的风力发电装置结构示意图。
21.图2供电电路装置示意图。
22.图3树叶状挠曲电发电单元的三维结构示意图。
23.图4树叶状挠曲电发电单元的主视剖面图
24.图5树叶状挠曲电发电单元的侧视剖面图。
25.图6圆台形挠曲电晶体示意图。
26.图7摆动机构结构示意图。
27.图8挠曲电晶体工作原理示意图。
28.附图标记如下：1—壳体；2—挠曲电晶体；3—石墨电极板；5—环氧树脂；6—导线；7—导管；8—电极；10—发电单元；11—摆动机构；12—水平支架；13—外接电路装置；14—led灯；15—竖向支架；17—半空心球；19—旋转机构；20—储能单元；21—驱动电路单元；
22—光敏感应开关；25—通孔；26—空心球；27—环状件；28—直孔。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
30.如图1和图2所示，本发明一种基于挠曲电效应的风力发电照明，包括支架和安装在支架上的储能单元20、有led灯14、驱动电路单元21和若干只片状结构的发电单元10；发电单元10两侧面分别设置有石墨电极板3，石墨电极板3之间设置有若干只挠曲电晶体2，所述的挠曲电晶体2为圆台结构，圆台的台顶面和台底面均镀有电极8，电极8粘接在对应的石墨电极板3上；发电单元10的内部填充有环氧树脂5，将石墨电极板3固定在壳体1上；石墨电极板分别通过导线6与储能单元连接；石墨电极板3优选厚度为10nm、外部尺寸为数厘米，电极8为厚度5nm的喷碳导电层。每只挠曲电晶体均为挠曲电介电材料制成的圆台，挠曲电介电材料优选非极化锡钛酸钡(简称bts)材料制成。
31.发电单元10在风力作用下，挠曲电晶体2受到压缩，使得圆台的台顶面和台底面产生极化电荷，并将电能储存在储能单元20内。支架上还设置有包括led灯14和驱动电路单元21的外界电路装置13，所述的驱动电路单元与储能单元电连接，并点亮led灯14。驱动电路单元上设置有光敏感应开关22，在天色变暗时光敏感应开关22闭合，由储能单元20对led灯14供电。储能单元20为高性能锂离子充电电池组。
32.如图3至图6所示，作为一种优选方式，挠曲电发电单元10设计源于真实树叶的仿生原理，树叶尖端薄，根茎部分厚，从叶尖到叶根的厚度逐渐变大，且内部的挠曲电晶体2随叶片厚度相应变化；叶片的根部设置有导管7供导线6穿过。这种树叶形仿生设计可最大程度地有效利用风力。当来自四面八方的风吹向这种树叶状挠曲电发电单元时，它们都能正常转动或摆动，也不至于阻力过大而造成树干形支撑破坏，即使较小的风力其也能发生顺风摆动，从而使每个树叶状挠曲电发电单元都能工作，产生的电信号增大，显著提高了能量转换效率。
33.如图7所示，在导管7和水平支架12之间设置有摆动机构11，摆动机构11包括轻质塑料材料制成的空心球26和半空心球17；空心球26的半径小于半空心球17的半径，并设置在半空心球17腔体内；半空心球17通过环状件27固联在水平支架12的下方，且半空心球17的下端设置有通孔25，导管7穿过通孔25后与空心球26固联，且通孔25的口径远大于导管7的外径，便于其大角度摆动。导管7和空心球26内部均设置有供导线6穿过的直孔。石墨电极板3引出的导线6经过导管7和空心球26后固定在水平支架12上，并与储能单元20连接。
34.当风力作用至树叶状的发电单元10时，空心球26可在半空心球17腔体内360
°
范围内大角度自由摆动，避免导线6的缠绕，在增加挠曲电效应产生的电流值的同时，确保了装置工作的可靠性和稳定性。
35.作为一种优选方式，支架包括水平支架12、竖向支架15和旋转机构19，水平支架12通过旋转机构19沿竖向支架15转动。其中旋转机构可采用滚动轴承支撑的转轴，水平支架12设置在转轴上，绕转轴自由转动。旋转机构19和摆动机构11的目的在于使得树叶状的发电单元10为适应不同强度和方向的风，从而提高风力转换为电能的效率。
36.如图1和图8所示，当风力作用于挠曲电发电单元使其摆动时，内部的每个圆台形挠曲电晶体受到压缩作用，而沿高度方向的应变值大小不同，从而导致沿高度方向产生均
匀应变梯度，其表达式为
[0037][0038]
式中:f为惯性力，e为圆台形挠曲电材料的弹性模量，r、r分别为圆台上下表面的半径，h为圆台的高度。
[0039]
因此，当多个非极化圆台形进行同一方向组合时，由于挠曲电效应引起圆台形挠曲电材料上下表面产生极化电荷，其表达式为：
[0040][0041]
其中，n为非极化圆台的个数。μ是挠曲电系数。p是由挠曲电效应导致的应变梯度产生的极化。q是上下隔离电极板上金属电极的输出电荷。
[0042]
通过上面公式推导，得出电荷的表达式为
[0043][0044]
理论模拟表明，当风力发电装置安装有8只发电单元，每个发电单元叶片的宽度为长度为10cm，宽度为5cm，每个发电单元10内部设置有20只厚度从5mm至10mm的圆台型挠曲电晶体2，在风力为4级的情况下，可产生约1.5w的功率。
[0045]
工作时将基于挠曲电效应产生的电流存储于储能单元，当光线变暗后光敏感应开关打开接通电路，驱动led等照明，可实现偏远区域自供电照明。这种基于挠曲电效应的风力发电装置节能环保，结构设计合理，具有广泛的推广价值。