一种基于驻极体静电式风致mems发电机及其发电方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超小型微弱风MEMS发电机，具体涉及一种基于驻极体静电式风致MEMS发电机及其发电方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着微机电系统MEMS技术和“物联网”概念迅速发展，区域内物联的无线传感器网络系统得以极大的推进。微能源自供电技术，如化学微能源和物理微能源，自身可提供10 μ W-1mW的电能，因此它们被视为目前非常有效地解决无线传感器供能的关键技术。
[0003]自然界的风能是一种清洁能源并且时刻存在于生活中，风速可在0.lm/s?20m/s范围变化。随着无线传感网络、户外监测等微系统(耗能10 μ W?1W)的快速发展和其对无线微弱自供电技术的迫切需求，微小体积的微型MEMS风力发电机(直径<10cm)展现出极强的应用前景。目前的风致MEMS发电机主要有压电式和涡轮电磁式。压电式风致MEMS发电机将风能转换为微结构的振动能，利用压电效应将微结构振动能转换为电能，，但其在机械振动过程中伴随大量能量损耗，造成发电功率密度低，此外其体积较大，质量较重。涡轮式电磁式风致MEMS发电机在风的作用下，转子围绕定子发生相对运动，切割磁感线从而产生电能，但需要极高的风压推动转子旋转，因而在微弱风(小于5m/s)、低转速(小于10rpm)下发电功率密度低。
【发明内容】
[0004]针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于驻极体静电式风致MEMS发电机及其发电方法，启动风速可低至0.5m/s，I?5m/s风速下的发电功率在0.05?5mW/cm3范围内，在目前微风力MEMS发电技术中展现了超低风速启动和高发电密度的特性。
[0005]本发明的目的在于提供一种基于驻极体静电式风致MEMS发电机。
[0006]本发明的基于驻极体静电式风致MEMS发电机包括:发电机外壳、定子组件、叶片转子组件、中心轴和电源管理电路；其中，定子组件、叶片转子组件、中心轴和电源管理电路安装在筒状的发电机外壳内；定子组件固定在发电机外壳的底部，中心设置中心轴；叶片转子组件的中心通过轴承和轴套安装在中心轴上，并绕中心轴转动；定子组件包括定子基板、定子金属电极和驻极体，定子基板具有成福射状的2N个扇形的栅格，在定子基板上与叶片转子组件相对的表面设置有与其同形的2N个扇形的定子金属电极，N个间隔的定子金属电极上设置有驻极体，分别形成扇形叉指电极和扇形叉指驻极体；叶片转子组件包括转子基板、叶片和转子金属电极，叶片刚性固连在转子基板上与定子组件背对的表面上，转子基板具有成辐射状的N个扇形的栅格，在转子基板上与定子组件相对的表面设置有与其同形的N个扇形的转子金属电极；N个转子金属电极由导线电学连接，通过转子基板中心的中心轴连接至电源管理电路的一个输入端；N个未设置驻极体的定子金属电极由导线电学连接至电源管理电路的另一个输入端；发电机外壳上设置有外部接口，导线通过外部接口将电源管理电路的输出端口连接至外电路。
[0007]每一个扇形的转子金属电极的圆心角为a，每一个定子金属电极的圆心角为b，裸露(未设置驻极体)的定子金属电极与相邻的未裸露(设置驻极体)的定子金属电极之间的夹角，即间隙角为C，满足c > 0，c < a < 2b。转子金属电极和定子金属电极的厚度在0.1?0.5 μ??之间；驻极体的厚度在I?200 μπι之间；转子金属电极与驻极体之间的距离在5?500 μ m之间。
[0008]驻极体包括驻极体基体以及其表面上的极化电荷。设置在叶片转子组件上的转子金属电极与相对应设置在定子基板上的定子金属电极构成电容，转子金属电极在驻极体的感应下产生感应电荷。当有风吹动叶片旋转时，叶片转动带动转子金属电极转动，定子金属电极处于静止，转子金属电极与定子金属电极间正对面积发生周期性变化，造成电容值周期性的改变，定子金属电极与转子金属电极中的感应电荷因此发生周期性变化，进而在线路中产生感应的交变电流。在通过电源管理电路中的桥式整流电路时，感应的交变电流转化为直流，继而在匹配电阻形成直流电压并存储在电能存储单元上，在需要供能时通过外部接口向外部传感器供电。
[0009]驻极体的材料采用派瑞林Parylene、特氟龙Teflon和二氧化娃等驻极体材料中的一种。
[0010]发电机外壳的材料采用塑料，厚度在Imm?3cm之间，以保证轻质特征。
[0011]定子基板和转子基板的材料采用二氧化娃材质，厚度在0.3mm?0.5cm之间，以保证轻质特征。
[0012]驻极体和金属电极图案可通过微加工和MEMS工艺制成。
[0013]轴承、轴套和中心轴采用不锈钢或者轻质铝材。
[0014]电源管理电路包括桥式整流电路、匹配电阻、电能存储单元、变电器和输出端口 ；其中，定子金属电极与转子金属电极通过导线电学连接在桥式整流电路的两端；桥式整流电路与后端的匹配电阻、电能存储单元和变电器在电学上并联；输出端口包括电源线和地线，分别连接至发电机外壳上的外部接口。
[0015]进一步，本发明还包括制动机构，制动机构采用圆环形的弹性垫圈，固定在发电机外壳内，并且位于定子组件和叶片转子组件之间，与叶片转子组件之间有空隙。当风速超过阈值(例如12m/s)时，叶片连同转子基板发生形变，叶片转子组件与弹性垫圈之间的间隙减小直至转子金属电极与弹性垫圈接触，实现制动，以保护叶片免于受到超高风压的破坏；当风速减弱到阈值以内，转子基板与弹性垫圈分离，叶片转子组件可以再正常工作。本发明的另一个目的在于提供一种基于驻极体静电式风致发电机的发电方法。
[0016]本发明还包括尾翼，安装在发电机的尾部，用于感知风向，调节发电机的机身位置。
[0017]本发明的基于驻极体静电式风致MEMS发电机的发电方法，包括以下步骤:
[0018]I)设置在叶片转子组件上的转子金属电极与相对应设置在定子基板上的定子金属电极构成电容，并在驻极体上面的极化电荷的感应下形成感应电荷；
[0019]2)当有风吹动叶片旋转时，叶片转动带动转子金属电极转动，定子金属电极静止，转子金属电极与定子金属电极间正对面积发生周期性变化，造成电容值周期性的改变；
[0020]3)定子金属电极与转子金属电极中的感应电荷因电容值周期性的改变而发生周期性变化，进而在线路中产生感应的交变电流；
[0021]4)在通过电源管理电路中的桥式整流电路时，感应的交变电流转化为直流，继而在匹配电阻形成直流电压并存储在电能存储单元上，在需要供能时通过外部接口向外部传感器供电。
[0022]进一步，在发电机外壳内并且位于定子组件和叶片转子组件之间，固定制动机构，制动机构采用圆环形的弹性垫圈，与叶片转子组件之间有空隙，当风速超过阈值时，叶片连同转子基板发生形变，叶片转子组件与弹性垫圈之间的间隙减小直至转子金属电极与弹性垫圈接触，实现制动。
[0023]本发明的优点:
[0024]本发明采用在叶片转子组件和定子组件相对的表面设置扇形的金属电极，并且在定子组件相间隔的金属电极上设置驻极体，从而形成电容并产生感应电荷；叶片转动时，转子金属电极与定子金属电极间正对面积发生周期性变化，造成电容值周期性的改变，金属电极间的感应电荷因此发生周期性变化，向电源管理电路输出交