一种介电薄膜式微型风能采集器 |
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| 申请号 | CN202311766465.3 | 申请日 | 2023-12-20 | 公开(公告)号 | CN118017873A | 公开(公告)日 | 2024-05-10 |
| 申请人 | 重庆大学; | 发明人 | 尚正国; 贺显明; 马亚明; 曾森; 刘婧妍; 赵闯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种介电 薄膜 式微型 风 能 采集器，属于 能量 采集技术领域。本发明的介电薄膜式微型 风能 采集器，包括风腔 外壳 6和位于风腔外壳6内部的 颤振 俘能单元 电极 2、颤振型介电厚膜3、涡振型介电薄膜4、涡振俘能单元电极5，另外风腔外壳6中顶部和底部一侧的对应 位置 设置有集风口1，在风能采集中具有良好的应用前景。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种介电薄膜式微型风能采集器，其特征在于，所述风能采集器包括风腔外壳(6)和位于风腔外壳(6)内部颤振俘能单元电极(2)、颤振型介电厚膜(3)、涡振型介电薄膜(4)、涡振俘能单元电极(5)； |
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| 说明书全文 | 一种介电薄膜式微型风能采集器技术领域背景技术[0002] 风能作为一种可再生的清洁能源，受到了国内外的高度关注与广泛应用。传统的大型风力发电机虽然能够有效地利用风能，但是其造价昂贵，设备维护成本高，同时由于需要较大的占地面积，限制了其在城市或人口密度大的地区的应用。因此，具有体积小、重量轻、成本低、安装方便、应用不受环境和地区限制等优点的微型风能采集器已成为风能采集的一种新颖且具有广泛应用前景的采集形式。 [0003] 微型风能采集器主要包括微型旋转式风能采集器和微型风致振动式风能采集器。微型旋转式风能采集器在设计与应用过程中存在许多缺点，如制造工艺复杂，由于域空气阻力大而导致收集效率低，以及设备轴承损失严重。微型风致振动式风能采集器因其简单性和大规模制造可行性，成为近年来微型风能采集器的研究热点。微型风致振动能量采集器是指依据涡振、驰振、颤振和涡街等风致振动现象将风能转化为振动能量，然后再转换为电能。微型风致振动能量采集器的共同特点：只有当风速超过一定的风速(临界风速)时，采集器才能产生更高的电能输出。与涡激振动式微型风致振动能量采集器相比，驰振和颤振式微型风致振动能量采集器具有更高的电输出，但启动风速往往更高。 [0004] 因此，研发具有低临界风速和高功率输出的微型风致振动能量采集器，具有重要的学术科研价值和广阔的应用前景，为推动微型风能采集器实用化具有重要的作用。 发明内容[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种介电薄膜式微型风能采集器。 [0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案： [0008] 所述风腔外壳6中顶部和底部一侧的对应位置设置有集风口1； [0009] 所述颤振俘能单元电极2包括位于风腔外壳6顶部下的颤振俘能单元上电极2‑1和位于风腔外壳6底部上的颤振俘能单元下电极2‑2，所述涡振俘能单元电极5包括位于风腔外壳6顶部下的涡振俘能单元上电极5‑1和位于风腔外壳6底部上的涡振俘能单元下电极5‑2，其中颤振俘能单元电极2位于靠近集风口1一侧； [0010] 所述颤振型介电厚膜3介于颤振俘能单元上电极2‑1和颤振俘能单元下电极2‑2中间，所述涡振型介电薄膜4位于涡振俘能单元上电极5‑1和涡振俘能单元下电极5‑2中间，其中所述颤振型介电厚膜3和涡振型介电薄膜4直接相连。 [0011] 优选的，所述集风口1、颤振俘能单元电极2和颤振型介电厚膜3、涡振型介电薄膜4、涡振俘能单元电极5的长度与风腔外壳6内部的长度相同； [0012] 所述集风口1、颤振俘能单元电极2和涡振俘能单元电极5的宽度总和小于风腔外壳6内部的宽度； [0013] 所述颤振型介电厚膜3和涡振型介电薄膜4的宽度总和小于风腔外壳6内部的宽度。 [0014] 优选的，所述集风口1、颤振俘能单元电极2和涡振俘能单元电极5相互之间并不直接相连。 [0015] 优选的，所述颤振型介电厚膜3的材料包括PDMS膜、CYTOP膜、PP膜、PTFE膜、FEP膜、尼龙膜、PEI薄膜或橡胶膜中的任意一种。 [0016] 优选的，所述涡振型介电薄膜4的材料包括PTFE膜、FEP膜、尼龙膜、PEI薄膜、橡胶膜、PDMS膜、CYTOP膜或PP膜中的任意一种。 [0017] 优选的，所述颤振俘能单元电极2和涡振俘能单元电极5的材料均包含Al、Cu、Ag、Ti或Au中的任意一种。 [0018] 优选的，所述集风口1为正方形通孔、长方形通孔、圆形通孔、四棱锥通孔或漏斗形通孔。 [0020] 优选的，所述涡振型介电薄膜4的形状为长方形、正方形、三角形、正梯形或倒梯形中的任意一种。 [0021] 优选的，所述集风口1和风腔外壳6的材料包含亚克力、特氟龙或木材中的任意一种。 [0022] 本发明的有益效果在于：本发明公开了一种介电薄膜式微型风能采集器，包括风腔外壳6和位于风腔外壳6内部的颤振俘能单元电极2、颤振型介电厚膜3、涡振型介电薄膜4、涡振俘能单元电极5，另外风腔外壳6中顶部和底部一侧的对应位置设置有集风口1。本发明风能采集器的具有以下优点：(1)无需大型转子和齿轮箱等复杂的机械结构，且在工作中没有机械运动，因此具有结构简单、小巧轻便、噪音与振动小的特点；(2)该风能采集器的介电薄膜式颤振膜及其颤振膜后面带叶尾的涡振膜(颤振型介电厚膜和涡振型介电薄膜)可有效地降低临界风速，提升风能采集效率；(3)本发明风能采集器的颤振膜与涡振膜都可有效地调节微型风能采集器振动频率和振幅；(4)本发明风能采集器的颤振俘能单元与涡振俘能单元之间通过电荷泵电路、倍压电路或半波整流电路方式连接，可有效地提升器件的输出电压和输出功率密度。由此可见，本发明公开了的电薄膜式微型风能采集器在风能采集中具有良好的应用前景。 [0023] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明 [0024] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中： [0025] 图1是本发明介电薄膜式微型风能采集器的结构示意图； [0026] 图2是本发明介电薄膜式微型风能采集器的A‑A’截面示意图； [0027] 图3是本发明介电薄膜式微型风能采集器的B‑B’截面示意图； [0028] 图4为实施例1中介电薄膜式微型风能采集器在不同环境风速下的开路输出电压； [0029] 其中，1为集风口、2为颤振俘能单元电极(2‑1为颤振俘能单元上电极、2‑2为颤振俘能单元下电极)、3为颤振型介电厚膜、4为涡振型介电薄膜、5为涡振俘能单元电极(5‑1为涡振俘能单元上电极、5‑2为涡振俘能单元下电极)、6为风腔外壳。 具体实施方式[0030] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。 [0031] 实施例1 [0032] 一种介电薄膜式微型风能采集器，其结构示意图如图1所示、A‑A’截面示意图如图2所示、B‑B’截面示意图如图3所示。 [0033] 该风能采集器包括风腔外壳6(其材料为亚克力)和位于风腔外壳6内部的集风口1(其材料为亚克力、形状为正方形通孔)、颤振俘能单元电极2(材料为Al)、颤振型介电厚膜3(材料为PDMS膜)、涡振型介电薄膜4(材料为PTFE膜、形状为长方形)、涡振俘能单元电极5(材料为Al)； [0034] 其中风腔外壳6中顶部和底部一册的对应位置设置有集风口1； [0035] 上述颤振俘能单元电极2包括位于风腔外壳6顶部下的颤振俘能单元上电极2‑1和位于风腔外壳6底部上的颤振俘能单元下电极2‑2，所述涡振俘能单元电极5包括位于风腔外壳6顶部下的涡振俘能单元上电极5‑1和位于风腔外壳6底部上的涡振俘能单元下电极5‑2，其中颤振俘能单元电极2位于靠近集风口1一侧； [0036] 上述颤振型介电厚膜3介于颤振俘能单元上电极2‑1和颤振俘能单元下电极2‑2中间，所述涡振型介电薄膜4位于涡振俘能单元上电极5‑1和涡振俘能单元下电极5‑2中间，其中所述颤振型介电厚膜3和涡振型介电薄膜4直接相连。 [0037] 在介电薄膜式微型风能采集器中，集风口1、颤振俘能单元电极2和颤振型介电厚膜3、涡振型介电薄膜4、涡振俘能单元电极5的长度与风腔外壳6内部的长度相同；所述集风口1、颤振俘能单元电极2和涡振俘能单元电极5的宽度总和小于风腔外壳6内部的宽度；所述颤振型介电厚膜3和涡振型介电薄膜4的宽度总和小于风腔外壳6内部的宽度。 [0038] 上述集风口1、颤振俘能单元电极和涡振俘能单元电极5相互之间并不直接相连。 [0039] 实施例1中介电薄膜式微型风能采集器在不同环境风速下的开路输出电压如图4所示。从图4中可以看出，实施例1中介电薄膜式微型风能采集器在6m/s～15m/s的风速区间内，开路输出电压增长缓慢，表明实施例1中介电薄膜式微型风能采集器在低风速环境下仍能产生一定的电能；在15m/s～22m/s的风速区间内，开路输出电压呈现快速爬升的阶段，意味着在中等风速环境下，实施例1中介电薄膜式微型风能采集器的电能生成能力会有显著的提升；在22m/s～27m/s的风速区间内，开路输出电压增长放缓，并且随着风速的增加，其开路电压输出逐渐趋于平稳，表明实施例1中介电薄膜式微型风能采集器在高风速环境下仍能保持稳定的电能生成。当风速为6m/s时，微型风能采集器的最大的开路电压值为48V，说明实施例1中介电薄膜式微型风能采集器具有低临界风速；当风速为27m/s时，实施例1中介电薄膜式微型风能采集器的最大的开路电压值为178V，说明实施例1中介电薄膜式微型风能采集器具有高输出电压。总之实施例1中介电薄膜式微型风能采集器具有低临界风速和高输出电压的特性，在微纳传感器供能领域具有广泛的应用前景。 [0040] 另外，颤振型介电厚膜3的材料还可以用CYTOP膜、PP膜、PTFE膜、FEP膜、尼龙膜、PEI薄膜或橡胶膜中的任意一种来替换实施例1中的PDMS膜；涡振型介电薄膜4的材料可以用FEP膜、尼龙膜、PEI薄膜、橡胶膜、PDMS膜、CYTOP膜或PP膜中的任意一种来替换实施例1中的PTFE膜；颤振俘能单元电极2和涡振俘能单元电极5的材料可以用Cu、Ag、Ti或Au中的任意一种来替换实施例1中的Al；集风口1和风腔外壳6的材料可以用特氟龙或木材中的任意一种来替换实施例1中的亚克力，替换后形成的介电薄膜式微型风能采集器同样具有低临界风速和高输出电压的性能。 [0041] 同样的介电薄膜式微型风能采集器中的集风口1的形状除了实施例1中的正方形通孔，还可以是长方形通孔、圆形通孔、四棱锥通孔或漏斗形通孔；涡振型介电薄膜4的形状除了是实施例1中的长方形，还可以是正方形、三角形、正梯形或倒梯形中的任意一种。 [0042] 介电薄膜式微型风能采集器中颤振俘能单元电极2与涡振俘能单元电极5之间除了实施例1中通过电荷泵电路的方式连接，还可以用倍压电路或半波整流电路中的方式连接。 [0043] 以上各种材料、形状以及连接方式变化后形成的介电薄膜式微型风能采集器经过性能测试，其同样具有低临界风速和高输出电压的性能。 [0044] 综上所述，本发明风能采集器的具有以下优点：(1)无需大型转子和齿轮箱等复杂的机械结构，且在工作中没有机械运动，因此具有结构简单、小巧轻便、噪音与振动小的特点；(2)该风能采集器的介电薄膜式颤振膜及其颤振膜后面带叶尾的涡振膜(颤振型介电厚膜和涡振型介电薄膜)可有效地降低临界风速，提升风能采集效率；(3)本发明风能采集器的颤振膜与涡振膜都可有效地调节微型风能采集器振动频率和振幅；(4)本发明风能采集器的颤振俘能单元与涡振俘能单元之间通过电荷泵电路、倍压电路或半波整流电路方式连接，可有效地提升器件的输出电压和输出功率密度。由此可见，本发明公开了的电薄膜式微型风能采集器在风能采集中具有良好的应用前景。 |
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