一种风能收集装置

技术领域

本发明属于新能源及仪器仪表技术领域，具体涉及一种风能收集装置。

背景技术

能源是人类社会生存和发展的必需品。传统上，各国主要利用石油、煤炭等不可再生资源发展经济，经济的高速发展使得能源危机和环境污染问题日趋严重，如何缓解经济发展与能源及环境之间的矛盾是每个国家都要突出解决的难题。新能源的开发与利用给世界各国提供了一种全新的选择，它将成为破解中国乃至世界能源环境难题的利剑，引领世界跨入强劲增长的新能源经济时代。中国是世界能源生产和消费大国，我国的能源供应结构里，煤炭、石油与天然气等不可再生能源占绝大部分，以煤为主的能源生产和消费结构不尽合理，煤炭比重太大，带来了巨大的环境压力。煤炭污染成为中国环境污染的重要因素。因此，必须下大力气加快发展新能源和可再生能源，优化能源结构，增强能源供给能力，缓解压力。

新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、酒精、甲醇等，而已经广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能等能源，称为常规能源。在中国可以形成产业的新能源主要包括水能(主要指小型水电站)、风能、生物质能、太阳能、地热能等，是可循环利用的清洁能源。风能作为一种大自然馈赠的重要机械能，在气候变暖和能源危机的全球性危机下，已经被广泛认识到是一种重要的可再生绿色能源。地球上的风能资源十分丰富。根据相关资料统计，每年来自外层空间的太阳辐射能为1.5×1018kW·h，其中的2.5％，即3.8×1016kW·h的能量被大气吸收，产生大约4.3×1012kW·h的风能。

将风能转化为电能的传统方法是基于电磁感应的原理和涡轮机结构。然而，基于该方法的器件有很多的缺点，包括体积和质量较大、安装成本较高、在低风速条件下驱动运转较难(需外力提供)、效率较低等。上述缺点在很大程度上限制了该技术的广泛应用。综上所述，发展风力发电的新技术，并将风力发电推广到较大的适用范围(尤其是弱风环境下)和人们的日常生活中，具有极大的必要性和现实意义。

发明内容

为解决传统基于电磁感应原理和涡轮机机构存在体积和质量大、在低风速条件下驱动运转较难且运转效率低的缺点，提供一种新型的基于摩擦纳米发电原理的风能收集装置。

本发明公开一种风能收集装置，包括：风车、转子、定子、旋转轴、风向标、支撑架、支撑柱和圆盘；

所述支撑架包括依次固定连接的左支架、底座和右支架，以及一端固定在底座下表面的支撑轴，所述左支架和右支架上分别有对称的第一通孔和第二通孔；

所述旋转轴一端旋转穿设于所述第一通孔和所述第二通孔中，且固定穿设于转子中心的通孔中，所述转子位于所述左支架和所述右支架中间；

所述旋转轴的另一端固定穿设于所述风车的中心；

转子叶片上粘附有第一摩擦感应电极层，定子叶片上粘附有与所述第一摩擦感应电极层电连接的第二摩擦感应电极层，所述第二摩擦感应电极层上粘附有第一摩擦材料层，所述定子固定于所述底座上，且所述转子叶片转动时叶片与所述定子的上表面摩擦；

所述支撑轴的另一端旋转穿设于所述风向标的通孔中，且固定穿设于所述圆盘的通孔中，并与所述支撑柱旋转连接；

所述风向标上粘附有所述第二摩擦材料层，且所述圆盘上表面粘还附有第三摩擦感应电极层，所述第三摩擦感应电极层与所述第一摩擦感应电极层和所述第二摩擦感应电极层电连接，并将所述第三摩擦感应电极层作为信号输出电极。

进一步地，所述第一通孔还包括：

塞入所述第一通孔中的角接触球轴承。

进一步地，所述第二通孔还包括：

塞入所述第二通孔中的角接触球轴承。

进一步地，所述底座上还有一凹槽，所述凹槽用于固定嵌入所述定子。

进一步地，所述支撑轴与所述支撑柱通过推力轴承相连，使得所述风能收集装置能够以所述支撑柱为中心旋转。

进一步地，所述圆盘的通孔边缘设置有凸起，所述凸起用于使所述风向标远离所述圆盘上表面。

进一步地，所述转子叶片包括：

六个叶片，每个叶片上的所述第一摩擦感应电极层完全覆盖所述叶片表面。

进一步地，所述第一摩擦感应电极层、第二摩擦感应电极层和所述第三摩擦感应电极层均为金属箔片。

进一步地，所述第一摩擦材料层和所述第二摩擦材料层均为聚酰亚胺。

进一步地，所述圆盘上表面粘还附有所述摩擦感应电极层作为信号输出电极，包括：

所述摩擦感应电极层设计为八个中心角相同的扇形铜电极。

本发明是结构体积质量小，可用来高效效收集风能，且在低风速条件下也能很好的运转，可以收集室外环境中微小的风能，该装置利用摩擦纳米发电机的水平滑动工作模式，可以有效收集环境中的机械能并转化成电能。此外，基于电能输出与驱动风速的相关特性，该发电机能够被用作自驱动的风速传感系统，并能够通过风向标来实时指示风向和风速。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例中一种风能收集装置的总体结构示意图；

图2为本发明实施例中一种风能收集装置的转子结构示意图；

图3为本发明实施例中一种风能收集装置的旋转轴结构示图；

图4为本发明实施例中一种风能收集装置的支撑架结构示图；

图5为本发明实施例中一种风能收集装置的定子结构示图；

图6为本发明实施例中一种风能收集装置风向标的结构示图；

图7为本发明实施例中一种风能收集装置的圆盘结构示图；

图8为本发明实施例中一种风能收集装置的支撑柱结构示图。

具体实施方式

下面结合附图来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1中，1-风车，2-转子，3-旋转轴，4-支撑架，5-定子，6-风向标架，7-圆盘，8-支撑柱；

如图1所示，本发明主要由1-风车，2-转子，3-旋转轴，4-支撑架，5-定子，6-风向标架，7-圆盘，8-支撑柱组成，如图2所示，为2-转子叶片，2-转子叶片上贴有与转子叶片相同规格的铜箔；

如图5所示，5-定子叶片贴有与定子叶片相同规格的铜箔，铜箔上覆盖有相同规格的kapton(聚酰亚胺)(铜箔与Kapton图中均未示出)，转子叶片套在如图3所示的旋转轴上，旋转轴一端与风车固连，保证风车转动时能通过旋转轴带动转子随风车同步旋转；

如图4所示的支撑架用于支撑整个器件结构，支撑架的左右两个支架的上部设计有两个相同大小的通孔，且将两个角接触球轴承分别塞到两个通孔中，旋转轴穿过塞有角接触球轴承的通孔的支撑架，与左右支架固定连接的支撑架的底座上设计有一个矩形凹槽，定子底部可正好嵌入其中，通过设计合适的凹槽深度来保证转子叶片旋转时能够与定子叶片充分接触；

如图6所示的风向标上有一通孔，风向标一端有叶片，风向标通过此通孔套设于支撑架底座下方的支撑轴上，可用于旋转指示风向；支撑架底座下的支撑轴通过推力球轴承与图8所示的支撑柱相连，保证风能收集装置能够收集任意方向的风能；所述风能收集装置中，转子叶片上贴有铜箔，铜箔既作为摩擦层又作为一个电极；定子上有一个与转子叶片完全相同的叶片，且定子叶片上依次层叠贴有铜箔与Kapton，铜箔作为另一个电极，Kapton作为另一个摩擦层；风向标上的Kapton薄膜将扫描固定在支撑柱上的圆盘(如图8所示)上的铜电极，从而产生输出电信号，圆盘上的铜电极分为8个中心角为22.5°的扇形，圆盘上的每个铜电极被视为一个终端电极，并与单个外部通道连接，用于输出电信号。

工作原理：在初始位置，转子的一个叶片与定子叶片重合，转子叶片上的铜箔与定子叶片上的Kapton层完全重叠，相互紧密接触，由于铜箔与Kapton两种材料的得失电子能力不同，摩擦起电会导致铜箔表面带有正的净电荷，而Kapton表面带有与其电荷密度相等的负的净电荷。为简化分析，以一个转子叶片为例：

在初始重叠位置，带正电荷表面和带负电荷表面间的距离可以忽略不计，因此两电极间几乎没有电势差，在外界风力驱动下，风车带动转子开始旋转，转子叶片开始与定子叶片发生滑移，两叶片间的接触面积将会减小，导致平面内电荷分离；

分离的电荷会导致转子叶片具有更高的电势，在电势差的驱动下，电子将从转子叶片一侧的电极流向定子叶片一侧的电极，以抵消摩擦电荷产生的电势差；

随着滑动过程的进行，电荷将不断流动，使分离电荷不断增加，直到转子叶片与定子叶片完全分离，摩擦电荷表面完全分离；

转子叶片继续转动，与定子叶片再接触，随着接触面积的增加，电极上多余的转移电荷会促使电荷通过外部负载从定子叶片一侧的电极流回上转子叶片一侧的电极，以保持静电平衡；

当两叶片重新回到重叠位置时，带电表面达到完全接触的状态，电极上没有剩余的转移电荷，该装置又回到最初的状态，由于转子上设计有六个大小相同的叶片，使得产生的总电能大大提高。

在外界风力的驱使下，风向标上的Kapton薄膜将扫描固定在支撑柱上的圆盘上的铜电极，从而产生输出电信号，每个圆盘上的铜电极被视为一个终端电极，并与单个外部通道连接。基于输出电信号和风向标的运动轨迹，可用于风向监测。

本实施例公开的风能收集装置主要基于摩擦起电与静电感应，利用摩擦纳米发电机的第二种基本工作模式—水平滑动模式，在外力作用下，两接触面间的摩擦力使其发生相对滑动，产生密集的摩擦电荷。两表面间接触区域的接触面积周期性变化导致电荷中心的横向分离，从而产生电势差，在电势差的驱使下，电子流过外部负载以抵消摩擦电荷的电势差。

与传统基于电磁感应原理与涡轮机机构收集风能的装置相比，本发明涉及的这一款风能收集装置有如下优点：

本发电机是基于传统风车结构，体积质量小，可用来有效收集风能，在低风速条件下也能很好的运转，可以收集室外环境中微小的风能。该器件利用摩擦纳米发电机的水平滑动工作模式，以有效收集环境中的机械能并转化成电能。此外，基于电能输出与驱动风速的相关特性，该发电机能够被用作自驱动的风速传感系统，并能够实时指示风向。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。