一种低频超低风速柔性风电转换器及其制备方法

技术领域

本发明属于柔性换能器技术领域，具体涉及一种低频超低风速柔性风电转换器及其制备方法。

背景技术

风能是一种可再生的清洁能源，储量大、分布广，但风能的能量密度较低，只有水能的1/800，并且不稳定。在一定的技术条件下，风能可转化为电能。但是在低频、低风速的情况下，风电转化效率低，限制其实际应用。

近年来，纳米发电机、摩擦发电机技术的迅速发展，为微弱机械能转化成电能提供了新的思路。目前，针对机电转化的微纳换能器件的研究主要集中在利用摩擦作用采集环境周围机械能或利用压电材料将环境中机械能转化为电能，而关于风能收集与利用的微纳器件的研究几乎没有。同时，低频、超低风速的风能高效收集与转化一直是难以突破的瓶颈。因此，对低频超低风速柔性风电转换器的研究是实现风能高效收集与转化的关键。

仿生学为人类社会的发展和科学技术的进步提供了无穷的动力和创新源泉。蝎子经过4.6亿年进化，制造出对外界低频、微弱流量(风)信号极其敏感的蛊毛结构。蝎子蛊毛的超灵敏流量感知功能在于蛊毛本身就是一个高效的“风电转换器”，其能量转换机理为：外界流量作用于毛杆，都会引起蛊毛巨大的摆角变化，进而作用于神经元诱发较大的动作电位的改变，实现外界风能到电能的高效收集与转化。受生物结构启发和源自生物的设计原理近年来已成为研究热点。然而，由于蛊毛结构自身具有高纵深比的特点，借助光刻、静电纺丝、3D打印等加工手段难以保证柔性材料具有这一结构特性。同时，从成本、制作周期的角度考虑，以上方法难以实现大面积推广，限制了仿毛型结构风电转换器件的使用与推广。

因此，亟需一种能够将风能高效收集并转化的柔性风电转化器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服现有技术的不足，解决现有技术中的低频、超低风速的风能高效收集与转化难以突破、仿毛型结构风电转换器件的制备困难的问题，本发明提供了一种低频超低风速柔性风电转换器。另一方面，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明还提供一种低频超低风速柔性风电转换器的制备方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种低频超低风速柔性风电转换器，其特征在于，包括：风能收集层和能量转换层，所述风能收集层位于能量转换层的上方，并与能量转化层固定连接；

所述风能收集层的上表面具有毛状结构阵列；

所述毛状结构阵列包括若干毛杆；

所述毛杆由柔性材料制成。

优选地，所述毛杆的长度为0.5-2mm，毛杆的底端直径为50-100μm，顶端直径为10-20μm，各毛杆之间的间隙为150-300μm。

优选地，还包括上层电极和下层电极，所述上层电极位于风能收集层和能量转换层之间，所述下层电极位于能量转换层的下方；

所述下电极层的下方设置电极保护层。

优选地，所述能量转化层为压电材料制备的薄膜，所述压电材料包括：聚偏氟乙烯、高介电常数压电陶瓷材料、复合压电材料中的一种或几种。

优选地，所述上电极层和下电极层为导电材料，所述上电极层和下电极层分别附着在所述能量转换层的上表面和下表面。

优选地，所述柔性材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、紫外光固化胶、光敏树脂等聚合物的一种或几种。

优选地，所述电极保护层为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，所述电极保护层通过硅胶粘结剂与下电极层粘结在一起。

本发明还提供一种上述的低频超低风速柔性风电转换器的制备方法，包括如下步骤：

S1、将具有磁性的金属粉末与柔性材料均匀地混合在乙酸乙酯或者甲苯中，得到均匀混合物；所述具有磁性的金属粉末包括铁、钴以及镍；

S2、在加热条件下，将步骤S1得到的均匀混合物放置在磁场中固化成膜，得到表面具有毛状结构阵列的风能收集层；

S3、在能量转化层的上表面和下表面分别溅射上层电极和下层电极；所述上层电极和下层电极均为导电材料，导电材料包括：金属铝、金属铜、金属银，金、碳纳米管或石墨烯中的一种或几种；

S4、上电极层、下电极层分别引出上导线和下导线；

S5、将风能收集层和能量转化层粘结在一起；

S6、在下电极层的表面贴附电极保护层，得到低频超低风速柔性风电转换器；所述电极保护层为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。

如上所述的制备方法，优选地，步骤S1中，加入乙酸乙酯或者甲苯的体积需使得磁性金属粉末-柔性材料混合物得浓度为0.5-0.8g/ml；

所述柔性材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、紫外光固化胶、光敏树脂中的一种或几种；

磁性金属粉末与柔性材料的质量比为1：1.25～1：2.5。

如上所述的制备方法，优选地，步骤S2中，将步骤S1得到的均匀混合物放置在磁场中，加热至50-70℃，并持续保温6-8h，直到乙酸乙酯或者甲苯蒸发完全；

所述磁场垂直于均匀混合物，磁场强度为300-450mT。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明模仿蝎子的蛊毛感受器，在风的作用下，通过风能收集层表面的毛状结构阵列根部的应力集中效应，对下层的能量转化层施加压力，通过能量转化层实现风能到电能的高效转化。

此外，本发明还提供了一种低频超低风速柔性风电转换器的制备方法，通过在柔性材料中添加磁性金属粉末，在外加磁场的作用下，柔性材料的表面自发生长对低频、低风速的风极为敏感的毛状结构阵列，达到仿生效果，实现了对低频低风速的高效收集。并且将收集到的风能通过毛状结构阵列的应力感应作用对能量转化层施压，实现从风能到电能的高效转化。

附图说明

图1为风能收集层的结构示意图；

图2为低频超低风速柔性风电转换器的整体结构示意图；

图3为毛状结构原位生长示意图；

图4为毛状结构的应力分布图。

【附图标记说明】

1：毛状结构阵列；2：风能收集层；3：上电极层；4：上导线；5：能量转化层；6：下电极层；7：下导线；8：电极保护层。

具体实施例

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明实施例提供一种低频超低风速柔性风电转换器，如图2所示，低频超低风速柔性风电转换器包括：风能收集层2和能量转换层5，风能收集层2位于能量转换层5的上方，并与能量转化层5固定连接。

风能收集层2的上表面具有毛状结构阵列1；

毛状结构阵列1包括若干毛杆；

毛杆由柔性材料制成。

本发明实施例的风电转换器对蝎子的蛊毛感受器进行模仿，在风的作用下，通过风能收集层2表面的毛状结构阵列1根部的应力集中，进而对下层的能量转化层5施加压力，通过能量转化层5实现风能到电能的高效转化。

优选地，所述柔性材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、紫外光固化胶、光敏树脂等聚合物的一种或几种。

本发明实施例中，风电转换器的最低风速响应速度范围在1-10m/s，另外，风电转换器主要用于低频风能的收集转化，其频率为10-100HZ。对于现有技术中的风力发电机，其无法实现对1-10m/s风速、10-100HZ频率的风能的收集与转化。本发明实施例的风电转换器可以配合现有的风力发电机使用，以增加对低频超低风速的风能的转换和利用，也可以大面积制造后贴在城市建筑物表面，或者行驶交通工具表面进行使用。

上述材料制备出的毛状结构有阵列具备一定的柔软度，因此风电转换器在使用过程中能够与其它建筑、交通工具等进行贴合，若毛状结构阵列选择刚性材料，则不能形变，造成使用不便。优选地，聚甲基丙烯酸甲酯与聚二甲基硅氧烷进行1：1混合制备柔性材料；聚二甲基硅氧烷还可以与聚氨酯进行1：1、1：2、1：3等比例混合以制备柔性材料。

优选地，毛杆的长度为0.5-2mm，毛杆的底端直径为50-100μm，顶端直径为10-20μm，毛杆之间的间隙为150-300μm。

上述毛杆尺寸以及毛杆间的间隙能够保证毛状结构阵列1与蝎子蛊毛的毛杆分布密度相似，以便更好地模拟蝎子蛊毛的应力集中效应，对下层的能量转化层5施加压力进行风能到电能的转化。

优选地，能量转化层5为压电材料制备的薄膜，压电材料包括：聚偏氟乙烯(PVDF)、高介电常数压电陶瓷材料、复合压电材料中的一种或几种。

不同种压电材料可以混合形成具有高介电常数的压电复合材料。如压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)可以与聚偏氟乙烯基体混合，比例可以是1：2、1：3等，压电陶瓷锆钛酸铅与聚偏氟乙烯的混合比例不同，得到的复合材料的压电系数也会有所不同。本发明实施例采用压电材料作为能量转化层，能够实现风能到电能的高效转化。

如图1所示，优选地，低频超低风速柔性风电转换器还包括上层电极3和下层电极6，上层电极3位于风能收集层2和能量转换层5之间，下层电极6位于能量转换层5的下方。上电极层3和下电极层6为导电材料，用于将能量转化层5转化生成的电能导出。上电极层3和下电极层6分别附着在所述能量转换层5的上表面和下表面。上电极层3和下电极层6分别外接上导线4和下导线7，上导线4和下导线7能够用于后续的电路连接，将风能转化得到的电能进行进一步地利用。

优选地，导电材料包括：金属铝、金属铜、金属银，金、碳纳米管或石墨烯中的一种或几种。

可选地，本发明实施例通过蒸镀、溅射或者喷涂等方式将导电材料附着在能量转化层5的上表面和下表面，形成上层电极3和下层电极6，上下电极层的厚度为30-50nm。

优选地，下电极层6的下方设置电极保护层8。

优选地，电极保护层8为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，电极保护层8通过硅胶粘结剂与下电极层6粘结在一起。

电极保护层8的作用：将下电极层和外界环境隔开，避免损坏。

本发明实施例还提供一种上述低频超低风速柔性风电转换器的制备方法，包括如下步骤：

S1、将具有磁性的金属粉末、柔性材料均匀地混合在乙酸乙酯或者甲苯中，得到均匀混合物；

S2、在加热条件下，将步骤S1得到的均匀混合物放置在磁场中固化成膜，得到表面具有毛状结构阵列1的风能收集层2；

S3、在能量转化层5的上表面和下表面分别附着上层电极3和下层电极6；

S4、上电极层3、下电极层6分别引出上导线4和下导线7；

S5、通过3M导电胶将风能收集层2和能量转化层5粘结在一起；

S6、在下电极层6的表面贴附电极保护层8，得到低频超低风速柔性风电转换器。

本发明实施例的低频超低风速柔性风电转换器的制备方法，通过在柔性材料中添加磁性金属粉末，在外加磁场的作用下，柔性材料的表面自发生长对低频、低风速的风极为敏感的毛状结构阵列，达到仿生效果，实现了对低频低风速的高效收集，然后将收集到的风能通过毛状结构阵列的应力感应作用对压电材料施压，实现了从风能到电能的高效转化。

优选地，步骤S1中，磁性金属粉末包括铁、钴、镍中的一种或几种，柔性材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、紫外光固化胶、光敏树脂中的一种或几种。

磁性金属粉末与柔性材料的质量比为1：1.25～1：2.5。磁性金属粉末能够感应磁场，在磁场中进行排列，进而带动柔性材料生长为毛状结构阵列，上述用量下，磁性金属粉末能够带动柔性材料沿着磁场方向扩散，达到较好的生长效果。若磁性金属粉末的含量过少，则无法带动柔性材料进行扩散；若磁性金属粉末的含量过多，则会影响最终毛状结构阵列的柔软程度。

优选地，步骤S2中，所述磁场垂直于均匀混合物，磁场强度为300-450mT。磁场强度是毛杆尺寸的重要影响因素，磁场强度越大，毛杆的直径越大，长度越长。此外，磁性金属粉末的直径也对毛杆尺寸有明显的影响，磁性金属粉末颗粒的直径越大，毛杆的直径越大，长度越长。

优选地，磁性金属粉末的直径为200-500nm。

在上述磁场强度以及磁性金属粉末直径的共同作用下，毛杆的长度为0.5-2mm，毛杆的底端直径为50-100μm，顶端直径为10-20μm，毛杆之间的间隙为150-300μm。

优选地，步骤S1中，制备钴-聚二甲基硅氧烷均匀混合物包括如下步骤：柔性材料(例如聚二甲基硅氧烷)预聚物与固化剂按照质量比10：1的比例混合后，加入铁、钴或者镍等磁性金属粉末，得到磁性金属粉末-柔性材料混合物。再向混合物中加入乙酸乙酯或甲苯溶解磁性金属粉末-柔性材料混合物，其中，加入乙酸乙酯或者甲苯的体积需使得磁性金属粉末-柔性材料混合物得浓度为0.5-0.8g/ml，然后用玻璃棒搅拌5分钟，使得磁性金属粉末-柔性材料完全溶解。

如图3所示，将步骤S1得到的均匀混合物放置在磁场中，加热至50-70℃，并持续6-8h，磁性金属粉末在施加的垂直磁场的作用下，带动柔性材料自发生长，模拟蝎子蛊毛的毛杆结构。

实施例1

本发明实施例提供一种低频超低风速柔性风电转换器的制备方法，包括如下步骤：

S1、将聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂按照10：1的比例混合，得到柔性材料，并向其中加入直径为200nm的钴粉末，使得钴粉与聚二甲基硅氧烷的质量比为1：2.5，得到钴-聚二甲基硅氧烷的均匀混合物；向上述钴-聚二甲基硅氧烷的均匀混合物中加入乙酸乙酯，使得钴-聚二甲基硅氧烷混合物得浓度为0.5g/ml，利用玻璃棒搅拌5分钟，使得磁性粉末-聚二甲基硅氧烷完全溶解。步骤S1中，选择聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂以及钴粉进行混合，能够避免直接使用聚合物在生长过程中容易发生空洞和裂缝的可能性，提升毛状结构阵列的质量。

S2、取一个干净的培养皿，将步骤S1制得的钴-聚二甲基硅氧烷混合物溶液倒入培养皿中，将步骤S1得到的钴-聚二甲基硅氧烷混合物溶液放置在磁场发生器中，加热至50℃并维持6h，磁场强度调节为300mT，混合物中的溶剂蒸发后，混合物固化成膜，得到表面具有毛状结构阵列1的风能收集层2，除去毛状结构阵列1的高度，风能收集层2的垂直方向的厚度为0.5mm；

S3、选择聚偏氟乙烯压电薄膜为能量转化层5，先在能量转化层5的上表面和下表面分别溅射30nm厚的金属银作为上层电极3和下层电极6；

S4、上电极层3、下电极层6分别接引出上导线4和下导线7；

S5、通过3M导电胶带将风能收集层2和步骤S4制备的能量转化层5粘结在一起；

S6、在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜表面均匀地涂覆一层硅胶粘结剂，将聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜涂有粘结剂的一面与下电极层6贴合形成电极保护层8，得到低频超低风速柔性风电转换器。

通过上述制备方法，得到的毛状结构阵列中毛杆的长度为0.5mm，毛杆的底端直径为50μm，顶端直径为10μm，毛杆之间的间隙为150μm。

本发明实施例中，通过仿生模拟蝎子蛊毛形成毛状结构阵列，其表面的应力分布如图4所示，在该应力分布下，柔性风电转换器能够收集更大限度地风能并将其传递到能量转化层进行电能的转换。

本发明实施例中，风电转换器的最低风速响应速度范围在1-10m/s，另外，风电转换器主要用于低频风能的收集，其频率为10-100HZ。将本发明实施例制备得到的风电转换器放置在变频风机附近，通过数字万用表测量风电转换器在风机作用下的输出功率，风电转换器的输出功率比变频风机的输出功率即为能量转化效率，计算得到风电转化效率约为5％。

实施例2

本发明实施例提供另一种低频超低风速柔性风电转换器的制备方法，包括如下步骤：

S1、将聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂按照10：1的比例混合，得到柔性材料，并向其中加入直径为500nm的钴粉末，使得钴粉与聚二甲基硅氧烷的质量比为1：1.25，得到钴-聚二甲基硅氧烷的均匀混合物；向上述钴-聚二甲基硅氧烷的均匀混合物中加入甲苯，使得钴-聚二甲基硅氧烷混合物得浓度为0.5g/ml，利用玻璃棒搅拌5分钟，使得磁性粉末-聚二甲基硅氧烷完全溶解。

S2、取一个干净的培养皿，将步骤S1制得的钴-聚二甲基硅氧烷混合物溶液倒入培养皿中，将步骤S1得到的钴-聚二甲基硅氧烷混合物溶液放置在磁场发生器中，加热至70℃并维持8h，磁场强度调节为450mT，混合物中的溶剂蒸发后，混合物固化成膜，得到表面具有毛状结构阵列1的风能收集层2，风能收集层的厚度为0.8mm；

S3、选择压电薄膜聚偏氟乙烯为能量转化层5，并在能量转化层5的上表面和下表面分别溅射50nm厚的金属银作为上层电极3和下层电极6；

S4、上电极层3、下电极层6分别引出上导线4和下导线7；

S5、通过3M导电胶带将风能收集层2和能量转化层5粘结在一起；

S6、在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜表面均匀地涂覆一层硅胶粘结剂，将PET薄膜涂有粘结剂的一面与下电极层6贴合形成电极保护层8，得到低频超低风速柔性风电转换器。

通过上述制备方法，得到的毛杆的长度为2mm，毛杆的底端直径为100μm，顶端直径为20μm，毛杆之间的间隙为300μm。

本发明实施例中，风电转换器的最低风速响应速度范围在1-10m/s，另外，风电转换器主要用于低频风能的收集，其频率为10-100HZ。将本发明实施例制备得到的风电转换器放置在变频风机附近，通过数字万用表测量风电转换器在风机作用下的输出功率，风电转换器的输出功率比变频风机的输出功率即为能量转化效率，计算得到风电转化效率约为5％。

对比例1

本对比例提供一种与实施例1相同规格、相同结构组成的器件，该器件与实施例1的风电转换器的区别在于，不具备毛状结构阵列。

该器件的制备方法包括：

S1、将聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂按照10：1的比例混合，得到均匀混合物；向上述均匀混合物中加入乙酸乙酯，使得混合物的浓度为0.5g/ml，利用玻璃棒搅拌5分钟，使得聚二甲基硅氧烷柔性材料完全溶解。

S2、取一个干净的培养皿，将步骤S1制得的聚二甲基硅氧烷混合物溶液倒入培养皿中，将步培养皿加热至50℃并维持6h，溶剂蒸发后，混合物固化成膜，得到风能收集层，风能收集层2的厚度为0.5mm。

S3、选择聚偏氟乙烯压电薄膜为能量转化层，先在能量转化层的上表面和下表面分别溅射30nm厚的金属银作为上层电极和下层电极。

S4、上电极层、下电极层分别接引出上导线和下导线。

S5、通过3M导电胶带将风能收集层和步骤S4制备的能量转化层粘结在一起。

S6、在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜表面均匀地涂覆一层硅胶粘结剂，将PET薄膜涂有粘结剂的一面与下电极层贴合形成电极保护层，得到没有毛状结构阵列的器件。

将上述器件贴在与实施例1同一变频风机附近，通过数字万用表测量该器件在风机作用下的输出功率，风电转换器的输出功率比变频风机的输出功率即为能量转化效率，计算得到该器件对风速响应速度范围在1-10m/s、频率为10-100HZ的风能的转化效率约为0。

具体地，对本对比例的器件的柔性材料表面进行测试发现，在风经过平面结构时，其表面的应力变化很小，因此很难实现风能到电能的转化。

综上，低频超低风速的风能的利用一直是风电转化难以突破的瓶颈，本发明模仿蝎子的蛊毛感受器，在风的作用下，通过风能收集层表面的毛状结构阵列根部的应力集中，进而对下层的能量转化层施加压力，通过能量转化层实现风能到电能的高效转化。

此外，本发明还提供了一种低频超低风速柔性风电转换器的制备方法，通过在柔性材料中添加磁性金属粉末，在外加磁场的作用下，柔性材料的表面自发生长对低频、低风速的风极为敏感的毛状结构阵列，达到仿生效果，实现了对低频低风速的高效收集。并且将收集到的风能通过毛状结构阵列的应力感应作用对能量转化层施加压力，实现从风能到电能的高效转化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。