一种聚风开关门式压电-电磁发电装置

技术领域

本发明涉及清洁能源领域，具体是一种聚风开关门式压电-电磁发电装置。

背景技术

近年来硅谷产业快速发展，微机电系统（MEMS）、低功耗嵌入式技术等无线传感器技术越来越趋向于集成化、智能化、微型化，因此对微型传感器供能技术的要求也越来越高。传统供能产业的电池供电也因其容量小、寿命短、容易受环境限制、回收困难、易造成重金属污染等缺点逐渐暴露出其弊端。因此如何高效为无线传感系统供电成为当下研究热点。

环境中的能量存在形式丰富，包括太阳能、潮汐能、风能等等，其中风能所产生的振动能以其具有易获取、清洁方便、不受环境的限制等显著优点，成为一种重要的新型绿色能源。振动俘能技术是一种将环境振动能转化成电能的有效方式，其主要方式有压电式、电磁式、静电式三种。静电式俘能器需要外接电源导致其应用受到限制，电磁俘能和压电俘能则以其各自的优点表现出了潜在的应用价值：电磁式振动发电具有能量密度较高、使用寿命长、清洁无污染等多项优点；而压电式振动发电也有着结构比较简单，对工作环境的要求不高，并且不需要加初始独立电源等优势被广泛应用；而电磁式振动发电也具有能量密度较高、使用寿命长、清洁无污染等多项优点。将压电式与电磁式结合形成的压电-电磁复合式振动俘能技术是一种新型复合发电技术。压电-电磁复合式振动俘能技术较容易实现，其基本原理是将悬臂梁式压电发电装置振子末端的质量块用永磁铁代替，在合理的位置放置感应线圈，当永磁铁跟随悬臂梁振动时，切割感应线圈，闭合的线圈内部产生感应电流，从而实现了压电和电磁两种俘能方法的耦合，从结构与技术上最大化利用振动能。

发明内容

为了收集自然界环境中的风能，从而为无线传感系统提供能量，本发明提供了一种将风能聚集使内部门式结构产生前后振动的结构，使得在自然界中浪费的风能再次得到利用。

一种聚风开关门式压电-电磁发电装置，由圆环外壁、定向挡板、风道、转动轴、压电片、弹性板、线圈、永磁铁、门形挡板、支撑层、门框构成。装置发电部包括电磁发电部和压电发电部。

进一步的，外层圆环外壁开通四条通风道，其外侧入口宽度大于内侧出口宽度，使外部进入的风集中，从而起到聚风效果，与之相连的内壁有定向挡板，以保证收集的风可以直接吹到门形挡板，所述定向挡板出风口方向指向两门形挡板中央处，从而使两门形挡板受力均匀，同时打开。

进一步的，所述两块门形挡板，一端通过支撑层固定在门框上，另一端自由，两门形挡板上下两侧靠近自由端处固定有永磁铁，门框上下内侧与永磁铁相对位置处固定有线圈。

进一步的，所述弹性板一端与门框固定连接，另一端连接在转动轴上，其上接近转动轴处的两面贴有对称的压电片。

进一步的，所述转动轴可实现360°自由转动，以实现四个门轮流转动发电。

进一步的，所述门形挡板为薄壁空壳状，以此可减轻门形挡板重量，并且薄壁空壳状结构可更好地收集风能受力。自由端可以在风力作用下打开60°角，并能在不受风力作用时被支撑层弹力作用拉回。

进一步的，所述门形挡板与门框采用轻质合金材料，以此减轻重力，使门形挡板及门框整体更容易转动起来。

进一步的，所述两块门形挡板间的距离大于门形挡板边缘宽度，以保证两门形挡板可前后自由活动，边缘不会相互阻挡。

进一步的，一种聚风开关门式压电-电磁发电装置工作方法，其实现步骤包括如下：

步骤一：自然界风从某一方向吹向本装置，并通过通风道口进入装置内部，由于通风道口外宽内窄，外部吹来的风会被聚集起来，并且风力作用明显增强。

步骤二：聚集的风进入装置内部时，会通过与圆环外壁相连的定向挡板，通过其定向作用吹到门形挡板中央处。由于门形挡板一端与支撑层连接，另一端自由，自由端会在风力作用下被向后推动，支撑层发生弹性形变，挡板呈现出开门的状态。与此同时，由于门形挡板另一端与支撑层连接，不能完全打开，因此会持续受到风力作用，门形挡板及门框整体通过弹性板连接的转动轴向后转动。

步骤三：待受风挡板转过90°后，下一个挡板转至迎风口处时，首个受力迎风挡板将不再受风力作用，支撑层需要恢复初始位置，此时门形挡板在支撑层的作用下回弹，呈现出关门趋势；由于惯性，两块门形挡板不会只停留在初始位置，而是在支撑层弹力和惯性力作用交互下，前后作摆动范围逐渐减小的开关门运动；此时，门形挡板上固定的永磁铁与门框内侧上下固定的线圈会发生切割磁感线运动，在线圈内产生感应电流。在门框和门形挡板转动的同时，会使弹性板发生形变，贴在弹性板末端两侧的压电片因正压电效应产生电压；四对门形挡板轮流转动至迎风口处，重复上述原理振动。

当风向发生变化时，重复步骤一到三，由此可以利用自然界多风向的风能，从而大大提高发电效率。

本发明的有益效果：本发明提出了一种聚风开关门式压电-电磁发电装置，外层圆环外壁开通四条通风道，与之相连的壁面内侧有定向挡板，以保证收集的风能够直接吹到门形挡板，因此本装置可从多个方向收集风能，并将风能聚集加强，充分利用。所述两块门形挡板，一端通过三条支撑层固定在门框上，另一端自由，两门形挡板上下两侧靠近自由端处固定有永磁铁，门框上下内侧与永磁铁相对位置处固定有线圈，便于产生切割磁感线运动。所述弹性板一端与门框固定连接，另一端连接在转动轴上，其上接近转动轴处的两面贴有对称的压电片。本装置将压电与电磁结合，不仅能将发电装置结构充分利用，而且具有结构简单，能量密度高，可靠性强等优势，可从多方向收集风能，不受单一风向限制。

附图说明

图1是本发明的三维结构图。

图2是门形结构与转动轴整体结构示意图。

图3是门形结构具体结构图。

图4是圆环外壁风道半剖视图。

具体实施方式

结合图1至图4对本装置具体结构进行进一步描述，所述一种聚风开关门式压电-电磁发电装置，包括：圆环外壁1、定向挡板2、风道3、转动轴4、压电片5、弹性板6、线圈7、永磁铁8、门形挡板9、支撑层10、门框11；所述压电片5粘贴在弹性板6的正反两面组成压电振子，门框11及门形挡板9连接在弹性板6一端与压电振子构成压电发电部分；所述门形挡板9上固定有永磁铁8，正对的门框11内侧上下固定有线圈7，两门形挡板9间也固定有正对的永磁铁8和线圈7，构成电磁发电部分。

结合图2至图4进一步对本装置电磁发电部分和压电发电部分进行描述，所述门形挡板9为薄壁空壳状，一端通过三条支撑层10固定在门框11上，另一端自由，自由端可在风力作用下打开60°角，并能在不受风力作用时被支撑层10弹力作用拉回，两门形挡板9上固定的永磁铁8与门框上下方内侧固定的线圈7的位置关系都是线圈7与永磁铁8上下对应放置，便于发生切割磁感线运动产生电流。所述弹性板6一端与门框11固定连接，另一端连接在转动轴4上，其上接近转动轴4处的两面贴有对称的压电片5，转动过程中会产生弹性变形。

工作原理：自然界风从某一方向吹向本装置，并通过风道3进入装置内部，外部吹来的风会被聚集起来，风力作用明显增强。聚集起来的风进入装置通过定向挡板2的定向作用直接吹向两门形挡板9自由端侧，使门呈现打开状态，待转过90°后，此门形挡板9不再受风力作用，会在支撑层10弹力和惯性力的耦合作用下作前后摆动的开关门式运动，此时，两门形挡板9上固定的永磁铁8与门框11上下方内侧固定的线圈7会发生切割磁感线运动，在线圈7内产生感应电流；同时，在门形挡板9及门框11整体转动过程中，会使弹性板6发生形变，贴在弹性板6末端两侧的压电片5由正压电效应产生电压。

本装置可以从多个方向俘获风能，打破了以往传统风力发电装置只能俘获单一方向风能的局限性；将压电发电与电磁发电相结合，不仅能将发电装置结构充分利用，而且具有结构简单，能量密度高，可靠性强等优势，成本较低并且应用范围广泛。