一种面向能源互联网的宽频带风力微能源自驱动系统技术方案

本发明专利技术涉及一种面向能源互联网的宽频带风力微能源自驱动系统，属于微纳能源领域。该系统包括宽频带风力微能源一体化收集与转换装置、能量储存模块及封装模块；宽频带风力微能源一体化收集与转换装置包括一个独立层式的同心双转轴摩擦纳米发电机，用于收集风能并将其转化成交流电信号输出；能量储存模块对直接由自然能量转化而来的电能进行整流、滤波和稳压的初步调理，然后输出稳定电能并储存在能量储存装置中；封装模块用于对独立层式同心双转轴摩擦纳米发电机的封装，以及对能量储存模块的封装。本系统拥有宽的风速敏感区间，能够实时调控俘能器件结构参数去适应风速的变化，实现在宽风速范围内高效地收集自然环境中风能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种面向能源互联网的宽频带风力微能源自驱动系统


[0001]本专利技术属于微纳能源领域，涉及一种面向能源互联网的宽频带风力微能源自驱动系统。

技术介绍

[0002]能源互联网的发展伴随着数量众多且分布广泛的传感器作为实时监测的基础，这无疑对分布式传感器的供能方式以及安全可靠性提出了挑战。风能作为一种普遍存在且可持续的绿色能源在全球范围内受到广泛的研究与利用。传统意义上的“风能收集”一般指俘获风速在3.5m/s以上的中、强风，这是因为基于电磁式发电机由于固有的铁
‑
磁式本征结构使其体积庞大、质量笨重等特点，仅在较高的风速范围内才能高效工作。为此，研究更便宜、更高效、更宽风速范围工作的新型风能收集技术对风能的高效收集利用显得尤为关键。
[0003]近年来，摩擦纳米发电机被广泛研究应用于环境能量的收集与转换。基于其质量轻盈、材料多样、制造方便、便宜等优点，被证实是收集低频机械能的最有效方法之一。目前，用于收集风能的摩擦纳米发电机可分为震颤式和旋转式两种结构。其中震颤式是通过内部薄膜在风力驱动时上下震颤并于内侧电极接触分离而产生电能，因此输出信号的随机性大，很难获得稳定的电压信号。旋转式相比之下能够更为稳定的收集风能，但在以往的研究工作中发现，旋转式无法同时满足较小启动风速和高收集效率，这是由于摩擦纳米发电机需要产生较强的摩擦力才可以产生更大的能量，因此这种模式在低风速环境下很难正常工作。
[0004]然而，即便制作出满足微风气动力学下的风能收集装置，其必然是牺牲了某些其它特征，比如尺寸不大、转轴旋转阻碍很轻或者摩擦面积很小，这种特征的收集装置可能更好地适用于微风，一旦放在其它风速环境下则效率将极大降低。这是由于现有的摩擦纳米发电机的风能收集装置都是基于某种固定的结构参数制成的，这种固定的俘能装置仅满足一种特定的风速区间，很难在其它区间下保持较高的转换效率，这将极大地限制了微纳能源的收集形式以及能量转换效率。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种面向能源互联网的宽频带风力微能源自驱动系统。使该系统能够针对不同风速条件下自行调整与切换俘能模块，实现宽风速区间的高效且平滑的功率输出，并用于能源互联网终端传感器的稳定运行。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种面向能源互联网的宽频带风力微能源自驱动系统，该系统包括宽频带风力微能源一体化收集与转换装置、能量储存模块及封装模块；
[0008]所述宽频带风力微能源一体化收集与转换装置包括一个独立层式的同心双转轴摩擦纳米发电机，用于收集风能并将其转化成交流电信号输出；
[0009]所述能量储存模块对直接由自然能量转化而来的电能进行整流、滤波和稳压的初
步调理，然后输出稳定电能并储存在能量储存装置中，从而对负载进行稳定的供能；
[0010]所述封装模块用于对独立层式同心双转轴摩擦纳米发电机的封装，以及对能量储存模块的封装。
[0011]可选的，所述独立层式的同心双转轴摩擦纳米发电机包括动力装置和发电装置；
[0012]所述动力装置包括多个不同长度支撑臂的风杯以及不同粗细的实心与空心联动转轴；
[0013]所述发电装置包括一个定子圆盘和两个同轴心的转子；
[0014]所述定子圆盘朝向摩擦层的一面有多组两两互补分布的扇形电极，内侧电极以旋转轴为中心呈辐射状向边沿延伸，而外侧电极则以相反方向由边沿向圆盘中心延伸，互相嵌合扇形电极属于内外两个不同的电极组，且各电极圆心角度相同，每两组互相紧密嵌合的扇形电极共同拼接成圆环形结构，所述圆环结构的面积与转子面积一一对应；
[0015]所述转子包括转子圆盘和柔性聚合物薄膜，所述转子圆盘呈环形或扇形结构，在环形转子圆盘上等圆周间距排列多个径向槽孔；
[0016]所述柔性聚合物薄膜呈扇形，其两侧被分别固定在每个扇形转子圆盘的边缘或环形转子圆盘的槽孔上，使薄膜中部微微拱起并覆盖定子电极，且所有薄膜拱起部分能完全覆盖同一组电极表面，而不与其互补且相邻的电极发生接触；
[0017]所述联动转轴与风杯和转子固定连接，管径较细的实心联动转轴连接支撑臂较长的风杯以及直径较小的内环转子，相反的，管径较粗的联动转轴连接支撑臂较短的风杯以及直径较大的外环转子，不同孔径的联动转轴被由大到小依次穿插安装，孔径最大的空心转轴在最外侧，孔径较小的实心转轴穿过其内侧，两根转轴的轴心重合，彼此之间通过轴承固定并保持独立旋转。
[0018]可选的，所述电极为金属或合金；
[0019]其中金属包括金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；
[0020]合金包括铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
[0021]可选的，所述柔性聚合物薄膜为聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素、天然橡胶、乙基纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、液晶高分子聚合物或派瑞林，柔性聚合物薄膜的厚度不低于50μm。
[0022]可选的，所述能量储存模块由两个并行的能量管理电路组成，分别接入定子圆盘上互补电极之间产生的交流电能输出，将收集到的不稳定电能调理至额定等级电压的电能，并暂存至能量储存装置；
[0023]所述不稳定电能的调理包括对交流电能进行桥式整流，变换为直流电能，并通过电容滤波和二极管稳压，产生稳定的电能输出。
[0024]可选的，所述对交流电能进行桥式整流采用的桥式型号为：RS206、2W10M、RS209、DB107S、2W08M、GBU1010、KBPC1010、4GBJ1006、GBP208、BR1010、GBU610、GBJ1010、RS607、KBU810、DB107、GBJ610或GBU808。
[0025]可选的，所述电容滤波采用的是π型RC滤波电路，包含滤波电容C1、储能电容C2以及串联其中的滤波电阻R1；
[0026]所述滤波电容C1为0.1～100μF；
[0027]所述储能电容C2为1
‑
1000μF；
[0028]所述滤波电阻R1为10
‑
1000Ω。
[0029]可选的，所述二极管稳压采用的是1N46
‑
1N60系列、2CW系列、2DW系列、MTZ系列、MTZJ系列或HZ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向能源互联网的宽频带风力微能源自驱动系统，其特征在于：该系统包括宽频带风力微能源一体化收集与转换装置、能量储存模块及封装模块；所述宽频带风力微能源一体化收集与转换装置包括一个独立层式的同心双转轴摩擦纳米发电机，用于收集风能并将其转化成交流电信号输出；所述能量储存模块对直接由自然能量转化而来的电能进行整流、滤波和稳压的初步调理，然后输出稳定电能并储存在能量储存装置中，从而对负载进行稳定的供能；所述封装模块用于对独立层式同心双转轴摩擦纳米发电机的封装，以及对能量储存模块的封装。2.根据权利要求1所述的一种面向能源互联网的宽频带风力微能源自驱动系统，其特征在于：所述独立层式的同心双转轴摩擦纳米发电机包括动力装置和发电装置；所述动力装置包括多个不同长度支撑臂的风杯以及不同粗细的实心与空心联动转轴；所述发电装置包括一个定子圆盘和两个同轴心的转子；所述定子圆盘朝向摩擦层的一面有多组两两互补分布的扇形电极，内侧电极以旋转轴为中心呈辐射状向边沿延伸，而外侧电极则以相反方向由边沿向圆盘中心延伸，互相嵌合扇形电极属于内外两个不同的电极组，且各电极圆心角度相同，每两组互相紧密嵌合的扇形电极共同拼接成圆环形结构，所述圆环结构的面积与转子面积一一对应；所述转子包括转子圆盘和柔性聚合物薄膜，所述转子圆盘呈环形或扇形结构，在环形转子圆盘上等圆周间距排列多个径向槽孔；所述柔性聚合物薄膜呈扇形，其两侧被分别固定在每个扇形转子圆盘的边缘或环形转子圆盘的槽孔上，使薄膜中部微微拱起并覆盖定子电极，且所有薄膜拱起部分能完全覆盖同一组电极表面，而不与其互补且相邻的电极发生接触；所述联动转轴与风杯和转子固定连接，管径较细的实心联动转轴连接支撑臂较长的风杯以及直径较小的内环转子，相反的，管径较粗的联动转轴连接支撑臂较短的风杯以及直径较大的外环转子，不同孔径的联动转轴被由大到小依次穿插安装，孔径最大的空心转轴在最外侧，孔径较小的实心转轴穿过其内侧，两根转轴的轴心重合，彼此之间通过轴承固定并保持独立旋转。3.根据权利要求2所述的一种面向能源互联网的宽频带风力微能源自驱动系统，其特征在于：所述电极为金属或合金；其中金属包括金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金包括铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。4.根据权利要求2所述的一种面向能源互联网的宽频带风力微能源自驱动系统，其特征在于：所述柔性聚合物薄膜为聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素、天然橡胶、乙基纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚
对苯二甲酸乙二醇酯、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王季宇，雍顺，杨丽君，廖瑞金，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：