，壓電式能量采集模塊包括葉片7和柔性壓電懸梁臂3，葉片7與柔性壓電懸梁臂3的自由端通過合頁(yè)平行連接，其連接方式不限，葉片7能夠更好的響應(yīng)風(fēng)流體的擾動(dòng)，在風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下，葉片7可帶動(dòng)柔性壓電懸梁臂7在框架I內(nèi)發(fā)生周期性振動(dòng)，從而使得柔性壓電懸梁臂7發(fā)生形變，實(shí)現(xiàn)電能輸出，葉片的形狀不限，葉片的存在提高了柔性壓電懸梁臂的振幅，從而也提高了壓電電壓的輸出強(qiáng)度。
[0035]摩擦式能量采集模塊包括粘貼于柔性壓電懸梁臂3表面的運(yùn)動(dòng)摩擦層6和粘貼于框架I內(nèi)表面的固定摩擦層5，運(yùn)動(dòng)摩擦層6與固定摩擦層5可在框架I內(nèi)發(fā)生周期性相對(duì)接觸與分離，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。
[0036]壓電式能量采集和摩擦式能量采集兩種能量采集方式同時(shí)工作，提高風(fēng)能收集器在低風(fēng)速環(huán)境下的能量密度輸出。
[0037]收集器的框架I為阻流體結(jié)構(gòu)，且可為雙弧形或梭型結(jié)構(gòu)，減少了氣流的阻力，保證了氣流的穩(wěn)定，同時(shí)弧形內(nèi)壁的設(shè)計(jì)，提高了運(yùn)動(dòng)摩擦層6與固定摩擦層5的接觸面積，使得運(yùn)動(dòng)摩擦層6和固定摩擦層5碰撞時(shí)充分貼合和擠壓，提高摩擦電壓輸出。框架I通過墊片2與柔性壓電懸梁臂3在其末端進(jìn)行固定，與固定摩擦層5之間還粘貼有電極層4。
[0038]柔性壓電懸臂梁3的振動(dòng)主要由卡門渦街效應(yīng)引起。卡門渦街是流體力學(xué)中的重要現(xiàn)象，在一定條件下，當(dāng)流體繞過阻流體時(shí)，阻流體后面兩側(cè)會(huì)周期性地脫落出方向相反、排列規(guī)則的雙列漩渦。在本收集器中，當(dāng)風(fēng)從如圖2所示方向吹過雙弧形阻流結(jié)構(gòu)的框架I時(shí)，葉片7的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生方向相反漩渦8和氣壓差，從而形成與葉片7垂直的壓力并驅(qū)動(dòng)其上下振動(dòng)，葉片7的振動(dòng)會(huì)帶動(dòng)與之相連的柔性壓電懸臂梁3以較大的振幅振動(dòng)。柔性壓電懸臂梁3由于發(fā)生形變則會(huì)產(chǎn)生電壓輸出。同時(shí)，柔性壓電懸臂梁3振動(dòng)的時(shí)候會(huì)帶動(dòng)固定摩擦層5與運(yùn)動(dòng)摩擦層6發(fā)生周期性的碰撞，運(yùn)動(dòng)摩擦層6優(yōu)選為金屬摩擦層，固定摩擦層5優(yōu)選為均勻分布多個(gè)金字塔微結(jié)構(gòu)摩擦單元的聚二甲基硅氧烷摩擦層。根據(jù)摩擦起電和靜電感應(yīng)原理，兩種摩擦材料的相互接觸、分離會(huì)產(chǎn)生電能輸出，兩種摩擦材料碰撞時(shí)的接觸面積是影響摩擦輸出的關(guān)鍵因素，本收集器的的雙弧形結(jié)構(gòu)框架I能夠使摩擦層碰撞時(shí)充分貼合，從而提高電壓輸出。
[0039]聚二甲基硅氧烷摩擦層和金屬摩擦層周期性碰撞過程中會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，其工作原理是基于摩擦生電與靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)。粘貼在柔性壓電懸臂梁3表面的金屬摩擦層在風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下與上下兩側(cè)的聚二甲基硅氧烷摩擦層發(fā)生周期性的碰撞。金屬摩擦層易失電子，聚二甲基硅氧烷摩擦層易得電子。兩者相互接觸、分離的過程中電勢(shì)差的改變會(huì)驅(qū)動(dòng)電子在外電路轉(zhuǎn)移，從而形成交流電輸出，參見如圖3所示。
[0040]同時(shí)，本葉片式復(fù)合風(fēng)動(dòng)能量收集器在風(fēng)洞設(shè)備中進(jìn)行輸出性能測(cè)試，風(fēng)洞設(shè)備可以提供Om/s?15m/s的穩(wěn)定風(fēng)速。摩擦式能量采集部分和壓電式能量采集部分電壓輸出情況如圖4所示。當(dāng)風(fēng)速低于4m/s時(shí)，柔性壓電懸臂梁3幾乎不發(fā)生振動(dòng)，因此兩部分均沒有電壓的輸出。當(dāng)風(fēng)速大于4m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，兩部分的電壓輸出近似成線性增加。當(dāng)風(fēng)速為1m/s時(shí)，壓電和摩擦部分的輸出電壓峰值分別為16V和13.4V。
[0041]本發(fā)明提供的一種葉片式復(fù)合風(fēng)動(dòng)能量收集器，通過將摩擦式和壓電式能量采集模塊進(jìn)行結(jié)合設(shè)計(jì)，提高了能量輸出密度。增加柔性壓電懸梁臂末端的葉片能夠更好的響應(yīng)風(fēng)流體的擾動(dòng)，提高了壓電式能量采集部分的振幅和壓電電壓輸出。框架雙弧形阻流體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)增大了各個(gè)摩擦層的接觸面積，從而提高了摩擦電壓的輸出。
[0042]對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種葉片式復(fù)合風(fēng)動(dòng)能量收集器，其特征在于:包括壓電式能量采集模塊和摩擦式能量采集模塊； 所述壓電式能量采集模塊包括葉片和柔性壓電懸梁臂;所述葉片與柔性壓電懸梁臂的自由端連接，葉片可帶動(dòng)柔性壓電懸梁臂在框架內(nèi)發(fā)生周期性振動(dòng)； 所述摩擦式能量采集模塊包括粘貼于柔性壓電懸梁臂表面的運(yùn)動(dòng)摩擦層和粘貼于框架內(nèi)表面的固定摩擦層;所述運(yùn)動(dòng)摩擦層與固定摩擦層可在框架內(nèi)發(fā)生周期性相對(duì)接觸與分離； 所述框架通過墊片與柔性壓電懸梁臂在其末端進(jìn)行固定;所述框架與固定摩擦層之間還粘貼有電極層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片式復(fù)合風(fēng)動(dòng)能量收集器，其特征在于:所述葉片與柔性壓電懸梁臂的自由端通過合頁(yè)平行連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片式復(fù)合風(fēng)動(dòng)能量收集器，其特征在于:所述運(yùn)動(dòng)摩擦層為金屬摩擦層，對(duì)稱粘貼于柔性壓電懸梁臂的上下表面。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片式復(fù)合風(fēng)動(dòng)能量收集器，其特征在于:所述固定摩擦層為聚二甲基硅氧烷摩擦層，具有多個(gè)金字塔微結(jié)構(gòu)摩擦單元。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片式復(fù)合風(fēng)動(dòng)能量收集器，其特征在于:所述葉片的形狀可為正方形、長(zhǎng)方形、圓形、菱形。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片式復(fù)合風(fēng)動(dòng)能量收集器，其特征在于:所述框架為阻流體結(jié)構(gòu)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種葉片式復(fù)合風(fēng)動(dòng)能量收集器，其特征在于:所述框架的形狀為雙弧形或梭形。
【專利摘要】一種葉片式復(fù)合風(fēng)動(dòng)能量收集器，包括壓電式能量采集模塊和摩擦式能量采集模塊；壓電式能量采集模塊包括葉片和柔性壓電懸梁臂；葉片與柔性壓電懸梁臂的自由端平行連接，葉片可帶動(dòng)柔性壓電懸梁臂在框架內(nèi)發(fā)生周期性振動(dòng)；摩擦式能量采集模塊包括粘貼于柔性壓電懸梁臂表面的運(yùn)動(dòng)摩擦層和粘貼于框架內(nèi)表面的固定摩擦層；運(yùn)動(dòng)摩擦層與固定摩擦層可在框架內(nèi)發(fā)生周期性相對(duì)接觸與分離。本收集器采用摩擦和壓電兩種能量收集方式，提高了能量輸出密度。懸臂梁末端的葉片設(shè)計(jì)能夠更好的響應(yīng)風(fēng)流體的擾動(dòng)，提高了壓電懸臂梁的振幅和壓電電壓輸出。同時(shí)，框架雙弧形阻流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠增大摩擦層間的接觸面積，提高摩擦電壓輸出。
【IPC分類】H02N2/18, H02N1/04
【公開號(hào)】CN105680717
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610239093
【發(fā)明人】劉會(huì)聰, 陳濤, 孫立寧, 夏月冬, 劉文杰
【申請(qǐng)人】蘇州大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2016年4月18日