一种应用接触起电技术的大规模风力发电系统
阅读说明：本技术 一种应用接触起电技术的大规模风力发电系统 (Large-scale wind power generation system applying contact electrification technology ) 是由 赵景山 张家悦 于 2020-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种应用接触起电技术的大规模风力发电系统,包括若干个发电微单元、电路系统、机箱；发电微单元、电路系统设于机箱内部,电路系统与发电微单元相连接；发电微单元包括由上到下依次设置的上基底、上电极、下电极、下基底；上电极、所述下电极之间连接有振动薄膜层,振动薄膜层能够上下振动且上下振动的过程中分别与上电极、下电极接触；上电极、所述下电极之间还设有若干个弹性立壁；电路系统包括若干个整流电路系统和外电路系统,整流电路系统将风力激发的交流电变为直流电；外电路系统将若干个所述整流电路系统进行串联或并联。本发明应用接触起电技术的大规模风力发电系统结构简单、自重小、发电效率高,降低了发电系统成本。(The invention discloses a large-scale wind power generation system applying a contact electrification technology, which comprises a plurality of power generation micro units, a circuit system and a case; the power generation micro unit and the circuit system are arranged in the case, and the circuit system is connected with the power generation micro unit; the power generation micro unit comprises an upper substrate, an upper electrode, a lower electrode and a lower substrate which are sequentially arranged from top to bottom; a vibration film layer is connected between the upper electrode and the lower electrode, and can vibrate up and down and is respectively contacted with the upper electrode and the lower electrode in the process of vibrating up and down; a plurality of elastic vertical walls are arranged between the upper electrode and the lower electrode; the circuit system comprises a plurality of rectifying circuit systems and an external circuit system, and the rectifying circuit systems convert alternating current excited by wind power into direct current; and the external circuit system connects a plurality of the rectification circuit systems in series or in parallel. The large-scale wind power generation system applying the contact electrification technology has the advantages of simple structure, small self weight and high power generation efficiency, and reduces the cost of the power generation system.)
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种应用接触起电技术的大规模风力发电系统。
背景技术
随着社会发展，能源短缺成为全球化问题。风能作为一种清洁可再生能源具有巨大的应用潜力，为能源短缺问题提供了解决方案。现有的风力发电机一般采用将风能转换为机械能，再将机械能通过电磁式发电机转换为电能的方式进行发电。目前，世界各国已在风资源较好的地区建立了大规模的风电场进行风电转换，但这种风力发电的方式存在成本较高、发电效率较低、维修过程复杂等缺点。
随着科学研究的发展，科学家发现当两物质互相接触时也存在放电现象。如能把此类技术大规模应用于风力发电方向，将会减少成本投入、提高发电效率、减轻维修压力。因此，如何设计一种应用接触起电技术，且能够大规模应用的风力发电系统，用于收集并转换风能是本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用接触起电技术的大规模风力发电系统，以解决现有技术中存在的技术问题，结构简单、自重小、发电效率高，同时减轻了维修压力，降低了发电系统成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种应用接触起电技术的大规模风力发电系统，包括：若干个发电微单元、电路系统、机箱；所述发电微单元、所述电路系统设于所述机箱内部，所述电路系统与所述发电微单元相连接；
所述发电微单元包括由上到下依次设置的上基底、上电极、下电极、下基底，所述上电极与上基底接触连接，所述下电极与所述下基底接触连接；所述上电极、所述下电极之间连接有振动薄膜层，所述振动薄膜层能够上下振动，所述振动薄膜层上下振动的过程中分别与所述上电极、下电极接触；所述上电极、所述下电极之间还设有若干个弹性立壁；
所述电路系统包括若干个整流电路系统和外电路系统，所述整流电路系统与所述发电微单元连接，所述整流电路系统将风力激发的交流电变为直流电；所述外电路系统将若干个所述整流电路系统进行串联或并联。
优选地，所述振动薄膜层由聚合物薄膜制成，所述聚合物薄膜能够产生接触电荷；所述振动薄膜层设于所述上电极、所述下电极之间的中间位置，所述振动薄膜层与所述上电极的夹角为0～3°。
优选地，所述上电极、所述下电极之间设有若干个弹性立壁组，每个所述弹性立壁组由上下对应设置的所述弹性立壁组成，同组的两个所述弹性立壁中间形成间隙，所述振动薄膜层依次穿过两个所述弹性立壁之间的间隙。
优选地，所述弹性立壁由弹性系数小于所述上电极、所述下电极的弹性连续体或弹簧制成。
优选地，所述上电极、所述下电极由薄金属板制成。
优选地，所述振动薄膜层由金属薄膜或复合材料制成，所述上电极、所述下电极由聚合物薄膜制成。
优选地，所述上电极、所述下电极之间设有两个所述弹性立壁，两个所述弹性立壁分别设于所述发电微单元的两端，所述振动薄膜层通过所述弹性立壁固设于所述上电极、所述下电极之间的中间位置。
优选地，所述所述弹性立壁由具有多孔结构的复合材料或弹性连续体或弹簧制成。
优选地，所述发电微单元还包括涡振发生器、涡振调节器；所述涡振发生器通过涡振调节器设置在所述发电微单元的迎风面。
优选地，所述涡振调节器由具有多孔结构的复合材料或弹性连续体或弹簧制成。
优选地，所述整流电路包括四个整流二极管，四个所述整流二极管形成桥式整流电路。
优选地，所述上电极、所述下电极之间的距离为0.1～10mm。
本发明公开了以下技术效果：
本发明发电微单元中振动薄膜层和上、下电极在风力作用下，上下高频接触，充分耗散气流的动能，产生较高的电压，在外电路的作用下输出较大的电流和功率。同时，对于包含由刚度较小的聚合物薄膜制成的振动薄膜层的发电微单元，上、下电极上的弹性立壁有效防止振动薄膜层在运动过程中卡滞。而对于包含由刚度较大的金属薄膜制成的振动薄膜层的发电微单元，其固定端弹性立壁由具有多孔结构的复合材料、弹性连续体或弹簧构成，在保证薄板高频振动的同时提高了振动幅值和接触面积。对于包含涡振发生器和涡振调节器的发电微单元，在来流方向通过设置扰流板实现振动薄膜的高频涡激振动；涡振调节器用于在风速不匀的情况下，通过改变流道内特征尺寸，使得雷诺数处于一定值，从而保证振动薄膜层能够在不同风速下以相同高频振动，产生持续、稳定的电流和电压。本发明应用接触起电技术的大规模风力发电系统的结构简单、自重小、发电效率高，同时减轻了维修压力、降低了发电系统总体成本，为全球范围内能源短缺问题提供低成本解决方案，具有极大的经济、社会和环保意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一的结构示意图；其中图1(a)为应用接触起电技术的大规模风力发电系统示意图，图1(b)为三维图，图1(c)为主视图和电路图；
图2为本发明实施例二的结构示意图；其中图2(a)为应用接触起电技术的大规模风力发电系统示意图，图2(b)为三维图，图2(c)为主视图和电路图；
图3为本发明实施例三的结构示意图；其中图3(a)为应用接触起电技术的大规模风力发电系统示意图，图3(b)为三维图，图3(c)为主视图。
其中，1为机箱，2为发电微单元，3为上基底，4为上电极，5为弹性立壁，6为振动薄膜层，7为下电极，8为下基底，9为涡振发生器，10为涡振调节器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
参照图1所示，本实施例提供一种应用接触起电技术的大规模风力发电系统，包括若干个发电微单元2、电路系统、机箱1；所述发电微单元2、所述电路系统可拆卸连接于所述机箱1内部，所述电路系统与所述发电微单元2电性连接；
所述发电微单元2包括由上到下依次设置的上基底3、上电极4、下电极7、下基底8；所述上电极4与上基底3接触连接，所述下电极7与所述下基底8接触连接；所述上电极4、上基底3、下电极7、下基底8长度相同且平行设置；所述发电微单元2还包括振动薄膜层6，所述振动薄膜层6由刚度较小，且在接触过程中易于产生电荷的聚合物薄膜制成；所述振动薄膜层6设于所述上电极4、所述下电极7之间的中间位置，所述振动薄膜层6与所述上电极4成0～3°夹角；所述振动薄膜层6的两端分别与所述发电微单元2的内壁相连接，所述振动薄膜层6能够上下振动，所述振动薄膜层6上下振动的过程中分别与所述上电极4、下电极7接触。
所述上电极4、所述下电极7之间设有若干个弹性立壁组，每个所述弹性立壁组包括上下对应设置的弹性立壁5，同组的两个所述弹性立壁5分别固定连接于所述上电极4、所述下电极7；同组的两个所述弹性立壁5长度相同且中间形成间隙；所述振动薄膜层6依次穿过同组的两个所述弹性立壁5之间的间隙。所述弹性立壁5与所述上电极4、下电极7所在平面垂直，所述弹性立壁5分别在所述上电极4、所述下电极7上等间距分布，所述间距满足：在所述振动薄膜层6上下振动的过程中，所述振动薄膜层6与所述上电极4、所述下电极7接触面积达到基底面积的80％以上、能够最大程度耗散来流动能，以便尽可能地将其转化为电势能。
所述电路系统包括若干个整流电路系统和外电路系统，所述整流电路系统将风力激发的交流电变为直流电；所述整流电路与所述上电极4、所述下电极7电性相连；所述外电路系统将多个所述整流电路系统进行串联或并联，实现所述的应用接触起电技术的大规模风力发电系统稳定的电流、电压输出。
所述整流电路包括四个整流二极管，四个所述整流二极管形成桥式整流电路，如图1(c)所示。
所述机箱1包括机箱壳体，所述机箱壳体用于放置和封装发电微单元2和电路系统；所述机箱壳体内共有m行n列发电微单元2，其中m和n为任意正整数。
进一步地优化方案，所述上电极4、所述下电极7之间的距离为0.1～10mm。
进一步地优化方案，所述弹性立壁5由弹性系数小于所述上电极4、所述下电极7的弹性连续体或弹簧制成，所述弹性立壁5与所述上电极4、所述下电极7的弹性系数比小于1。
进一步地优化方案，所述上电极4、所述下电极7由厚度为毫米或微米级的薄金属板制成，本实施例中所述上电极4、所述下电极7由薄铜板制成。
进一步地优化方案，本实施例中所述振动薄膜层6由聚四氟乙烯薄膜制成。
进一步地优化方案，所述振动薄膜层6的厚度为0.01～0.1mm。
本实施例应用接触起电技术的大规模风力发电系统的工作方法为：
在风力发电过程中，振动薄膜层6在风力的作用下上下摆动，向上摆动时，与上电极4接触，产生电势差；向下摆动时，与下电极7接触，产生电势差。通过整流电路，振动薄膜层6上下摆动过程中产生的方向相反的电势差转换为方向相同的电势差，并通过外电路储存在储能器件中；同时，上电极4、下电极7上的弹性立壁5防止振动薄膜层6在上下摆动过程中卡滞。其中，发电量由发电微单元2的数量和外电路的整合方式决定，能够根据应用场合进行配置和调整。
实施例二：
参照图2所示，本实施例提供一种应用接触起电技术的大规模风力发电系统，包括若干个发电微单元2、电路系统、机箱1；所述发电微单元2、所述电路系统可拆卸连接于所述机箱1内部，所述电路系统与所述发电微单元2电性连接；
所述发电微单元2包括由上到下依次设置的上基底3、上电极4、下电极7、下基底8；所述上电极4与上基底3接触连接，所述下电极7与所述下基底8接触连接；所述上电极4、上基底3、下电极7、下基底8长度相同且平行设置；所述发电微单元2还包括振动薄膜层6和弹性立壁5，所述振动薄膜层6由金属薄膜制成；所述弹性立壁设于所述发电微单元2的两端；所述振动薄膜层6通过所述弹性立壁5固设于所述上电极4、所述下电极7之间的中间位置；所述弹性立壁5由具有多孔结构的复合材料、弹性连续体或弹簧制成；
在工作过程中，气流激励所述振动薄膜层6上下振动，所述振动薄膜层6上下振动的过程中分别与所述上电极4、下电极7接触。通过合理选择所述振动薄膜层6的制作材料、加工工艺和制造方法，使所述振动薄膜层6与所述上电极4、所述下电极7接触面积达到基底面积的80％以上，振动频率达到1000Hz以上，以最大程度耗散来流动能，尽可能地将其转化为电势能。
所述电路系统包括若干个整流电路系统和外电路系统，所述整流电路系统将风力激发的交流电变为直流电；所述整流电路与所述上电极4、所述下电极7相连或所述整流电路与所述上基底3、所述下基底8、所述振动薄膜层6相连；所述外电路系统将多个所述整流电路系统进行串联或并联，实现所述的应用接触起电技术的大规模风力发电系统稳定的电流、电压输出。
所述整流电路包括四个整流二极管，四个所述整流二极管形成桥式整流电路，如图2(c)所示。
所述机箱1包括机箱壳体，所述机箱壳体用于放置和封装发电微单元2和电路系统；所述机箱壳体内共有m行n列发电微单元2，其中m和n为任意正整数。
进一步地优化方案，所述上电极4、所述下电极7之间的距离为0.1～10mm。
进一步地优化方案，所述弹性立壁5由具有多孔结构的复合材料或弹性连续体或弹簧制成。
进一步地优化方案，所述上电极4、所述下电极7由厚度为毫米或微米级的聚合物薄膜制成，本实施例中所述上电极4、所述下电极7由聚四氟乙烯制成。
进一步地优化方案，所述振动薄膜层6由金属薄膜或复合材料制成；本实施例中所述振动薄膜层6由铜薄膜制成。
进一步地优化方案，所述振动薄膜层6的厚度为0.01～0.5mm。
本实施例应用接触起电技术的大规模风力发电系统的工作方法为：
在风力发电过程中，振动薄膜层6在风力的作用下上下摆动，向上摆动时，与上电极4接触，产生电势差；向下摆动时，与下电极7接触，产生电势差。通过整流电路，振动薄膜层6上下摆动过程中产生的方向相反的电势差转换为方向相同的电势差，并通过外电路储存在储能器件中；同时，通过合理设计和制造振动薄膜层6的刚度和质量，使机械系统在风力激励下产生高频振动；通过振动薄膜层6两端的弹性立壁5作为支承结构，补偿和增加振动幅值，使振动薄膜层6与上电极4、下电极7在工作工程中接触面积最大化，以便尽可能地将来流的动能转化为电势能；其中，发电量由发电微单元2的数量和外电路的整合方式决定，能够根据应用场合进行配置和调整。
实施例三：
参照图3所示，本实施例提供一种应用接触起电技术的大规模风力发电系统，包括若干个发电微单元2、电路系统、机箱1；所述发电微单元2、所述电路系统可拆卸连接于所述机箱1内部，所述电路系统与所述发电微单元2电性连接；
所述发电微单元2包括由上到下依次设置的上基底3、上电极4、下电极7、下基底8；所述上电极4与上基底3接触连接，所述下电极7与所述下基底8接触连接；所述上电极4、上基底3、下电极7、下基底8长度相同且平行设置；所述发电微单元2还包括振动薄膜层6和弹性立壁5，所述振动薄膜层6设于所述上电极4、所述下电极7之间的中间位置；所述弹性立壁设于所述发电微单元2的两端；所述弹性立壁5由具有多孔结构的复合材料、弹性连续体或弹簧制成；所述发电微单元2还包括涡振发生器9、涡振调节器10；所述涡振发生器9通过涡振调节器10设置在所述发电微单元2的迎风面。
在工作过程中，通过在来流方向设置涡振发生器9实现振动薄膜层6的高频涡激振动；在风速不匀的情况下，涡振调节器10通过改变流道内特征尺寸，使得雷诺数处于一定值，从而保证振动薄膜层6能够在不同风速下以相同高频振动，产生持续、稳定的电流和电压。气流激励所述振动薄膜层6上下振动，所述振动薄膜层6上下振动的过程中分别与所述上电极4、下电极7接触通过合理选择所述振动薄膜层6的制作材料、加工工艺和制造方法，使所述振动薄膜层6与所述上电极4、所述下电极7接触面积达到基底面积的80％以上，振动频率达到1000Hz以上，以最大程度耗散来流动能，尽可能地将其转化为电势能。
所述电路系统包括若干个整流电路系统和外电路系统，所述整流电路系统将风力激发的交流电变为直流电；所述整流电路与所述上电极4、所述下电极7、振动薄膜层6电性相连；所述外电路系统将多个所述整流电路系统进行串联或并联，实现所述的应用接触起电技术的大规模风力发电系统稳定的电流、电压输出。
所述整流电路包括四个整流二极管，四个所述整流二极管形成桥式整流电路。
所述机箱1包括机箱壳体，所述机箱壳体用于放置和封装发电微单元2和电路系统；所述机箱壳体内共有m行n列发电微单元2，其中m和n为任意正整数。
进一步地优化方案，所述上电极4、所述下电极7之间的距离为0.1～10mm。
进一步地优化方案，所述弹性立壁5由具有多孔结构的复合材料或弹性连续体或弹簧制成。
进一步地优化方案，所述上电极4、所述下电极7由厚度为毫米或微米级的聚合物薄膜制成，本实施例中所述上电极4、所述下电极7由聚四氟乙烯制成。
进一步地优化方案，所述振动薄膜层6由金属薄膜或复合材料制成；本实施例中所述振动薄膜层6由铜薄膜制成。
进一步地优化方案，所述振动薄膜层6的厚度为0.01～0.5mm。
进一步地优化方案，所述涡振发生器9置于所述发电微单元2迎风面，作用相当于扰流板。
进一步地优化方案，所述涡振调节器10由具有多孔结构的复合材料或弹性连续体或弹簧制成。
本实施例应用接触起电技术的大规模风力发电系统的工作方法为：
在风力发电过程中，振动薄膜层6在风力的作用下上下摆动，向上摆动时，与上电极4接触，产生电势差；向下摆动时，与下电极7接触，产生电势差。通过整流电路，振动薄膜层6上下摆动过程中产生的方向相反的电势差转换为方向相同的电势差，并通过外电路储存在储能器件中；同时，在来流方向通过设置涡振发生器9实现振动薄膜的更高频率的涡激振动，以便尽可能地将来流的动能转化为电势能。另外，在风速不匀的情况下，涡振调节器10通过改变流道内特征尺寸，使得雷诺数处于一定值，从而保证振动薄膜层6能够在不同风速下以相同高频振动。在高风速、大风力作用下，本实施例中的涡振发生器9连接的弹簧压缩，特征尺寸较小；在低风速、小风力作用下，本实施例中的涡振发生器9连接的弹簧维持原长，特征尺寸较大。通过最小化雷诺数值得变化，可以保证系统输出持续、稳定的电流和电压。其中，发电量由发电微单元2的数量和外电路的整合方式决定，能够根据应用场合进行配置和调整。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。