[发明专利]一种无源型介电弹性体风能采集装置及其应用

说明书

本申请提供了一种无源型介电弹性体风能采集装置，包括底座，固定在底座上的支架，固定在支架上的悬臂梁和连接在悬臂梁一端的钝体；其中，悬臂梁的长度延伸方向上设有压电陶瓷组件，钝体内设有一收容腔，收容腔内设有至少一个与压电陶瓷组件电连接的介电弹性体能量采集单元；每个介电弹性体能量采集单元包括一两端开口的圆筒，固定在圆筒的两端开口上的可变电容和设置在圆筒内的球体，可变电容包括依次层叠设置的第一电极、介电弹性体层和第二电极。当风源气流带动无源型介电弹性体风能采集装置的钝体和悬臂梁振动时，可以在没有外加电场的条件下，将风能高效转换为电能。本申请还提供了该无源型介电弹性体风能采集装置的应用。

技术领域

本申请涉及发电装置技术领域，尤其涉及一种无源型介电弹性体风能采集装置及其应用。

背景技术

近年来，能源已经成为现代社会可持续发展的关键因素；同时随着环保意识的进步，各种清洁能源的有效利用受到社会的广泛关注。其中，风能作为一种清洁的可再生能源，蕴量巨大，其总量比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。但是，现有的风力发电机等风能采集装置大部分存在结构复杂，成本高等问题；且设备安装的环境一般在野外和海面，施工费用高。

另一方面，传统基于介电弹性体(Dielectric elastomer，DE)的能量采集装置具有结构简单、成本低等优点，但此类装置需要提供外界额外电压，极大地限制了其在无源环境下的运行。

发明内容

鉴于此，本申请提供了一种无源型介电弹性体风能采集装置及其应用。该无源型介电弹性体风能采集装置可以在没有外加电场的条件下，采集风能，并将风能转换为电能。

具体地，第一方面，本申请提供了一种无源型介电弹性体风能采集装置，包括底座，固定在所述底座上的支架，固定在所述支架上的悬臂梁和连接在所述悬臂梁一端的钝体；其中，所述悬臂梁的长度延伸方向上设有压电陶瓷组件，所述钝体内设有一收容腔，所述收容腔内设有至少一个与所述压电陶瓷组件电连接的介电弹性体能量采集单元；每个所述介电弹性体能量采集单元包括一两端开口的圆筒，固定在所述圆筒的两端开口上的可变电容和设置在所述圆筒内的球体，所述可变电容包括依次层叠设置的第一电极、介电弹性体层和第二电极；当风源气流带动所述钝体和所述悬臂梁振动时，所述压电陶瓷组件发生形变，向所述介电弹性体能量采集单元输出电流，所述介电弹性体能量采集单元内的所述球体在所述圆筒内往复运动，且撞击所述可变电容，输出电能。

本申请中，所述无源型介电弹性体风能采集装置的工作原理是：在风源气流作用下，所述钝体因为自身风阻属性，会在气流的带动下发生摆动，连接所述钝体的悬臂梁也一并摆动并进一步带动钝体反复运动；所述悬臂梁上的压电陶瓷组件因悬臂梁摆动而发生形变，向所述介电弹性体能量采集单元输出电流，所述介电弹性体能量采集单元在钝体的反复运动中，使内部球体在所述圆筒内往复运动，且撞击所述可变电容，从而实现更高的输出电能，实现风能的采集，将风能转化为电能。

可选地，所述第一电极和所述第二电极的表面均设有与所述圆筒两端开口相对设置的通孔，所述球体穿过所述第一电极或所述第二电极表面的所述通孔，直接撞击所述介电弹性体层。

本申请中，所述介电弹性体能量采集单元中，所述圆筒的两端开口上可以各设有一可变电容。振动状态时，所述球体在所述圆筒内往复运动，分别撞击所述圆筒的两端开口上的可变电容，产生更高的输出电能。

其中，所述球体的球径大小接近于所述圆筒的内径大小，所述球体能在所述圆筒内低摩擦地自由运动。可选地，所述球体的球径尺寸小于所述通孔的孔径。

可选地，所述悬臂梁和所述介电弹性体能量采集单元均沿水平方向设置，且所述悬臂梁的长度延伸方向和所述介电弹性体能量采集单元的长度延伸方向相互垂直。