一种面向能源互联网的宽频带风力微能源自驱动系统的制作方法

1.本发明属于微纳能源领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明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。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一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；
8.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；
9.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；
10.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。
11.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；
12.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；
13.所述发电装置包括一个定子圆盘和两个同轴心的转子；
14.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；
15.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；
16.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；
17.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。
18.可选的，所述电极为金属或合金；
19.其中金属包括金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；
20.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。
21.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。
22.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；
23.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。
24.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。
25.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；
26.所述滤波电容c1为0.1～100μf；
27.所述储能电容c2为1
‑
1000μf；
28.所述滤波电阻r1为10
‑
1000ω。
29.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系列，额定功率在mw级以上，稳压值根据传感器件电压需求为1～
‑
100v。
30.可选的，所述封装模块用于对摩擦纳米发电机的封装以及对能量储存模块的封装；
31.所述对摩擦纳米发电机的封装包括一块圆形顶部、一块圆形底部以及一块圆柱形侧面组成的圆柱形封装壳体，起到物理支撑与密封的作用；
32.所述圆形顶部的中心固定有一个绝缘轴承，用于支撑双转轴风杯以及摩擦纳米发电机的转子；
33.所述圆形底部的内侧与摩擦纳米发电机的定子紧密贴合并固定；
34.所述圆柱形侧面的底部被加工出两个小孔，使摩擦纳米发电机定子电极上的线路能刚好通过并引出到外部的能量储存模块中；
35.所述能量储存模块的封装被固定于摩擦纳米发电机圆柱形封装壳体外侧，内部包含两路独立运行的能量管理电路，外部引出六个电气接口，包含两对输入接口与一对输出接口；
36.所述输入接口包含内环摩擦纳米发电机和外环摩擦纳米发电机所需的电能输入接口；
37.所述输出接口用于连接能量存储模块与用电设备，实现传感器件的供能。
38.可选的，所述转子圆盘和定子圆盘的连接关系为：将各转子圆盘与联动转轴连接，使不同直径的转子圆盘呈同轴心圆环排列，并通过轴承与摩擦纳米发电机外封装固定，调节定子圆盘位置使每对定子圆盘上的互补电极组刚好被一个转子圆盘垂直覆盖；调整转子圆盘和定子圆盘之间的垂直距离，使转子圆盘上的柔性聚合物薄膜与定子圆盘上的同一组电极完全重合，使用铜线分别引出各组互补电极，形成多路输出。
39.本发明的有益效果在于：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，并用于能源互联网感知终端无源化运行。
40.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
41.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
42.图1为宽频带风力微能源一体化收集与转换装置结构示意图；
43.图2为宽频带风力微能源自驱动系统的能量管理电路图；
44.附图标记：1
‑
不同臂长的风杯、2
‑
绝缘封装、3
‑
支撑臂、4
‑
联动转轴、5、转子圆盘、6
‑
外环转子、7
‑
内环转子、8
‑
柔性聚合物薄膜、9
‑
定子圆盘、10
‑
定子电极。
具体实施方式
45.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
46.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
47.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
48.本发明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，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；
49.附图1展示的宽频带风力微能源一体化收集与转换装置的结构示意图，所示宽频带风力微能源一体化收集与转换装置是由同心双转轴风杯1、绝缘封装2以及内部的双转子摩擦纳米发电机三部分组成。同心双转轴风杯属于动力装置，包括六个半球形几何结构的杯体、不同长度的支撑臂3以及粗细不同的实心与空心联动转轴4。所述联动转轴与风杯和转子圆盘5固定连接,管径较大的空心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6，而管径较小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7，所述实心联动转轴被穿插固定于空心转轴的内部，两个转轴的中轴线重合，彼此之间通过轴承固定并保持独立旋转。双转子摩擦纳米发电机属于发电装置，包括外环转子6、内环转子7、柔性聚合物薄膜8、定子圆盘9以及定子圆盘上表面的定子电极10。外环转子与内环转子的旋转轴心重合，两个转子的下表面都固定着拱形的fep薄膜作为摩擦材料。具体的说，内环转子是一组以等圆心角间隔呈放射状排列的扇形单元的集合，其圆心角为30
°
，整个内环转子共有6个扇形单元，每个扇形单元对应一张拱形柔性聚合物薄膜。而外环转子呈圆环
形平面结构，并通过三根辐条与中心相连，圆环被分成12个圆心角为30
°
的扇形单元，单元与单元之间采用激光雕刻技术切割出辐射状条形孔槽加以划分，与内环转子类似，彼此相间的6个扇形单元对应着6张拱形柔性聚合物薄膜。每张扇形平面结构的fep薄膜都完全覆盖内环或外环转子上的一个扇形单元，薄膜的两侧被固定在扇形单元的边缘或孔槽之中，使得薄膜的中部微微拱起。薄膜拱起的部分将自然弯曲，并适当地与定子接触。两个转子共用一个定子，定子由内、外两部分组成。每一部分都由两个互补的电极网络10组成，电极网络之间由细沟断开。由于每个相邻的电极网络都属于相对的电极，所以每个部分的两个网络可以看作是两个电极。在转子与定子的安装中，需要调整好转子与定子之间的距离，使得fep薄膜拱起的部分只与一个电极网络完全接触，而不覆盖相邻的电极网络。
50.进一步，所示风杯及联动转轴由铝合金或塑料材料打造，具有轻质便携的特点；封装采用有机玻璃切割制作，用于减小环境污染及气候变化对摩擦纳米发电机的影响；转子圆盘与定子圆盘均采用有机玻璃切割制成，摩擦材料采用一般未改性的fep薄膜，定子电极使用铜膜覆盖并通过刻蚀凹槽起绝缘作用。
51.附图2展示的宽频带风力微能源自驱动系统的能量储存模块电路图，将宽频带风能一体化收集与转换装置的各路输出分别接入图2所示能量管理电路，通过桥式整流将频率随风速变化的交流电能转换成直流形式，通过电容滤波使电压波形平滑稳定，再经过滤波电阻对储能电容充电，最后经稳压二极管限制输出电压幅值，以满足供能需求。所述桥式整流电流选用kbpc1010型号，其正向电流为10a、耐压值为1000v；所述滤波电容选自电解电容或瓷片电容，电容值为4.7μf，其耐压值应大于摩擦纳米发电机的开路电压最大值(≈300v)；所述滤波电阻选用100ω小电阻，与储能电容共同形成一个rc滤波电路；所述储能电容应考虑用电器件电压及功率需求选择，电容越大可储存的电能也越多，但充电时间也越长，本案例储能电容选用1mf电解电容；所述稳压二极管用于限制电压并保护用电器件，根据温度传感器电压需求，本案例选用1n4728稳压二极管，其稳压值为3.3v。
52.进一步，封装模块应考虑环境及结构因素，通过在摩擦纳米发电机及能量储存模块四周布设绝缘封装，能够在起到机械支撑的同时，兼顾绝缘、防尘、防水、防震等要求。结构设计要保证装置的体积尽可能小，尽量保证整体的结构紧凑，使整体结构具有一定的刚度，适应强风等恶劣环境；根据安装环境强电磁场屏蔽需求，风杯等动力模块可替换成绝缘塑料材料制作，而封装外壳可替换成高导磁率屏蔽材料圆柱形圆滑外形设计，避免外部出现带电制高点，形成强电磁场中的极点，引起电晕放电损坏监测装置，提高其可靠性。另外采用ip68防护设计标准设计，满足抗紫外线设计要求。
53.本实施例中还提供各模块的制备方法，该双转轴宽频带风力微能源一体化收集与转换装置包括三个主要部分,从上到下依次为,动力模块、转子以及定子。
54.风能收集模块制作:将一根长10cm、直径3.2cm的铝合金旋转轴加工成空心结构，使另一根长20cm、直径1.8cm的实心铝合金旋转轴通过绝缘轴承被固定在空心旋转轴的空心结构内，从而形成每个旋转轴都能独立旋转的同轴心双转轴结构。然后,将三个直径6cm的半球形铝合金空心杯固定在三根直径0.8cm的铝合金支撑臂的一端,并将铝合金支撑臂的另一端固定在实心旋转轴的顶部,从而制作出半径20cm的风杯。另一个半径为14cm的风杯也是由三个相同尺寸的铝合金空心杯固定在三个直径为0.8cm的铝合金支撑臂上制成，而支撑臂的另一端则被连接在空心旋转轴的顶部。通过轴承连接，这两个不同臂长的同心
双转轴风杯被安装固定在绝缘封装的顶部，而实心旋转轴与空心旋转轴的底部则分别与内环转子与外环转子固定，使得这两个转子能直接悬浮在定子上方的一定距离。
55.对于转子部分的制作:将厚度为100μm的fep薄膜切割成扇形作为介电层，也称为摩擦层，使之在铜薄膜表面滑动以收集电荷。使用激光切割机将0.2cm厚的亚克力板切割成直径为19cm的扇形环绕状圆盘，即内环转子圆盘，其中每个扇形区域的圆心角为30
°
。接着，使用激光切割技术将相同厚度的亚克力板切割成外直径为27cm、内直径为19cm的圆环形平面结构，该圆环结构通过三根辐条与旋转中心连接，构成外环转子的转子圆环。在外环转子圆环上等圆心角切割出径向排列的沟槽，通过这些沟槽将转子圆环均等分为12个扇区，每个扇区的圆心角为30
°
。将每张扇形fep薄膜的两端固定在内环转子扇形区域的两侧或外环转子圆环的沟槽中，使得它们的中部略微拱起呈拱形并与定子接触。
56.对于定子部分的制作:用激光切割机将0.2cm厚的亚克力板切割成直径为27cm的圆盘形状以作为内环与外环的共同定子。一张厚0.1mm的铜箔被粘贴在定子圆盘的上表面以用作定子表面的电极材料(同时也是摩擦材料)，通过在定子圆盘上表面距离圆心9.5cm的圆周切割孔槽，将铜箔分割成内部和外部两个绝缘电气部分，随后在每个部分都雕刻许多沟槽，从而在每个部分上都会形成两个图形互补的扇形电极网络，每个部分的扇形区域都具有相同的圆心角，彼此相间的扇形区域在一端相互连接，共同组成一个电极，而彼此相邻的扇形区域分别属于两个极性相反的电极，将这两个电极用铜线引出作为摩擦纳米发电机的一路输出，则本实施例的双转轴宽频带风能一体化收集与转换装置一共拥有两路输出。
57.此外，在转子与定子的安装中，应适当调整转子与定子之间的距离，使得fep薄膜拱起的部分只与一个扇形电极网络完全接触，而不覆盖相邻的电极网络。
58.进一步，组装后的双转轴风杯能各自独立旋转，在微风条件下，支撑臂较长的风杯优先启动，驱动内环转子旋转，高效率收集微风能量，并在定子电极间产生一路交流输出，此路输出的瞬时功率先随风速递增，之后在风速达到一定强度时增速放缓并逐渐趋近于饱和；与此同时，随着风速的增强，支撑臂较短的风杯开始启动，并驱动外环转子旋转，在定子电极间产生第二路交流输出，相比前一路输出，此路输出的饱和风速更大，对中、强风速的能量俘获效率更高，因此很好地弥补了第一路输出在功率上的饱和，拓宽了装置的高效俘能风速区间。两路输出在启动风速、饱和风速上形成互补，大大拓宽了高效俘能的风速范围，同时使得风能收集装置的功率曲线变得平滑，带负载能力得到加强。
59.需要说明的是，本发明所设计的宽频带风力微能源自驱动系统包括但不限于本实施例中的基于双转轴型摩擦纳米发电机的宽频带风力微能源自驱动系统，更多转轴的设计能扩宽风能收集的高效区间，产生更平滑的输出功率曲线，但同时也增加了系统的复杂程度，影响系统运行的稳定性，因此应根据实际需求与应用场景针对性设计。
60.通过能量管理电路的应用，多转轴型摩擦纳米发电机产生的每一路交流输出都将被转换成稳定的直流电能被存储在储能装置中，通过调整滤波电容以及储能电容的大小，可以控制输出波形的平滑程度以及储能电容的工作电压和充放电时常。进一步，提高滤波电容容量能有效增强其滤波效果，但在开机时对滤波电容的充电时间会很长，此时若充电电流过大、充电时间很长，则会损坏整流二极管，因此在滤波电容之后增加的滤波电阻与储能电容将共同形成第二阶级滤波电路，此时滤波电阻不宜过大以免在该电阻上产生的电压
降限制了直流输出电压的幅值，而储能电容可以根据用电设备的用电需求进行选择。具体来说，储能电容的最大充电电压应不高于摩擦纳米发电机的输出电压，其到达供能所需的额定电压的充电时间随电容值成反比，即电容越大、充电时间越长、电压波动越小、放电时间也越长；而电容越小、充电时间越短、电压波动大、放电时间短。进一步，所述稳压二极管用于限制电压并保护用电器件，由于部分传感器件拥有截止电压和保护电压等限制，因此需要稳定输出的直流电压幅值以满足传感器用电需求
61.还需说明的是，本发明所适用的传感器件应是毫瓦级小功率器件，因此在传感器件的选型过程中，核心选型参数是功耗。具体到本实施例的传感器件，本发明提供的设计方法所建议的典型的功耗参数包括：
62.(1)监测电流所使用的电子式电流互感器，20～40mw；
63.(2)监测环境温度所使用的测温传感器，<50mw；
64.(3)监测土壤湿度所使用的湿度传感器，<50mw；
65.(4)监测风速所使用的风速传感器，<100mw；
66.(5)监测气压所使用的气压传感器，<10mw。
67.总之，除极端环境条件之外，本发明所设计的自驱动系统的平均输出功率能够达到0.1
‑
10mw的输出功率区间。至此，储能模块内的电能已经从来自环境的不规则、不稳定能量变换为可供传感器件使用的稳定持续电能。
68.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。