本公开涉及风能收集，具体为一种风能收集装置。
背景技术：
1、随着物联网(internet ofthings,iots)、大数据、人工智能时代的来临，分布式传感器、各种可穿戴电子产品、信息传输网络等被广泛应用于人类的生产生活中。目前，不同的电池，尤其是锂电池，由于其成熟的加工工艺，被广泛用来为上述电子设备供电。然而，化学电池存在容量和寿命有限、充电频繁、需要充电源、回收困难等缺点。因此，人们致力于探索和开发其他可再生和清洁能源技术，以提供可持续的电能供给。以环境中的机械能如风能为例，风能具有广泛而丰富的储量，具有成为理想的可重复利用能源的巨大潜力。近年来，为了收集风能等机械能，研究人员设计了许多基于光电效应、磁电效应、压电效应、摩擦电效应等不同物理效应的收集器。其中，摩擦电纳米发电机(teng)技术因其成本低、制造容易、材料种类多、低频环境下效率高等独特优势，越来越受到研究人员的关注。
2、用于风能等能量收集的teng技术，其工作原理是基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，理论基础是麦克斯韦位移电流。在众多研究者的努力下，它已成为一项前景广阔的新技术，广泛应用于微纳能源、自供电传感器、海洋能源、高压应用等领域。然而，它也面临着由于表面接触而产生的低表面电荷密度、介质摩擦产生的灰尘以及薄膜材料之间的软接触等挑战。2018年国际期刊《nano energy》第49卷第1期第625-633页首次报道了电荷泵技术，提高了teng的表面电荷密度，大大提升了其输出性能。电荷泵单元作为电荷源，产生的电荷经整流器调节后泵出并注入主teng，以提高电极的表面电荷密度。此外，2020年国际期刊《advanced energy materials》第10卷第21期第2000605页报道了在相同的机理下，将接触分离模式转化为带电荷泵的旋转滑动式teng，进一步提高了其实际应用中的输出性能。2023年国际期刊《advanced energy materials》第13卷第43期第2301832页还报道了一种结构更紧凑的旋转滑动式teng，采用悬浮式静电感应方式输出电能，无材料摩擦磨损。然而，上述电荷泵均采用平板形式，水平安装空间大，受体积要求的限制，无法设计大尺寸的泵。同时，结构的可扩展性因泵teng和主teng间联动的相互制约存在一定的局限性；另一方面，上述teng中介电材料在接触和摩擦过程中会产生粉尘，这会降低其接触面积，增加了材料的磨损。此外，上述装置中在teng内部多采用软薄膜接触，在高速运行时，会导致旋转薄膜接触不良。因此，采用新的设计方法，融合电荷泵技术，使结构更紧凑，更易于扩展，并处理好粉尘产生和软接触问题是必要的，也是一项挑战。
3、现有技术：
4、1.xu l.,bu t.z.,yang x.d.,et al.ultrahigh charge density realized bycharge pumping at ambient conditions for triboelectric nanogenerators[j].nanoenergy,2018,49:625-633.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.05.011
5、2.bai y.,xu l.,lin s.,et al.charge pumping strategy for rotation andsliding type triboelectric nanogenerators[j].advanced energy materials,2020,10(21):2000605.
6、https://doi.org/10.1002/aenm.202000605
7、3.lu s.,li h.,xie y.,et al.high-performance and durable rotationaltriboelectric nanogenerator leveraging soft-contact coplanar charge pumpingstrategy[j].advanced energy materials,2023,13(43):2301832.
8、https://doi.org/10.1002/aenm.202301832
技术实现思路
1、本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
2、为此，本公开提供的一种风能收集装置，本装置基于摩擦电与静电感应的耦合作用机理，采用电荷泵与非接触式电感应输出方式，融合扫尘和弹性支撑功能，旨在提高装置使用寿命和电输出性能，并将其运用于风能收集。
3、为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
4、本公开提供的一种风能收集装置，包括：
5、风力传动机构，包括叶片连接件、传动端和若干单向开合叶片，各单向开合叶片圆周均布于所述叶片连接件上，所述传动端与所述叶片连接件连接，当环境中的风流过所述单向开合叶片时，风力通过开合叶片作用于闭合叶片产生偏心旋转力偶并带所述动风力传动机构进行旋转运动；
6、摩擦供电机构，包括壳体以及位于其内且共中心轴设置的上摩擦供电单元和下摩擦供电单元，所述上摩擦供电单元和所述下摩擦供电单元由所述传动端同步驱动，将动能转换为电能；
7、所述壳体，包括固定连接的顶板、底板和侧壁，所述传动端穿过所述顶板并与所述顶板可转动地连接，所述底板与所述中心轴底端固定连接；
8、所述上摩擦供电单元，包括由内至外依序设置的独立摩擦层式筒状teng和静电感应组件以及连接于其间的升压整流电路；所述静电感应组件包括非接触且由内至外依序设置的动子感应电极和定子感应电极，所述动子感应电极固定于所述筒状teng的动子上共同构成所述上摩擦供电单元的动子部分与所述传动端连接，所述定子感应电极固定于所述筒状teng的定子上共同构成所述上摩擦供电单元的定子部分与所述壳体的侧壁固定连接，所述筒状teng将所述传动端输出的动能转化为电能，该电能经所述升压整流电路作用后以电荷形式注入所述静电感应组件，以增加其内感应电极表面的电荷密度，并基于动子感应电极和定子感应电极件的静电感应机理对外输出电能；
9、所述下摩擦供电单元，采用独立摩擦层式盘状teng，包括由上至下依序布置的动子和定子，盘式teng的动子与筒状teng的动子固定连接，盘式teng的定子与所述壳体的底板固定连接，所述盘式teng将所述传动端输出的动能转化为电能对外输出。
10、在一些实施例中，所述风力传动机构内设有至少3个所述单向开合叶片，所述单向开合叶片包括与所述叶片连接件固定连接的叶片框以及通过合页与所述叶片框单向开合连接的叶片本体，且所述合页位于所述叶片框上远离所述叶片连接件的一侧；在风力作用下，所述风力传动机构中存在至少1个单向开合叶片受所述挡板的阻挡作用而处于闭合状态，同时存在至少1个单向开合叶片处于开启状态，从而在所述单向开合叶片之间形成所述偏心力偶。
11、在一些实施例中，在所述叶片框与所述叶片本体之间还设置弹簧，通过改变所述弹簧的刚度来改变叶片的开合角度，从而控制所述传动端的转速。
12、在一些实施例中，所述筒状teng包括共中心轴设置的上传动件、上挡板、第一基板、第二基板和下挡板，所述上传动件与所述传动端固定连接，且所述上传动件与所述中心轴的顶端可转动地连接，所述第一基板呈圆筒状，所述上传动件和所述第一基板分别固定于所述上挡板的上下侧，所述第一基板的底端穿过所述下挡板，所述第二基板位于所述第一基板内部且所述第二基板固定套设在所述中心轴上，所述下挡板固定支撑于所述壳体的侧壁上，在所述第一基板的内侧壁上由外至内依次叠设有第一电极和第一摩擦层，在所述第二基板的外侧壁上由内至外依次叠设有缓冲层和第二摩擦层，在所述第一基板转动的过程中所述第一摩擦层与所述第二摩擦层紧密接触。
13、在一些实施例中，所述第一电极为整体呈圆筒状的叉指电极。
14、在一些实施例中，所述第二基板由上下敞口的第二圆筒和一体成型于所述第二圆筒外表面且圆周均布的若干t型结构组成，所述t型结构的竖直段沿所述第二圆筒的径向布置，所述t型结构的水平段呈圆弧状且远离所所第二圆筒的外表面设置，所述缓冲层和所述第二摩擦层贴设于所述t型结构的水平段面向所述第一基板的一侧。
15、在一些实施例中，所述静电感应组件设置于所述筒状teng的外围，包括至少一个感应电极对，相邻的感应电极对之间间隔设置，所述感应电极对由一个所述动子感应电极和一个所述定子感应电极间隔设置组成，所述动子感应电极和所述定子感应电极均采用整体呈圆筒状的叉指电极，分别贴设在第一电极基板和第二电极基板相对设置的两侧壁上，在所述动子感应电极和所述定子感应电极相对设置的表面上还分别贴设有第一介电层和第二介电层，所述第一电极基板的顶端与所述上挡板固定连接，所述第一电极基板的底端为自由端，所述第二电极基板的底端与所述下挡板固定连接，所述第二电极基板的顶端为自由端，在所述第一电极基板随所述上挡板转动的过程中，所述第一介电层和所述第二介电层不接触。
16、在一些实施例中，所述盘状teng包括下转子连接件以及上下间隔设置且均呈圆盘状的第三基板和第四基板，所述第三基板通过所述下转子连接件与所述筒状teng的动子底端固定连接，在面向所述第四基板的第三基板一侧设有圆周均布的若干扇叶，各扇叶的顶端固定于所述第三基板相应一个卡槽内，所述卡槽的轴向沿所述第三基板的径向设置，所述扇叶分为第一扇叶和第二扇叶两类，两类均采用柔性钢片作为扇叶本体，在面向所述第四基板的第一扇叶的柔性钢片表面贴设有第三摩擦层，在面向所述第四基板的第二扇叶的柔性钢片表面贴设有由多孔柔性材料形成的清扫吸附层；所述第四基板和所述壳体的底板与所述中心轴的底端固定，所述第四基板上开设有圆周均布的若干灰缝，各灰缝的轴向均沿所述第四基板的径向布设，在面向所述第三基板的第四基板一侧且避开所述灰缝的区域由下至上依次叠设有第二电极和第四摩擦层，在所述第三基板转动的过程中所述第三摩擦层与所述第四摩擦层紧密接触。
17、在一些实施例中，所述第二电极采用整体呈圆环状的叉指电极，所述多孔柔性材料选用绒布或薄海绵。
18、在一些实施例中，所述风能收集装置还包括一用于支撑所述风力传动机构和所述摩擦供电机构的龙门架。
19、本公开具有如下有益效果：
20、本发明创新性地提出一种风能收集装置，由风能传动机构捕捉风力，实现风能与动能的转换，风能传动机构输出的动能驱动摩擦供电机构，实现动能与电能的转换。其中，风能传动机构中的单向开合叶片，可利用叶片的不对称开合状态，形成偏心力偶以作为装置的旋转动力，减小启动风速，提高风能利用率。摩擦供电机构内设有两种不同的摩擦供电单元，上摩擦供电单元为融合有筒状teng和非接触式环状叉指电极的一体式框架结构，电荷泵式电荷输出以提高表面电荷密度和非接触式静电感应输出电能，下摩擦供电单元采用带有扫尘和弹性支撑的绒布扇叶和钢片结构，在旋转时可以发电的同时清扫产生的磨屑灰尘，减少接触面之间的磨损并保证在高速时转子和定子间的有效接触，以提高下摩擦供电单元的使用寿命和输出表现。该风能收集装置基于摩擦电和非接触式静电感应的双重耦合作用极大提升了其电学表现。该风能收集装置可由龙门架固定并放置于陆地、森林、沙漠等自然环境中，除了反馈风力的单向开合叶片，其发电部分的圆柱外形可实现结构封装，以防止外界粉尘的进入，增加其耐久性和实用性。
1.一种风能收集装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的风能收集装置，其特征在于，所述风力传动机构内设有至少3个所述单向开合叶片，所述单向开合叶片包括与所述叶片连接件固定连接的叶片框以及通过合页与所述叶片框单向开合连接的叶片本体，且所述合页位于所述叶片框上远离所述叶片连接件的一侧；在风力作用下，所述风力传动机构中存在至少1个单向开合叶片受所述挡板的阻挡作用而处于闭合状态，同时存在至少1个单向开合叶片处于开启状态，从而在所述单向开合叶片之间形成所述偏心力偶。
3.根据权利要求2所述的风能收集装置，其特征在于，在所述叶片框与所述叶片本体之间还设置弹簧，通过改变所述弹簧的刚度来改变叶片的开合角度，从而控制所述传动端的转速。
4.根据权利要求1所述的风能收集装置，其特征在于，所述筒状teng包括共中心轴设置的上传动件、上挡板、第一基板、第二基板和下挡板，所述上传动件与所述传动端固定连接，且所述上传动件与所述中心轴的顶端可转动地连接，所述第一基板呈圆筒状，所述上传动件和所述第一基板分别固定于所述上挡板的上下侧，所述第一基板的底端穿过所述下挡板，所述第二基板位于所述第一基板内部且所述第二基板固定套设在所述中心轴上，所述下挡板固定支撑于所述壳体的侧壁上，在所述第一基板的内侧壁上由外至内依次叠设有第一电极和第一摩擦层，在所述第二基板的外侧壁上由内至外依次叠设有缓冲层和第二摩擦层，在所述第一基板转动的过程中所述第一摩擦层与所述第二摩擦层紧密接触。
5.根据权利要求4所述的风能收集装置，其特征在于，所述第一电极为整体呈圆筒状的叉指电极。
6.根据权利要求4所述的风能收集装置，其特征在于，所述第二基板由上下敞口的第二圆筒和一体成型于所述第二圆筒外表面且圆周均布的若干t型结构组成，所述t型结构的竖直段沿所述第二圆筒的径向布置，所述t型结构的水平段呈圆弧状且远离所所第二圆筒的外表面设置，所述缓冲层和所述第二摩擦层贴设于所述t型结构的水平段面向所述第一基板的一侧。
7.根据权利要求4所述的风能收集装置，其特征在于，所述静电感应组件设置于所述筒状teng的外围，包括至少一个感应电极对，相邻的感应电极对之间间隔设置，所述感应电极对由一个所述动子感应电极和一个所述定子感应电极间隔设置组成，所述动子感应电极和所述定子感应电极均采用整体呈圆筒状的叉指电极，分别贴设在第一电极基板和第二电极基板相对设置的两侧壁上，在所述动子感应电极和所述定子感应电极相对设置的表面上还分别贴设有第一介电层和第二介电层，所述第一电极基板的顶端与所述上挡板固定连接，所述第一电极基板的底端为自由端，所述第二电极基板的底端与所述下挡板固定连接，所述第二电极基板的顶端为自由端，在所述第一电极基板随所述上挡板转动的过程中，所述第一介电层和所述第二介电层不接触。
8.根据权利要求1所述的风能收集装置，其特征在于，所述盘状teng包括下转子连接件以及上下间隔设置且均呈圆盘状的第三基板和第四基板，所述第三基板通过所述下转子连接件与所述筒状teng的动子底端固定连接，在面向所述第四基板的第三基板一侧设有圆周均布的若干扇叶，各扇叶的顶端固定于所述第三基板相应一个卡槽内，所述卡槽的轴向沿所述第三基板的径向设置，所述扇叶分为第一扇叶和第二扇叶两类，两类均采用柔性钢片作为扇叶本体，在面向所述第四基板的第一扇叶的柔性钢片表面贴设有第三摩擦层，在面向所述第四基板的第二扇叶的柔性钢片表面贴设有由多孔柔性材料形成的清扫吸附层；所述第四基板和所述壳体的底板与所述中心轴的底端固定，所述第四基板上开设有圆周均布的若干灰缝，各灰缝的轴向均沿所述第四基板的径向布设，在面向所述第三基板的第四基板一侧且避开所述灰缝的区域由下至上依次叠设有第二电极和第四摩擦层，在所述第三基板转动的过程中所述第三摩擦层与所述第四摩擦层紧密接触。
9.根据权利要求8所述的风能收集装置，其特征在于，所述第二电极采用整体呈圆环状的叉指电极，所述多孔柔性材料选用绒布或薄海绵。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的风能收集装置，其特征在于，所述风能收集装置还包括一用于支撑所述风力传动机构和所述摩擦供电机构的龙门架。
