一種基于駐極體靜電式風致mems發(fā)電機及其發(fā)電方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及超小型微弱風MEMS發(fā)電機，具體涉及一種基于駐極體靜電式風致MEMS發(fā)電機及其發(fā)電方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著微機電系統(tǒng)MEMS技術和“物聯(lián)網(wǎng)”概念迅速發(fā)展，區(qū)域內(nèi)物聯(lián)的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)得以極大的推進。微能源自供電技術，如化學微能源和物理微能源，自身可提供10 μ W-1mW的電能，因此它們被視為目前非常有效地解決無線傳感器供能的關鍵技術。
[0003]自然界的風能是一種清潔能源并且時刻存在于生活中，風速可在0.lm/s?20m/s范圍變化。隨著無線傳感網(wǎng)絡、戶外監(jiān)測等微系統(tǒng)(耗能10 μ W?1W)的快速發(fā)展和其對無線微弱自供電技術的迫切需求，微小體積的微型MEMS風力發(fā)電機(直徑<10cm)展現(xiàn)出極強的應用前景。目前的風致MEMS發(fā)電機主要有壓電式和渦輪電磁式。壓電式風致MEMS發(fā)電機將風能轉換為微結構的振動能，利用壓電效應將微結構振動能轉換為電能，，但其在機械振動過程中伴隨大量能量損耗，造成發(fā)電功率密度低，此外其體積較大，質(zhì)量較重。渦輪式電磁式風致MEMS發(fā)電機在風的作用下，轉子圍繞定子發(fā)生相對運動，切割磁感線從而產(chǎn)生電能，但需要極高的風壓推動轉子旋轉，因而在微弱風(小于5m/s)、低轉速(小于10rpm)下發(fā)電功率密度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對以上現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于駐極體靜電式風致MEMS發(fā)電機及其發(fā)電方法，啟動風速可低至0.5m/s，I?5m/s風速下的發(fā)電功率在0.05?5mW/cm3范圍內(nèi)，在目前微風力MEMS發(fā)電技術中展現(xiàn)了超低風速啟動和高發(fā)電密度的特性。
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于駐極體靜電式風致MEMS發(fā)電機。
[0006]本發(fā)明的基于駐極體靜電式風致MEMS發(fā)電機包括:發(fā)電機外殼、定子組件、葉片轉子組件、中心軸和電源管理電路；其中，定子組件、葉片轉子組件、中心軸和電源管理電路安裝在筒狀的發(fā)電機外殼內(nèi)；定子組件固定在發(fā)電機外殼的底部，中心設置中心軸；葉片轉子組件的中心通過軸承和軸套安裝在中心軸上，并繞中心軸轉動；定子組件包括定子基板、定子金屬電極和駐極體，定子基板具有成福射狀的2N個扇形的柵格，在定子基板上與葉片轉子組件相對的表面設置有與其同形的2N個扇形的定子金屬電極，N個間隔的定子金屬電極上設置有駐極體，分別形成扇形叉指電極和扇形叉指駐極體；葉片轉子組件包括轉子基板、葉片和轉子金屬電極，葉片剛性固連在轉子基板上與定子組件背對的表面上，轉子基板具有成輻射狀的N個扇形的柵格，在轉子基板上與定子組件相對的表面設置有與其同形的N個扇形的轉子金屬電極；N個轉子金屬電極由導線電學連接，通過轉子基板中心的中心軸連接至電源管理電路的一個輸入端；N個未設置駐極體的定子金屬電極由導線電學連接至電源管理電路的另一個輸入端；發(fā)電機外殼上設置有外部接口，導線通過外部接口將電源管理電路的輸出端口連接至外電路。
[0007]每一個扇形的轉子金屬電極的圓心角為a，每一個定子金屬電極的圓心角為b，裸露(未設置駐極體)的定子金屬電極與相鄰的未裸露(設置駐極體)的定子金屬電極之間的夾角，即間隙角為C，滿足c > 0，c < a < 2b。轉子金屬電極和定子金屬電極的厚度在0.1?0.5 μ??之間；駐極體的厚度在I?200 μπι之間；轉子金屬電極與駐極體之間的距離在5?500 μ m之間。
[0008]駐極體包括駐極體基體以及其表面上的極化電荷。設置在葉片轉子組件上的轉子金屬電極與相對應設置在定子基板上的定子金屬電極構成電容，轉子金屬電極在駐極體的感應下產(chǎn)生感應電荷。當有風吹動葉片旋轉時，葉片轉動帶動轉子金屬電極轉動，定子金屬電極處于靜止，轉子金屬電極與定子金屬電極間正對面積發(fā)生周期性變化，造成電容值周期性的改變，定子金屬電極與轉子金屬電極中的感應電荷因此發(fā)生周期性變化，進而在線路中產(chǎn)生感應的交變電流。在通過電源管理電路中的橋式整流電路時，感應的交變電流轉化為直流，繼而在匹配電阻形成直流電壓并存儲在電能存儲單元上，在需要供能時通過外部接口向外部傳感器供電。
[0009]駐極體的材料采用派瑞林Parylene、特氟龍Teflon和二氧化娃等駐極體材料中的一種。
[0010]發(fā)電機外殼的材料采用塑料，厚度在Imm?3cm之間，以保證輕質(zhì)特征。
[0011]定子基板和轉子基板的材料采用二氧化娃材質(zhì)，厚度在0.3mm?0.5cm之間，以保證輕質(zhì)特征。
[0012]駐極體和金屬電極圖案可通過微加工和MEMS工藝制成。
[0013]軸承、軸套和中心軸采用不銹鋼或者輕質(zhì)鋁材。
[0014]電源管理電路包括橋式整流電路、匹配電阻、電能存儲單元、變電器和輸出端口 ；其中，定子金屬電極與轉子金屬電極通過導線電學連接在橋式整流電路的兩端；橋式整流電路與后端的匹配電阻、電能存儲單元和變電器在電學上并聯(lián)；輸出端口包括電源線和地線，分別連接至發(fā)電機外殼上的外部接口。
[0015]進一步，本發(fā)明還包括制動機構，制動機構采用圓環(huán)形的彈性墊圈，固定在發(fā)電機外殼內(nèi)，并且位于定子組件和葉片轉子組件之間，與葉片轉子組件之間有空隙。當風速超過閾值(例如12m/s)時，葉片連同轉子基板發(fā)生形變，葉片轉子組件與彈性墊圈之間的間隙減小直至轉子金屬電極與彈性墊圈接觸，實現(xiàn)制動，以保護葉片免于受到超高風壓的破壞；當風速減弱到閾值以內(nèi)，轉子基板與彈性墊圈分離，葉片轉子組件可以再正常工作。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于駐極體靜電式風致發(fā)電機的發(fā)電方法。
[0016]本發(fā)明還包括尾翼，安裝在發(fā)電機的尾部，用于感知風向，調(diào)節(jié)發(fā)電機的機身位置。
[0017]本發(fā)明的基于駐極體靜電式風致MEMS發(fā)電機的發(fā)電方法，包括以下步驟:
[0018]I)設置在葉片轉子組件上的轉子金屬電極與相對應設置在定子基板上的定子金屬電極構成電容，并在駐極體上面的極化電荷的感應下形成感應電荷；
[0019]2)當有風吹動葉片旋轉時，葉片轉動帶動轉子金屬電極轉動，定子金屬電極靜止，轉子金屬電極與定子金屬電極間正對面積發(fā)生周期性變化，造成電容值周期性的改變；
[0020]3)定子金屬電極與轉子金屬電極中的感應電荷因電容值周期性的改變而發(fā)生周期性變化，進而在線路中產(chǎn)生感應的交變電流；
[0021]4)在通過電源管理電路中的橋式整流電路時，感應的交變電流轉化為直流，繼而在匹配電阻形成直流電壓并存儲在電能存儲單元上，在需要供能時通過外部接口向外部傳感器供電。
[0022]進一步，在發(fā)電機外殼內(nèi)并且位于定子組件和葉片轉子組件之間，固定制動機構，制動機構采用圓環(huán)形的彈性墊圈，與葉片轉子組件之間有空隙，當風速超過閾值時，葉片連同轉子基板發(fā)生形變，葉片轉子組件與彈性墊圈之間的間隙減小直至轉子金屬電極與彈性墊圈接觸，實現(xiàn)制動。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0024]本發(fā)明采用在葉片轉子組件和定子組件相對的表面設置扇形的金屬電極，并且在定子組件相間隔的金屬電極上設置駐極體，從而形成電容并產(chǎn)生感應電荷；葉片轉動時，轉子金屬電極與定子金屬電極間正對面積發(fā)生周期性變化，造成電容值周期性的改變，金屬電極間的感應電荷因此發(fā)生周期性變化，向電源管理電路輸出交