CN105991061A - 一种收集流体流动能量的复合型发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电机技术领域，公开了一种收集流体流动能量的复合型发电机，设置于流体空间(5)中，所述发电机包括：第一摩擦发电单元(1)，设置于流体空间的上侧和/或下侧的内壁(51)上；第二摩擦发电单元(2)，对应第一摩擦发电单元设置，用于在流体流过时能够弹性振动，在振动过程中，与第一摩擦发电单元接触或分离，且在接触和分离的过程中，第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元之间产生摩擦电势差；以及磁电发电单元，包括磁铁(41)及线圈(42)，用于在第二摩擦发电单元振动过程中，所述磁铁及线圈发生相对运动，从而在线圈内感应出电势差。本发明发电机通过将摩擦发电单元和磁电发电单元结合设置，可提高能量的转换效率及输出功率。

Description

一种收集流体流动能量的复合型发电机

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，具体地，涉及一种收集流体能量的复合型发电机。

背景技术

随着传统化石燃料日益消耗殆尽，能源问题业已成为限制人类社会发展的桎梏。国内外研究人员纷纷把目光投向可再生新型能源，其中，为解决微纳器件及系统供能而提出的纳米发电机日益成为引领微纳米能源发展的主导。

基于压电效应、热电效应、摩擦效应、磁电效应的纳米发电机已有较多报道。中国专利“基于摩擦发电机的风力发电装置及系统”(CN 203445807U),中国专利“一种风力摩擦纳米发电机”(CN 103780128A)，中国专利“基于高频摩擦发电机的风力发电装置”(CN 203537267U)等提出了基于摩擦效应发电装置。

然而目前的风力摩擦发电机还存在如下问题：

(1)能量的转换效率较低，总体输出功率小；(2)发电机的结构复杂，限制了适用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种收集流体流动能量的复合型发电机，可提高能量的转换效率。

为了实现上述目的，本发明提供一种收集流体流动能量的复合型发电机，设置于流体空间中，所述发电机包括：第一摩擦发电单元，设置于所述流体空间的上侧和/或下侧的内壁上；第二摩擦发电单元，对应所述第一摩擦发电单元设置，用于在流体流过时能够弹性振动，在振动过程中，与所述第一摩擦发电单元接触或分离，且在接触和分离的过程中，所述第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元之间产生摩擦电势差；以及磁电发电单元，包括磁铁及线圈，用于在所述第二摩擦发电单元振动过程中，所述磁铁及线圈发生相对运动，从而在所述线圈内感应出电势差。

优选地，所述发电机还包括：固定单元，用于将所述第二摩擦发电单元的一端固定在流体空间中，使所述第二摩擦发电单元的另一端悬空设置。

优选地，所述第二摩擦发电单元的固定端到所述流体空间上侧和下侧的内壁的距离相同。

优选地，所述磁铁设置于所述第二摩擦发电单元的上表面和/或下表面，用于跟随所述第二摩擦发电单元振动，并在振动过程中产生交变磁场；线圈对应所述磁铁设置，用于在振动过程中相对切割交变磁场中的磁感线，使所述线圈内感应出电势差。

优选地，所述磁铁的质量为0.28g-2.98g，长为10mm-20mm，宽为5mm-15mm，厚度为0.77mm-3mm。

优选地，所述线圈的匝数为2000-5000匝。

优选地，所述线圈环绕在所述流体空间的外壁上。

优选地，所述磁铁固定在所述第二摩擦发电单元上，并且与第二摩擦发电单元固定端的距离为第二摩擦发电单元长度的1/3。

优选地，所述第一摩擦发电单元包括：摩擦层，用于在与所述第二摩擦发电单元接触或分离时，产生摩擦电荷；以及导电层，设置于所述摩擦层与流体空间的内壁之间，用于传导所述摩擦层上的摩擦电荷。

优选地，所述第二摩擦发电单元包括：摩擦导电层，用于在与所述摩擦层接触或分离时，产生摩擦电荷，并与所述第一导电之间形成摩擦电势差。

优选地，所述导电层和/或摩擦导电层的厚度大于20nm，小于1mm。

优选地，所述摩擦导电层与所述摩擦层的材料之间具有摩擦电极序差异。

优选地，所述摩擦导电层和/或所述摩擦层的接触面具有微纳米结构层。

优选地，所述第二摩擦发电单元还包括：支撑层，所述摩擦导电层设置于所述支撑层的表面，用于在弹性振动时带动所述摩擦导电层振动。

优选地，所述摩擦层和/或支撑层的厚度大于20μm，小于0.5mm。

优选地，所述支撑层的材料为绝缘材料。

优选地，所述支撑层的材料为弹性材料，所述弹性材料的弹性模量为1GPa至5GPa。

优选地，所述流体空间为管道，所述管道为正方体管道或长方体管道。

本发明收集振动能量的复合型发电机通过将摩擦发电单元和磁电发电单元结合设置，结构简单，同时可提高能量的转换效率及输出功率。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明收集流体流动能量的复合型发电机的结构示意图；

图2a是第一摩擦发电机输出的短路电流波形图；

图2b是第二摩擦发电机输出的短路电流波形图；

图3a是第一磁电发电机输出的开路电压波形图；

图3b是第一磁电发电机输出的短路电流波形图；

图4a是第二磁电发电机输出的开路电压波形图；

图4b是第二磁电发电机输出的短路电流波形图。

附图标记说明

1 第一摩擦发电单元 11 摩擦层

12 导电层 2 第二摩擦发电单元

21 摩擦导电层 22 支撑层

3 固定单元 41 磁铁

42 线圈 5 流体空间

51 内壁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。本发明中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明收集流体流动能量的复合型发电机设置于流体空间5中，其中，所述发电机包括：第一摩擦发电单元1，设置于所述流体空间5的上侧和/或下侧的内壁51上；第二摩擦发电单元2，对应所述第一摩擦发电单元1设置，用于在流体流过时能够弹性振动，在振动过程中，与所述第一摩擦发电单元1接触或分离，且在接触和分离的过程中，所述第一摩擦发电单元1与第二摩擦发电单元2之间产生摩擦电势差；以及磁电发电单元，包括磁铁41及线圈42，用于在所述第二摩擦发电单元2振动过程中，所述磁铁41及线圈42发生相对运动，从而在所述线圈42内感应出电势差。

本发明收集振动能量的复合型发电机通过将摩擦发电单元和磁电发电单元结合设置，结构简单，同时可提高能量的转换效率及输出功率。

其中，本发明所述流体空间5可为管道，进一步地，所述管道可为正方形管道或长方形管道。所述流体可为压缩空气、二氧化碳、煤气、氢气、氮气或氩气等。所述流体通过本发明收集流体流动能量的复合型发电机的速度一般为5m/s-25m/s。

如图1所示，本发明收集流体流动能量的复合型发电机还包括固定单元3，用于将所述第二摩擦发电单元2的一端固定在流体空间5中，使所述第二摩擦发电单元2的另一端悬空设置。

其中，所述固定单元3可为具有一厚度的方形片状物，起到支撑并固定第二摩擦发电单元2的一端的作用。优选地，所述第二摩擦发电单元2固定在管道入口处的中间位置处，即所述第二摩擦发电单元2固定端到所述流体空间5上侧和下侧的内壁51的距离相同。

其中，所述磁铁41设置于所述第二摩擦发电单元2的上表面和/或下表面，用于跟随所述第二摩擦发电单元2振动，并在振动过程中产生交变磁场；所述线圈42对应所述磁铁41设置，用于在振动过程中相对切割交变磁场中的磁感线，使所述线圈42内感应出电势差。

当流体以一定速度通过所述流体空间5时，所述第二摩擦发电单元2发生弹性振动，所述第二摩擦发电单元2和第一摩擦发电单元1形成接触—分离循环，产生摩擦电势差，可通过向外电路输出电信号；与此同时，磁铁41随着第二摩擦发电单元2上下振动，导致通过线圈42的磁通量发生周期性变化，从而向外电路输出电信号。

其中，所述磁铁41的质量为0.28g-2.98g，长为10mm-20mm，宽为5mm-15mm，厚度为0.77mm-3mm，可在不影响第二摩擦发电单元2的振动的情况下，提高本发明收集振动能量的复合型发电机的输出性能。所述线圈42的匝数在体积与器件相匹配的前提下要尽量多，在本实施例中，所述线圈42的匝数为2000-5000匝，优选为2600匝。此外，所述线圈42环绕设置在所述流体空间5的外壁上，但并不以此为限。所述磁铁41也固定在所述第二摩擦发电单元2上，并且与第二摩擦发电单元2固定端的距离为第二摩擦发电单元2长度的1/3，以便使摩擦发电机和磁电发电机均能保持较高的输出。

在本实施例中，在所述第二摩擦发电单元2的上表面和下表面均设置有磁铁41，从而形成两个磁电发电机：所述第二摩擦发电单元2上表面设置的磁铁41和线圈42形成的磁电发电组件为第一磁电发电机(如图3a所示为第一磁电发电机的输出的开路电压，如图3b所示为第一磁电发电机的输出的短路电流)，所述第二摩擦发电单元2下表面设置的磁铁41和线圈42形成的磁电发电组件为第二磁电发电机(如图4a所示为第二磁电发电机的输出的开路电压，如图4b所示为第二磁电发电机的输出的短路电流)。本发明中的磁电发电机利用第二摩擦发电单元2的振动带着磁铁41协同振动，引起通过线圈42的磁通量的周期性变化，从而对外输出电信号。

如图1所示，所述第一摩擦发电单元1包括：摩擦层11，用于在与所述第二摩擦发电单元2接触或分离时，产生摩擦电荷；以及导电层12，设置于所述摩擦层11与流体空间5的内壁51之间，用于传导所述摩擦层11上的摩擦电荷。

其中，所述摩擦层11可为有机高分子薄膜材料，优选地，所述有机高分子薄膜材料选自下列材料中的一种或者几种：聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸二乙醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、对二甲苯环二体、乙烯—醋酸乙烯酯共聚物、全氟(乙烯—丙烯)共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物、氯乙烯—醋酸乙烯共聚物。

所述第二摩擦发电单元2包括：摩擦导电层21，用于在与所述摩擦层11接触或分离时，产生摩擦电荷，并与所述导电层12之间形成摩擦电势差。

所述第二摩擦发电单元2还包括：支撑层22，所述摩擦导电层21设置于所述支撑层22的表面，用于在弹性振动时带动所述摩擦导电层21振动。

其中，所述导电层12和/或摩擦导电层21的厚度大于20nm，小于1mm。所述摩擦层11和/或支撑层22的厚度大于20μm，小于0.5mm。所述摩擦导电层21与所述摩擦层11的材料之间具有摩擦电极序差异，从而使得在所述摩擦导电层21与所述摩擦层11接触和分离的过程中，产生等量异号电荷。所述摩擦导电层21和/或所述摩擦层11的接触面具有微纳米结构层，可增加接触面积，从而增强输出信号的强度。

所述支撑层22的材料为绝缘层，可避免所述支撑层22上、下表面的摩擦导电层21之间的相互干扰。此外，所述支撑层22的材料为弹性材料，所述弹性材料的弹性模量为1GPa至5GPa。其中，支撑层22可为有机高分子薄膜材料，优选地，所述有机高分子薄膜材料选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸二乙醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、对二甲苯环二体、乙烯—醋酸乙烯酯共聚物、全氟(乙烯—丙烯)共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物、氯乙烯—醋酸乙烯共聚物。所述导电层12和/或摩擦导电层21可选自金属，优选地，所述金属可为金、银、铂、铝、铜和镍等。可通过磁控溅射、电子束蒸发和印刷打印技术在摩擦层11上制作导电层12和/或在支撑层22上制作摩擦导电层21。

在本实施例中，在长方体管道中设置有两个第一摩擦发电单元1，两个所述第一摩擦发电单元1分别设置在管道的上侧内壁和下侧内壁上，从而形成两个摩擦发电机：所述支撑层22的上表面设置的摩擦导电层21和管道上侧内壁上设置的第一摩擦发电单元1组成的摩擦发电单元为第一摩擦发电机(如图2a所示为在所述收集振动能量的摩擦发电机的长度为67mm、宽度为42mm、高度为15mm，流体速度为18m/s时，第一摩擦发电机输出的短路电流)；所述支撑层22的下表面设置的摩擦导电层21和管道下侧内壁上设置的第一摩擦发电单元1组成的摩擦发电单元为第二摩擦发电机(如图2b所示为第二摩擦发电机输出的短路电流)。根据图2a和图2b可知，本发明收集振动能量的摩擦发电机中摩擦发电部件的输出信号较强。

下面以具体实施例详细介绍本发明收集振动能量的摩擦发电机的制备以及工作过程。

切割亚克力板，包括两块67mm×42mm×3mm(其中在纵向1/3处有一个直径为25mm的圆孔)，四块67mm×42mm×0.5mm和两块67mm×15mm×2mm，用于制作一四方管。第一摩擦发电单元中的摩擦层采用聚二甲基硅氧烷，厚度为300μm，在聚二甲苯硅氧烷的一个表面磁控溅射铜，为导电层，厚度为150nm。第二摩擦发电单元中的支撑层采用50μm的聚酰亚胺薄膜，在支撑层的上下两面均采用磁控溅射的方式制备摩擦导电层，摩擦导电层也为铜，厚度为200nm。具有一定厚度的方形片状物的固定单元为切割的尺寸为42mm×5mm×2mm的亚克力块，粘贴在方管入口中间，起到固定第二摩擦发电单元的其中一端的作用。采用的流体为压缩空气，当压缩空气以18m/s的速率通过方管入口时，第二摩擦发电单元在管内发生弹性振动，第二摩擦发电单元和四方管上下表面的第一摩擦发电单元发生接触分离，进而对外输出电信号。将线圈固定在67mm×42mm×3mm带孔的亚克力板里，并用尺寸为67mm×42mm×0.5mm亚克力板封起来，将磁铁固定在第二摩擦发电单元与线圈对应的位置，当压缩空气以18m/s的速率通过方管入口时，第二摩擦发电单元上下振动将会带动磁铁协同振动，导致通过线圈磁通量周期性变化，从而对外电路输出电信号。

本发明收集振动能量的复合型发电机的优点如下：

1、所述发电机使得管道中流体运动产生的部分机械能有效转变为电能，节省了传统风力发电中的一些复杂部件，比如：齿轮变速箱、调速机等，结构简单、体积小且具有可变性，制作方便，成本较低。

2、相比现有的风力摩擦发电机，本发明发电机在结构上充分利用了第二摩擦发电单元的弹性形变，在管道中上下侧内壁均布置了第一摩擦发电单元，可得到两部分输出信号；与此同时，支撑层上下振动将会带动磁铁协同振动，导致通过线圈磁通量周期性变化，从而通过外电路输出电信号。本发明收集振动能量的复合型发电机，可将输出的电信号并联连接，提高输出信号的性能，不仅能驱动商用LED，在某些场合提供照明，还能够给一些微型电子器件提供电源。

3、本发明发电机除了在摩擦层和支撑层上制备导电层和摩擦导电层之外，整个装置不需要进行纳米结构的加工与制作，节省了生产成本。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (18)

1.一种收集流体流动能量的复合型发电机，设置于流体空间(5)中，其特征在于，所述发电机包括：

第一摩擦发电单元(1)，设置于所述流体空间(5)的上侧和/或下侧的内壁(51)上；

第二摩擦发电单元(2)，对应所述第一摩擦发电单元(1)设置，用于在流体流过时能够弹性振动，在振动过程中，与所述第一摩擦发电单元(1)接触或分离，且在接触和分离的过程中，所述第一摩擦发电单元(1)与第二摩擦发电单元(2)之间产生摩擦电势差；以及

磁电发电单元，包括磁铁(41)及线圈(42)，用于在所述第二摩擦发电单元(2)振动过程中，所述磁铁(41)及线圈(42)发生相对运动，从而在所述线圈(42)内感应出电势差。

2.根据权利要求1所述的复合型发电机，其特征在于，所述发电机还包括：

固定单元(3)，用于将所述第二摩擦发电单元(2)的一端固定在流体空间(5)中，使所述第二摩擦发电单元(2)的另一端悬空设置。

3.根据权利要求1或2所述的复合型发电机，其特征在于，所述第二摩擦发电单元(2)的固定端到所述流体空间(5)上侧和下侧的内壁(51)的距离相同。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的复合型发电机，其特征在于，

所述磁铁(41)设置于所述第二摩擦发电单元(2)的上表面和/或下表面，用于跟随所述第二摩擦发电单元(2)振动，并在振动过程中产生交变磁场；

所述线圈(42)对应所述磁铁(41)设置，用于在振动过程中相对切割交变磁场中的磁感线，使所述线圈(42)内感应出电势差。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的复合型发电机，其特征在于，所述磁铁(41)的质量为0.28g-2.98g，长为10mm-20mm，宽为5mm-15mm，厚度为0.77mm-3mm。

6.根据权利要求4或5所述的复合型发电机，其特征在于，所述线圈(42)的匝数为2000-5000匝。

7.根据权利要求4-6中任一项所述的复合型发电机，其特征在于，所述线圈(42)环绕在所述流体空间(5)的外壁上。

8.根据权利要求7所述的复合型发电机，其特征在于，所述磁铁(41)固定在所述第二摩擦发电单元(2)上，并且与第二摩擦发电单元(2)固定端的距离为第二摩擦发电单元(2)长度的1/3。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的复合型发电机，其特征在于，所述第一摩擦发电单元(1)包括：

摩擦层(11)，用于在与所述第二摩擦发电单元(2)接触或分离时，产生摩擦电荷；以及

导电层(12)，设置于所述摩擦层(11)与流体空间(5)的内壁(51)之间，用于传导所述摩擦层(11)上的摩擦电荷。

10.根据权利要求9所述的复合型发电机，其特征在于，所述第二摩擦发电单元(2)包括：

摩擦导电层(21)，用于在与所述摩擦层(11)接触或分离时，产生摩擦电荷，并与所述导电层(12)之间形成摩擦电势差。

11.根据权利要求10所述的复合型发电机，其特征在于，所述导电层(12)和/或摩擦导电层(21)的厚度大于20nm，小于1mm。

12.根据权利要求10或11所述的复合型发电机，其特征在于，所述摩擦导电层(21)与所述摩擦层(11)的材料之间具有摩擦电极序差异。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的复合型发电机，其特征在于，所述摩擦导电层(21)和/或所述摩擦层(11)的接触面具有微纳米结构层。

14.根据权利要求10-13中任一项所述的复合型发电机，其特征在于，所述第二摩擦发电单元(2)还包括：

支撑层(22)，所述摩擦导电层(21)设置于所述支撑层(22)的表面，用于在弹性振动时带动所述摩擦导电层(21)振动。

15.根据权利要求14所述的复合型发电机，其特征在于，所述摩擦层(11)和/或支撑层(22)的厚度大于20μm，小于0.5mm。

16.根据权利要求14或15所述的复合型发电机，其特征在于，所述支撑层(22)的材料为绝缘材料。

17.根据权利要求14-16中任一项所述的复合型发电机，其特征在于，所述支撑层(22)的材料为弹性材料，所述弹性材料的弹性模量为1GPa至5GPa。

18.根据权利要求1-17中任一项所述的复合型发电机，其特征在于，所述流体空间为管道，所述管道为正方体管道或长方体管道。