CN106655878B

CN106655878B - 一种发电机

Info

Publication number: CN106655878B
Application number: CN201611132172.XA
Authority: CN
Inventors: 王中林; 吴昌盛
Original assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Current assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: CN106655878A

Abstract

本发明涉及发电机技术领域，公开了一种发电机。发电机包括固定架、运动组件以及第一电极，其中，所述固定架包括第一挡块、第二挡块以及位于第一挡块与第二挡块之间的振动方向限制部件；所述运动组件在第一挡块与第二挡块之间往复振动，包括第一质量块、第二质量块、连接第一质量块与第二质量块的第一弹性部件、以及位于第二质量块与第二挡块之间的第二弹性部件，所述第二质量块的质量大于第一质量块的质量；所述第一电极设置于第一挡块或者第一质量块的表面，用于当运动组件在外部刺激下撞击第一挡块时，导出摩擦产生的感应电流。采用本发明实施例的发电机进行发电时，能量转换效率较高，电能输出功率也较高。

Description

一种发电机

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种发电机。

背景技术

随着燃料短缺和能源危机的日益增加，从人们生活的自然环境中寻找新的能量来源吸引了业内的广泛关注。水波能、风能以及太阳能等作为清洁的可再生能源，具有极大的应用前景，其中，海洋中的水波能相比其它清洁能源表现出了更多的优势，如不依赖于季节、昼夜、天气以及温度等条件的限制。目前，将水波能转换为电能主要依靠传统的电磁感应发电机，传统的电磁感应发电机具有体积庞大、成本较高、易被腐蚀以及在海洋波频率下工作效率低等缺点，基于此，摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerators，简称TENG)应运而生。

摩擦纳米发电机是一种新型的收集机械能的能源装置，它具有高输出功率、高效率、低制造成本和无污染的特点。其工作原理为：利用摩擦电效应和静电感应的原理，在外界机械振动的作用下，使材料发生摩擦并在材料表面产生电荷，将产生的电荷中的正负电荷分离，以产生较高的电势，利用产生的电势驱动材料中的电子发生定向移动，以在外电路中产生电流，从而将从环境中收集的微弱机械能转化为电能并加以利用。

然而，现有的摩擦纳米发电机的工作频率与外界的机械振动频率相同，因而当外界的机械振动频率较低(如海洋波浪运动)时，摩擦纳米发电机在一定时间内收集的机械能和转换的电能都十分有限，这就导致摩擦纳米发电机在收集低频振动能源时的能量转化效率较低，电能的输出功率也较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种发电机，以提高其在收集低频振动能源时的能量转化效率，进而提高电能的输出功率。

本发明实施例提供一种发电机，包括固定架、运动组件以及第一电极，其中：所述固定架包括第一挡块、第二挡块以及位于第一挡块与第二挡块之间的振动方向限制部件；所述运动组件包括第一质量块、第二质量块、连接第一质量块与第二质量块的第一弹性部件、以及设置在第二质量块与第二挡块之间的第二弹性部件，所述第二质量块的质量大于第一质量块的质量，所述第一质量块和第二质量块限制在所述第一挡块与第二挡块之间往复运动；所述第一电极设置于第一挡块或者第一质量块的表面，用于当运动组件在外部刺激下撞击第一挡块时，导出摩擦产生的感应电流。

采用本发明实施例的发电机，在外界机械刺激下，运动组件会发生运动，假设初始运动为运动组件以速度V₀朝向第二挡块运动，在这种情况下，由于第二质量块的质量大于第一质量块的质量，因而第二质量块会先到达第二挡块并获得朝向第一挡块方向的速度V₂，随后第二质量块会与仍旧朝向第二挡块方向运动的第一质量块碰撞，根据动量守恒定律和能量守恒定律，第一质量块会获得朝向第一挡块方向的速度V₁，并且V₁比V₀大很多，这就意味着第一质量块可以以更大的速度撞击第一挡块，相比现有技术而言，第一质量块撞击第一挡块的频率更大，因而采用本发明实施例提供的发电机进行发电时，能量转换效率较高，电能输出功率也较高。

优选的，所述振动方向限制部件为位于所述第一挡块与第二挡块之间的固定轴，所述运动组件套设于所述固定轴的外部；或者所述振动方向限制部件为直筒状结构，运动组件设置在第一挡块、第二挡块与筒状结构的振动方向限制部件围成的空间内往复振动。

优选的，所述发电机还包括第一摩擦层，当所述第一电极设置于第一挡块的表面时，所述第一摩擦层设置于第一质量块的表面；当所述第一电极设置于第一质量块的表面时，所述第一摩擦层设置于第一挡块的表面。

优选的，所述第一质量块与所述第二质量块的质量关系为：

m₂＝(5～15)m₁

其中，m₁为第一质量块的质量，m₂为第二质量块的质量。

更优的，所述第一质量块与所述第二质量块的质量关系为：m₂＝10m₁。

优选的，当运动组件在外部刺激下运动时，第一弹性部件与第二弹性部件的振动频率相同。

具体的，所述第一电极电连接至地或等电位。

优选的，所述发电机还包括罩设于所述固定架和运动组件外侧的套筒，所述套筒的外周面交错设置有第二电极和第三电极，所述第二电极和第三电极用于在所述运动组件与所述套筒发生摩擦时，导出摩擦产生的感应电流。

优选的，所述第二电极和所述第三电极呈叉指形设置。

优选的，所述第一质量块的周侧和/或所述第二质量块的周侧设置有第二摩擦层，所述第二摩擦层呈叉指形设置。

具体的，所述第一弹性部件和所述第二弹性部件均为弹簧。

附图说明

图1为本发明一实施例发电机的结构示意图；

图2为本发明实施例发电机在受到外界刺激时运动组件的运动速度示意图；

图3为本发明实施例发电机的工作原理示意图；

图4为本发明另一实施例发电机的结构示意图；

图5为本发明实施例一所示的发电机在不同的振动频率下，短路电流随时间的变化曲线图；

图6为本发明对比例一所示的发电机在不同的振动频率下，短路电流随时间的变化曲线图；

图7为本发明实施例一所示的发电机在不同的振动频率下连接不同负载时的平均功率曲线图；

图8为本发明对比例一所示的发电机在不同的振动频率下连接不同负载时的平均功率曲线图；

图9为实施例一和对比例一所示的发电机在不同的振动频率下的最大输出功率曲线图；

图10为实施例一和对比例一所示的发电机在不同的振动频率下给同一电容器(0.33mF)充电30s后，电容器的电压增量曲线图。

附图标记说明：

100-固定架

101-第一挡块

102-第二挡块

103-固定轴

200-运动组件

10-第一质量块

20-第二质量块

30-第一弹性部件

40-第二弹性部件

50-第一电极

60-第一摩擦层

70-套筒

80-第二电极

90-第三电极

具体实施方式

为了提高发电机在收集低频振动能源时的能量转化效率，进而提高电能的输出功率，本发明实施例提供了一种发电机。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种发电机，包括固定架100、运动组件200以及第一电极50，其中：

固定架100包括第一挡块101、第二挡块102以及位于第一挡块101与第二挡块102之间的振动方向限制部件；

运动组件200包括第一质量块10、第二质量块20、连接第一质量块10与第二质量块20的第一弹性部件30、以及设置在第二质量块20与第二挡块102之间的第二弹性部件40，第二质量块20的质量大于第一质量块10的质量，第一质量块10和第二质量块20限制在第一挡块101与第二挡块102之间往复运动；

第一电极50设置于第一挡块101的表面或者第一质量块10的表面(图1所示第一电极设置于第一挡块的表面)，用于当运动组件200在外部刺激下撞击第一挡块101时，导出摩擦产生的感应电流。

固定架100中的振动方向限制部件，可以使运动组件沿着一个方向往复运动。振动方向限制部件的具体类型不限，例如可以为位于第一挡块101与第二挡块102之间的固定轴103，除了这种固定轴的模式，也可以是筒状结构的振动方向限制部件，例如第一挡块与第二挡块之间由直筒状结构的振动方向限制部件连接，运动组件在第一挡块、第二挡块与筒状结构的振动方向限制部件围成的空间往复振动。当然，也可以采用其他结构的重点限位部件，只要保证运动组件的第一质量块和第二质量块在第一挡块与第二挡块之间往复运动即可。

第二弹性部件40可以与第二质量块20、第二挡块102连接，也可以与第二质量块20、第二挡块102均不连接。

具体的，请参考图2所示，设定第一质量块的质量为m₁，第二质量块的质量为m₂，运动组件的初始运动方向朝向第二挡块，且初始运动速度为V₀，第二质量块撞击到第二挡块后获得的朝向第一挡块方向的速度为V₂；第二质量块撞击第一质量块后，第一质量块获得的朝向第一挡块方向的速度为V₁，第二质量块撞击第一质量块后，第二质量块的速度为V₂′，则在此过程中，根据动量守恒定律和能量守恒定律：

能量守恒定律：

动量守恒定律：-m₁V₀+m₂V₂＝m₁V₁+m₂V₂′，

根据能量守恒定律和动量守恒定律可得到：V₁＝V₂+V₂′+V₀

因而，从上述推理过程可以看出，V₁要远大于V₀。

可以理解的，第一电极50的具体材质不限，考虑到导电效果，第一电极的材质优选采用铜或者铝，当然，这只是本发明的一种优选情况，而并不能成为本发明的限制，凡是具有导电效果的材料，例如具有导电功能的金属层等，均可以作为一电极的材质。

需要说明的是，第一电极电连接至地或等电位，用于当运动组件在外部刺激下撞击第一挡块时，导出摩擦产生的感应电流。

其中，第一弹性部件和第二弹性部件的具体类型不限，优选采用弹簧。

在本发明的一个优选实施例中，发电机还包括第一摩擦层60，请继续参考图1所示，当第一电极50设置于第一挡块101的表面时，第一摩擦层60设置于第一质量块10的表面；当第一电极设置于第一质量块的表面时，第一摩擦层设置于第一挡块的表面。其中，第一摩擦层的具体材质不限，优选采用高分子薄膜，例如聚偏氟乙烯(PVDF)或者聚四氟乙烯(PTFE)，在具体实施时，由于聚四氟乙烯的采购和实验操作均较为方便，因而优选采用聚四氟乙烯作为第一摩擦层的材质。

以第一电极设置于第一挡块的表面，第一摩擦层设置于第一质量块的表面为例，如图3所示，本发明实施例的发电机的工作原理为：

(1)在外界机械刺激下，第一质量块会撞击第一挡块，进而会在第一电极和第一摩擦层表面产生电性相反的电荷，例如，在第一电极表面产生正电荷，在第一摩擦层表面产生负电荷；

(2)在第一弹性部件和第二弹性部件的作用下，第一质量块会与第一挡块分离，第一电极与第一摩擦层之间会产生电动势，在电动势的作用下，电子会向第一电极流动，进而在外电路中产生如图所示方向的感应电流；

(3)当第一电极与第一摩擦层分离至最大距离处时，电流为零；

(4)继而，在弹性部件的作用下，第一质量块会与第一挡块重新靠近，在重新靠近的过程中，由于静电感应，第一摩擦层表面的负电荷会重新在第一电极感应出正电荷，因而会在外电路中产生与(1)中方向相反的感应电流，直至第一质量块重新撞击第一挡块。

上述实施例中已提到，第二质量块的质量要大于第一质量块的质量，其中，一种优选方式为：m₂＝(5～15)m₁。更优的，m₂＝10m₁，其中，m₁为第一质量块的质量，m₂为第二质量块的质量。

特别的，当运动组件在外部刺激下运动时，第一弹性部件30与第二弹性部件40的振动频率相同，在这种情况下，第一质量块与第二质量块会发生共振，因而第一质量块朝向第一挡块振动的振幅可以达到最大，从而大大降低了第一质量块撞击第一挡块的难度，进而可以提高发电机的能量转化效率，并提高电能的输出功率。

基于上述实施例的一个优选实施例中，请参考图4所示，发电机还包括罩设于固定架100和运动组件200外侧的套筒70，套筒70的外周面交错设置有第二电极80和第三电极90，第二电极80和第三电极90用于在运动组件200与套筒70发生摩擦时，导出摩擦产生的感应电流。

在该实施例中，当运动组件在外部刺激下发生运动时，运动组件会与位于其周侧的套筒发生摩擦，第二电极和第三电极用于导出摩擦产生的感应电流。采用这样的设计，可以充分利用运动组件的运动，进而使发电机的能量转化效率更高，电能输出功率更高。

优选的，第二电极80和第三电极90呈叉指形设置。其中，第二电极和第三电极可包括多个子电极，在具体实施时，第二电极的子电极和第三电极的子电极可间隔设置在套筒的外周面(或者内周面)，且多个第二电极电连接作为发电机的一个输出端，多个第三电极电连接作为发电机的另一个输出端。

基于上述实施例，第一质量块的周侧和/或第二质量块的周侧设置有第三摩擦层，第三摩擦层呈叉指形设置。与上述实施例相同，第三摩擦层的材质优选采用聚四氟乙烯(PTFE)。

由此可见，根据本发明的发电机可选因素较多，根据权利要求可以组合出不同的实施例。因此实施例仅用于对本发明的说明和描述，并不是对本发明进行限制，下面将结合本发明的实施例对本发明进行说明。

实施例一：

第一质量块的材质为铝，直径1英寸，厚度0.1英寸，重量4.28g，第二质量块的材质为黄铜，直径1英寸，厚度0.5英寸，重量55.91g；第一弹性部件和第二弹性部件均为弹簧，第一弹性部件未发生形变时的长度为0.25英寸，弹性系数为13.5磅/英寸，第二弹性部件未发生形变时的的长度为0.75英寸，弹性系数为2.5磅/英寸；固定轴的长度为3英寸，直径为1/8英寸；第一电极与第一挡块通过绝缘胶带粘接，第一摩擦层与第一质量块通过泡沫胶粘接。

对比例一：

第一质量块与第二质量块之间采用塑料部件进行刚性连接，由于塑料部件的质量较小，因而可忽略，其它条件完全相同。

其中，图5和图6分别为实施例一和对比例一中的发电机在不同的振动频率下(3.5Hz、4Hz和405Hz)短路电流随时间变化的曲线图，从图中可以明显看出，采用实施例一中的发电机进行发电时，短路电流更大。

图7和图8分别为实施例一和对比例一中的发电机在不同的振动频率下连接不同负载时的平均输出功率曲线图，可以明显看出，相同条件下，实施例一中的发电机在连接负载时的平均功率更高。

图9为实施例一和对比例一中的发电机在不同的振动频率下的最大输出功率曲线图，不难看出，实施例一中的发电机相比于对比例一中的发电机而言，最大输出功率有明显提高。

图10为实施例一和对比例一中的发电机在不同的振动频率下给同一电容器(0.33mF)充电30s后，电容器的电压增量曲线图，从图中可以明显看出，采用实施例一中的发电机给电容器充电，电容器的电压增量更大。

综上可知，采用本发明实施例提供的发电机进行发电时，能量转化效率更高，电能输出功率更大。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种发电机，其特征在于，包括固定架、运动组件以及第一电极，其中：

所述固定架包括第一挡块、第二挡块以及位于第一挡块与第二挡块之间的振动方向限制部件；

所述运动组件包括第一质量块、第二质量块、连接第一质量块与第二质量块的第一弹性部件、以及设置在第二质量块与第二挡块之间的第二弹性部件，所述第二质量块的质量大于第一质量块的质量，所述第一质量块和第二质量块限制在所述第一挡块与第二挡块之间往复运动；

所述第一电极设置于第一挡块或者第一质量块的表面，用于当运动组件在外部刺激下撞击第一挡块时，导出摩擦产生的感应电流。

2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述振动方向限制部件为位于所述第一挡块与第二挡块之间的固定轴，所述运动组件套设于所述固定轴的外部；

或者所述振动方向限制部件为直筒状结构，运动组件设置在第一挡块、第二挡块与筒状结构的振动方向限制部件围成的空间内往复振动。

3.如权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述发电机还包括第一摩擦层，当所述第一电极设置于第一挡块的表面时，所述第一摩擦层设置于第一质量块的表面；当所述第一电极设置于第一质量块的表面时，所述第一摩擦层设置于第一挡块的表面。

4.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第一质量块与所述第二质量块的质量关系为：

m₂＝(5～15)m₁

其中，m₁为第一质量块的质量，m₂为第二质量块的质量。

5.如权利要求4所述的发电机，其特征在于，所述第一质量块与所述第二质量块的质量关系为：m₂＝10m₁。

6.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，当运动组件在外部刺激下运动时，第一弹性部件与第二弹性部件的振动频率相同。

7.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第一电极电连接至地或等电位。

8.如权利要求1、2、4～6任一项所述的发电机，其特征在于，所述发电机还包括罩设于所述固定架和运动组件外侧的套筒，所述套筒的外周面交错设置有第二电极和第三电极，所述第二电极和第三电极用于在所述运动组件与所述套筒发生摩擦时，导出摩擦产生的感应电流。

9.如权利要求8所述的发电机，其特征在于，所述第二电极和所述第三电极呈叉指形设置。

10.如权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述第一质量块的周侧和/或所述第二质量块的周侧设置有第二摩擦层，所述第二摩擦层呈叉指形设置。

11.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第一弹性部件和所述第二弹性部件均为弹簧。