CN106762374A - 一种复合气动式发电机及自供能海洋监测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合气动式发电机，其包括：壳体、分别设置于所述壳体内部两侧且设有气孔的气孔板、上托板和下托板、固定悬挂于所述上托板与下托板之间的摩擦纳米发电单元，以及由连接于下托板的活塞磁铁与缠绕于气孔板之间的线圈组成的电磁发电单元。本发明还公开了一种利用上述复合气动式发电机的自供能海洋监测设备，设备包括将波浪动能转化为电能的复合式气动发电机、传输所述复合气动式发电机产生的电能的电路模块、用电模块和外壳模块。本发明设计的气流通道结构可以通过气流的运动实现摩擦纳米发电单元空间压力的变化，简化了气囊结构制造的工艺，降低了制作成本，更便于实际应用。

Description

一种复合气动式发电机及自供能海洋监测设备
技术领域
本发明涉及发电机及自供能设备技术领域，具体说是一种复合气动式发电机及自供能海洋监测设备。
背景技术
现代航海业与海洋行业的发展受到自然界及海洋环境因素的影响和制约，复杂多变的海洋气象以及海况对船舶的海上航行及相关工作者的人参安全构成了极大的威胁。为提升海上作业安全保障、消除潜在安全隐患，及时掌握海上第一时间海况气象信息以及水下情况，是海洋监测技术发展的当务之急。
海洋监测设备应用于海况监测、水质检测及水下监测等水上水下作业，是一种节能、自动化的海洋设备。由于其工作环境的特殊性，现有技术中的海洋监测设备存在能源供给不足的问题。
从2012年开始，基于摩擦静电效应的纳米发电机快速发展，并以其高效的输出、简单的工艺和稳定的性能，成为将机械能转变为电能的有力工具，同时，摩擦纳米发电机(TENG)的设计和实施成为本领域内前景可观的研究方向。但是，现有的摩擦电纳米发电机存在着输出功率较低、阻抗高、机械性能差、交流输出和输出不稳定等问题，使其实际应用受到限制。
发明内容
鉴于已有技术存在的不足，本发明的目的是要提供一种机械性能优良的复合气动式发电机，其通过将摩擦纳米发电机与普通的电磁感应发电机相结合的方式长时间输出功率稳定的电流，同时该装置还可应用于海洋监测设备中持续功能。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种复合气动式发电机，其包括壳体，所述壳体为立方体结构，其特征在于，所述壳体内部包括：
分别设置于所述壳体两侧、将所述壳体内部纵向分为三个独立空腔结构的两气孔板；两所述气孔板之间的空腔结构为内腔，任意所述气孔板与所述壳体间的空腔结构为通气道，任意所述气孔板上、下靠近边缘位置设有气孔；
尺寸与所述内腔配合且横向固定于所述内腔的上托板和下托板，所述上托板与所述壳体之间的部分内腔称为上腔室，所述下托板与所述壳体之间的部分内腔称为下腔室；
固定悬挂于所述上托板与下托板之间的摩擦纳米发电单元；
以及电磁发电单元，所述电磁发电单元包括通过弹簧连接于所述下托板的活塞磁铁以及缠绕于气孔板之间的线圈，所述活塞磁铁可在线圈间上下往复运动而产生感应电流。
进一步地，所述上托板与下托板均为栅栏式结构，且所述上托板栅栏与下托板栅栏交替互补，栅栏间隔宽度一致。
进一步地，所述摩擦纳米发电机单元包括气囊以及粘贴在气囊上、下表面的电极；所述电极包括两金属电极薄膜层及位于两金属电极薄膜层之间的纳米薄膜层。
进一步地，所述气囊呈蛇形穿插固定于所述上、下托板之间，与所述电极共同构成摩擦纳米发电阵列；
其中，气囊朝向上腔室一侧为上层摩擦纳米发电结构，其电极所包含的纳米薄膜层与右侧金属电极薄膜层粘在一起；
气囊朝向下腔室一侧为下层摩擦纳米发电结构，其电极所包含的纳米薄膜层与左侧金属电极薄膜层粘在一起。
本发明的另一目的是要提供一种应用上述复合气动式发电机的自供能海洋监测设备，其特征在于，其包括：将波浪动能转化为电能的复合气动式发电机；传输所述复合气动式发电机所产生电能的电路模块；以及用电模块和外壳模块。
进一步地，所述电路模块包括：降低所述摩擦纳米发电机输出电压，并提高其输出电流的变压模块；将所述变压模块输出的交流电信号转换成直流电信号的整流模块；存储所述整流模块输出电信号的储能模块；以及稳定整个电路输出电压的稳压模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明所述气动式摩擦纳米发电机不仅在小空间内继承了多个摩擦纳米发结构，而且可以将活塞往复振动信号转换为摩擦纳米发电单元电极之间的相对运动，极大的增强了了对负荷输入的敏感度，并具有一定能量存储能力，提高了摩擦纳米发电机将低频能量转化为电能的能力，与电磁感应发电机相结合，提升了输出性能；
2、本发明设计的气流通道结构可以通过气流的运动实现上侧摩擦纳米发电机空间压力的变化，简化了气囊结构制造的工艺，降低了制作成本，更便于实际应用；
3、本发明应用所述摩擦纳米发电机设计了自供能海洋监测设备，以气动式纳米摩擦发电机作为实用电源采集波浪能并将之转化为电能，为用电设备供给电能。由于此供电装置受海洋天气影响较小，可以提供更稳定的输出，延长检测设备工作周期，增大工作范围，节约能源成本，实现摩擦纳米发电机与海洋自供能无人技术的融合，为海洋蓝色能源的应用提供思路。
4、本发明结构简单，能够收集不规则运动的机械能并将之转化为电能加以利用，可作为水下无人机等设备的自供能装置。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，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。
图1是本发明复合气动式发电机结构分解图；
图2是本发明复合气动式发电机整体示意图；
图3是本发明摩擦纳米发电单元示意图；
图4是本发明复合气动式发电机发电原理图；
图5是本发明复合气动式发电机等效电路图；
图6是本发明一种自供能海洋监测设备工作流程图；
图7是本发明一种自供能海洋监测设备外观示意图；
图8是本发明一种自供能海洋监测设备示意图。
图中：1-上底板；2-线孔；3-上托板；4-摩擦纳米发电单元；5-下托板；6-弹簧；7-活塞；8-气孔板；9-气孔；10-壳体前侧板；11-壳体右侧板；12-壳体底板；13-金属线圈；14-上腔室；15-通气道；16-下腔室；401-气动式摩擦纳米发电机；402-变压模块；403-整流模块；404-自动开关Ⅰ；405-储能元件Ⅰ；406-自动开关Ⅱ；407-储能元件Ⅱ；408-稳压模块；409-电路分选模块；410-电磁发电模块；701-信号发生器及GPS定位模块模块；702-储能模块；703-电路模块；704-组合式摩擦纳米发电机；801-温盐深仪；802-组合式摩擦纳米发电机；803-太阳能吸收板；804-储能及电路模块；805-信号发生器及GPS定位模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
实施例1：
图1为本发明复合气动式发电机结构分解图，如图所示，一种复合气动式发电机包括壳体，所述壳体为四侧板与两底板构成的立方体结构，壳体内部包括：分别设置于所述壳体内部两侧、将所述壳体内部纵向分为三个独立空腔结构的两气孔板8，两所述气孔板之间的空腔结构为内腔，任意所述气孔板8与所述壳体间的空腔结构为通气道15，任意所述气孔板8上下靠近边缘位置设有气孔9；尺寸与所述内腔配合且横向固定于所述内腔的上托板3和下托板5，所述上托板3与所述壳体之间的部分内腔称为上腔室，所述下托板5与所述壳体之间的部分内腔称为下腔室；尺寸与所述内腔间隙配合且通过弹簧6连接于所述下托板的活塞7，所述活塞7可以在所述下腔室内上下往复运动；固定悬挂于所述上托板与下托板之间的摩擦纳米发电单元4。优选地，所述外部壳体，气孔板均由亚克力板切割制成，所诉气孔9分别设置在距离气孔板8上距离上下两底板20mm处。所述活塞7上侧与摩擦纳米发电单元4下侧形成下闭空间。所诉弹簧6固定在下托板与气孔板连接处。
进一步地，所述上托板3与下托板5均为栅栏式结构，其尺寸与内腔尺寸一致，且所述上托板栅栏与下托板栅栏交替互补，栅栏间隔宽度一致。所述托板优选为PLA材料制成，栅栏间隔6mm。
进一步地，所述摩擦纳米发电单元4包括气囊以及粘贴在气囊上、下表面的电极；所述电极包括两金属电极薄膜层及位于两金属电极薄膜层之间的纳米薄膜层，相同极性电极连到同一导线，通过外壳体上底板的线孔2引出至外电路。
进一步地，所述气囊呈蛇形穿插固定于所述上、下托板之间，与所述电极共同构成摩擦纳米发电阵列；其中，气囊朝向上腔室一侧为上层摩擦纳米发电结构，其电极所包含的纳米薄膜层与右侧金属电极薄膜层粘在一起；气囊朝向下腔室一侧为下层摩擦纳米发电结构，其电极所包含的纳米薄膜层与左侧金属电极薄膜层粘在一起。
图2为本实施例所述复合气动式发电机整体示意图，如图所示在工作时，由外界输入的一定频率波浪能通过弹簧转换成活塞上下的往复运动的动能，导致气囊空间体积发生变化，驱动两层摩擦纳米发电机改变工作状态，电极实现分离/接触的动作，使得摩擦层表面所带有的摩擦静电荷随其一起移动，导致两个电极层间的电势差发生周期性变化，驱动电极层之间进行电荷转移从而向外电路输出交流电。而通过两个电极层表面的图案化设计和与外界输入频率匹配以显著增加电流的输出效率。
本实施例中选用的摩擦纳米发电单元整体结构如图3所示，摩擦纳米发电单元4呈蛇形穿插固定于所述上托板3与下托板5之间，与所述电极共同构成摩擦纳米发电阵列。金属电极薄膜(铝箔Al)与带有纳米结构的绝缘膜(以Kapton为例)进行接触摩擦。其发电原理如图4所示，当上、下两层摩擦纳米发电结构TENG膜都处于分离状态时即气压平衡位置，由于长期的接触摩擦，绝缘膜上带负电荷，与绝缘膜粘贴在一起的铜膜带正电荷；当上层摩擦纳米发电结构的两电极膜接触时，由于铝的活泼性高于铜，电极铝箔将失去电子通过外电路转移到铜膜上，铝箔带正电荷，铜膜不带电；当上层摩擦纳米发电结构的两电极膜分离即下层摩擦纳米发电结构的两电极膜接触时，同理，下层摩擦纳米发电结构的电极膜铝箔失去电子另一电极铜膜得到电子，电极铝箔带正电，电极铜膜不带电。在电子转移的过程中就在外电路中产生了交变的电流信号，这样便可将往复式机械运动能转化为电能。
在电极膜和绝缘膜的选择上，可以选两种活泼性较好并且不同的两种电极膜如铜膜和铝箔，绝缘材料可以选用用用的有机聚合物材料或天然材料，聚四氟乙烯(PTFE)膜、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)膜、聚酰亚胺(Kapton)膜、尼龙膜等。本发明中以铜膜、铝箔和Kapton为例进行介绍。
本发明公开的上、下两层摩擦纳米发电结构空间状态相反，若一个处于分离过程，另一个必定是趋于接触的过程，所以根据以上原理，本发明所述气动式摩擦纳米发电机的上、两层摩擦纳米发电结构必定是同时工作，而且同一时间永远处于相反的过程。本发明中上层摩擦纳米发电结构有10个发电基元，下层摩擦纳米发电结构有9个发电基元，且上、下两组摩擦纳米发电结构分别都是并联到同一电极上，即所有的摩擦纳米发电结构都是并联工作。实际应用中可根据装置大小的不同，可以做出不同数量的摩擦纳米发电基元以便提高输出功率，在此不做限定。
本发明气动式摩擦纳米发电机工作过程如下：当有波浪推动发电装置外壳时，外壳有向上运动的趋势，弹簧连接的活塞相对于装置整体是向下运动，空气通过两侧气孔板8上的上、下通气孔9及气流通道14向上腔室流动，造成上腔室气压较高，下腔室13气压较低，这样便使上TENG结构电极对互相接触，下TENG结构电极对互相分离，根据以上所述原理，上、下TENG结构分别向外输出一个交变电流信号和交变电压信号。
本装置的TENG的输出导线从装置上顶板上的线孔接出到用电模块，导线从小孔中接出来后用密封胶进行密封处理。整个装置都经过密封处理，保证绝对防水，内部保证气密性良好。
本装置中栅栏形上托板3、下托板5支撑起摩擦纳米发电单元4的气囊，其由PTFE膜制成，所述气囊有一定的伸缩性，保证气囊能够在周期性气体压力的作用下膨胀/收缩，从而使上、下摩擦纳米结构电极膜实现周期性接触/分离，达到输出周期电信号的目的。下托板有弹簧连接着具有一定质量的活塞，活塞与侧面的接触是间隙配合，并加有润滑油，保证光滑。在波浪的作用下活塞上下运动不断交替压缩上、下两个气囊，最终将波浪能转化为电能，供给于用电设备。
在复合气动式发电机下腔室内两气孔板之间缠绕一定数量的金属线圈13，并将活塞7材料优选为磁铁。本装置中线圈13缠绕在气孔板两侧，当活塞磁铁上下往复运动时，穿梭于线圈中，根据楞次定律，金属线圈内部会由于磁铁磁场的往复变化产生感应电流，通过引线引出至外电路，提供额外输出，得到一种结合摩擦纳米发电原理和电磁发电原理的复合式气动发电机。
本实施例采用一种分别使用摩擦纳米发电机和电磁发电单元的稳压输出电路设计(参见图5)，包括：前述气动式摩擦纳米发电机401，用于将机械能转换为电信号；上述电磁发电模块410，用于提供额外电能输出；变压模块402，用于降低摩擦发电机输出的电压，同时提高输出电流；整流模块403，用于将变压模块402输出的交流电信号转换成直流电信号，所述整流模块优选为全桥式整流器；储能模块Ⅰ405和储能模块Ⅱ407，用于将整流模块403输出的电信号进行存储，两个储能模块互为备用，并通过电路分选模块409控制自动开关Ⅰ404和自动开关Ⅱ406来选择所使用的输出电源；稳压模块408，用于稳定整个电路的输出电压，所述稳压模块优选采用三端稳压器。
电路分选模块409中包含有控制摩擦纳米发电机输出到储能模块的开关及用电设备模块。所述用电设备可以是传感器、水下无人船、海上浮标、GPS定位、单片机等。
本发明的另一目的是要提供一种应用上气动式述摩擦纳米发电机的自供能海洋监测设备，其特征在于，其包括：将波浪动能转化为电能的气动式摩擦纳米发电机；传输所述气动式摩擦纳米发电机所产生电能的电路模块；以及用电模块和外壳模块。
进一步地，所述电路模块包括：降低所述摩擦纳米发电机输出电压，并提高其输出电流的变压模块；将所述变压模块输出的交流电信号转换成直流电信号的整流模块；存储所述整流模块输出电信号的储能模块；以及稳定整个电路输出电压的稳压模块。所述气动式摩擦纳米发电机为自供能海洋监测设备中的工作流程如图6所示。
实施例2
一种应用实施例1所述复合气动式发电机及自供能海洋监测设备外观如图7所示，顶部701是信号发生器和GPS定位，对装置收集到的信息与物联网信息进行处理和交换；装置底部放置多个并联链接的组合式TENG即704，将海洋波浪能转化为电能；再上层是电路模块703，包含了电路中的多个控制系统，对信息采集结果的分析处理系统等；再上层是储能模块即蓄电池702，将组合式TENG收集到的电能储存到蓄电池中以便其它用电设备用电。
实施例3
一种应用实施例1所述复合气动式发电机也可以应用到水下无人潜行器如图8所示，顶部801是温盐深仪，对海水的一些基本信息进行采集；组合式TENG即802放置无人潜行器中后部，收集海洋波浪能；机翼两侧放置TENG的储能模块和电路模块，将TENG收集的电能进行转化和储存，对无人潜行器电路及其它的系统进行控制和处理；无人潜行器的尾部是GPS定位系统和信号发生/接受器，接收和传送物联网及海洋信息。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种复合气动式发电机，其包括壳体，所述壳体为立方体结构，其特征在于，所述壳体内部包括：
分别设置于所述壳体两侧、将所述壳体内部纵向分为三个独立空腔结构的两气孔板；两所述气孔板之间的空腔结构为内腔，任意所述气孔板与所述壳体间的空腔结构为通气道，任意所述气孔板上、下靠近边缘位置设有气孔；
尺寸与所述内腔配合且横向固定于所述内腔的上托板和下托板，所述上托板与所述壳体之间的部分内腔称为上腔室，所述下托板与所述壳体之间的部分内腔称为下腔室；
固定悬挂于所述上托板与下托板之间的摩擦纳米发电单元；
以及电磁发电单元，所述电磁发电单元包括通过弹簧连接于所述下托板的活塞磁铁以及缠绕于气孔板之间的线圈，所述活塞磁铁可在线圈间上下往复运动而产生感应电流。
2.根据权利要求1所述的一种复合气动式发电机，其特征在于：所述上托板与下托板均为栅栏式结构，且所述上托板栅栏与下托板栅栏交替互补，栅栏间隔宽度一致。
3.根据权利要求1所述的一种复合气动式发电机，其特征在于：所述摩擦纳米发电机单元包括气囊以及粘贴在气囊上、下表面的电极；所述电极包括两金属电极薄膜层及位于两金属电极薄膜层之间的纳米薄膜层。
4.根据权利要求3所述的一种复合气动式发电机，其特征在于：
所述气囊呈蛇形穿插固定于所述上、下托板之间，与所述电极共同构成摩擦纳米发电阵列；
其中，气囊朝向上腔室一侧为上层摩擦纳米发电结构，其电极所包含的纳米薄膜层与右侧金属电极薄膜层粘在一起；
气囊朝向下腔室一侧为下层摩擦纳米发电结构，其电极所包含的纳米薄膜层与左侧金属电极薄膜层粘在一起。
5.一种应用权利要求1所述复合气动式发电机的自供能海洋监测设备，其特征在于，其包括：
将波浪动能转化为电能的复合气动式发电机；
传输所述复合气动式发电机所产生电能的电路模块；
以及用电模块和外壳模块。
6.一种根据权利要求5所述的自供能海洋监测设备，其特征在于，所述电路模块包括：
降低所述摩擦纳米发电机输出电压，并提高其输出电流的变压模块；
将所述变压模块输出的交流电信号转换成直流电信号的整流模块；
存储所述整流模块输出电信号的储能模块；
以及稳定整个电路输出电压的稳压模块。
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