CN107086811A - 一种时均流驱动的摩擦纳米发电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时均流驱动摩擦纳米发电装置，所述装置包括：渐缩喷管(1)、驱动管(3)、扩压管(4)和至少一根谐振管(5)；所述渐缩喷管(1)、驱动管(3)和扩压管(4)依次连通；所述驱动管(3)中安装有整流丝网(2)；所述谐振管(5)一端封闭，另一端与驱动管(3)垂直连通；所述谐振管(5)的封闭端设有摩擦纳米发电机。本发明的装置具有结构简单，成本低廉，使用寿命长，可靠性高，能量转换效率高等突出优点，并为利用广泛存在的管道流体能和风能等提供了一种高效、可靠的方法，可应用于自行车供电、汽车供电、自驱动传感器等领域。

Description

一种时均流驱动的摩擦纳米发电装置及方法

技术领域

本发明涉及风能发电领域，特别涉及一种时均流驱动的摩擦纳米发电装置及方法。

背景技术

进入21世纪以来，随着全球经济的快速发展、人口的迅速增长以及社会生活水平的不断提高，人类对能源的需求量越来越大，但全球不可再生能源有限，能源供需矛盾日益突显。另一方面，能源特别是化石能源开发利用过程中造成的环境污染和生态破坏愈演愈烈，能源与环境问题日益突出，成为社会经济发展的重大基础性问题。积极寻找替代能源，大力发展新型可再生清洁能源的利用技术是解决当前能源供需矛盾和能源与环境问题的一条有效途径。其中，风能作为一种无污染、可再生的清洁能源，是最具有大规模开发和商业化发展前景的能源形式。研究与发展风能是解决环境与能源问题的有效手段之一。

我国是风能资源大国，《2011～2020年我国能源科学学科发展战略报告(第4稿)》中指出，我国实际可利用的风能资源约为70－120GW，其中陆地可利用的风能资源约为60-100GW，离岸风能资源约为10－20GW。我国虽然风能资源丰富，但目前风能利用方式较为单一。现有的风能利用主要方式是风力发电，即通过风力发电机捕获风能并将其转换成电能后，并网传输电力供需求用户使用。大尺度的风力发电机效率较高，但小尺度风力发电机由于其较高的粘性阻力和旋转损失等而效率低下。对于小尺寸的应用和装置适宜采用无机械运动部件的解决方案。

时均流，也称平均流(Mean flow)，是指具有显著动能的单向流体流动，包括自然风、管道内气流、水流等。时均流横向流过单端封闭空腔时会诱导出驻波声场，即时均流动能转变为声场能(一种机械能)，这种效应称为时均流诱导声振荡效应。基于时均流诱导声振荡效应，可研制出新型无运动部件的、可利用风能的发动机—时均流激声发动机。时均流激声发动机可用于风能发电、热声制冷、降噪减振等领域。

孙大明等人的专利(公布号：CN102377315B)提出的一种基于时均流与交变流耦合作用的发电装置及方法，包括驱动管上游段、驱动管下游段、谐振管、连接装置和直线发电机；在谐振管中部两侧分别与驱动管上游段、驱动管下游段相通，谐振管两端设有连接装置并与直线发电机相连；或者谐振管两端封闭，在谐振管侧面设有连接装置并与直线发电机相连。该发明将时均流激声效应和直线发电机耦合在一起，从而构成一个独立的发电装置。由于直线发电机中存在机械运动部件——活塞和电机动子等，严重削弱了该发电装置的可靠性；此外，直线发电机中的间隙密封、板簧支撑、大量采用永磁体等因素导致该发电装置成本非常高。

此后，孙大明等人的专利(公布号：CN 102394558 A)提出的一种时均流发电装置及方法，包括驱动管上游段、驱动管下游段、谐振管、夹持装置和压电换能器；在谐振管中部两侧分别与驱动管上游段、驱动管下游段相通，谐振管两端封闭，谐振管的两个封闭端设有夹持装置或谐振管的侧壁设有一个或多个夹持装置，谐振管的两个封闭端内侧设有压电换能器并与夹持装置相连，或谐振管的侧壁内设有一个或多个压电换能器并分别与一个或多个夹持装置相连。该发明将时均流激声效应和压电效应通过流固耦合作用构成一个独立的发电装置，这种发电装置制造和安装简单，成本低廉，可靠性较之前采用直线发电机的能量收集装置更高。但是由于压电换能器的高频和小振幅振动特性，该发电装置仅适用于微小型高频时均流发电系统中的能量转换，且能量转换效率较低(实验中能量转化效率低于1％)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有时均流发电装置的缺点，提供一种时均流驱动的摩擦纳米发电装置及方法。相比于现有时均流驱动压电换能器发电装置，采用摩擦纳米发电机发电成本更低，可靠性高，能量转换效率更高，并能满足不同频率下的发电需求。本发明提出的一种时均流驱动的摩擦纳米发电装置，具有结构简单，成本低廉，使用寿命长，可靠性高，能量转换效率高等特点，为利用广泛存在的管道流体能和风能等提供了一种高效、可靠的方法。

为达到上述目的，本发明提供了一种时均流驱动摩擦纳米发电装置，所述装置包括：渐缩喷管1、驱动管3、扩压管4和至少一根谐振管5；所述渐缩喷管1、驱动管3和扩压管4依次连通；所述驱动管3中安装有整流丝网2；所述谐振管5一端封闭，另一端与驱动管3垂直连通；所述谐振管5的封闭端设有摩擦纳米发电机。

优选的，所述装置包括两个谐振管5，对称设置于驱动管3的上下两侧。

优选的，所述摩擦纳米发电机采用垂直接触-分离工作模式时，采用绝缘-导体材料形式的平板形摩擦纳米发电机61或圆筒形摩擦纳米发电机62。

优选的，所述平板形摩擦纳米发电机61，接触的两面分别为高分子材料薄膜层612和金属材料薄膜层613，所述高分子材料薄膜层的背面镀有背电极层611，该背电极层611和所述金属材料薄膜层613通过外电路连接；所述金属材料薄膜层613镀在基底614上，所述基底614为绝缘固体材料；所述基底614固定在所述谐振管3封闭端的内壁面上。

优选的，所述圆筒形摩擦纳米发电机62包括至少N个圆筒形摩擦纳米发电机单元和发电机支架624；N为正整数且满足N≥1；N个圆筒形摩擦纳米发电机单元同轴且沿谐振管5径向等间距分布；每一个圆筒形摩擦纳米发电机单元沿径向从内到外依次包括第一背电极层6211、第一高分子材料薄膜层6212、第一金属材料薄膜层6213、基底6214、第二金属材料薄膜层6215、第二高分子材料薄膜层6216和第二背电极层6217；所述第一背电极层6211和第一金属材料薄膜层6213通过外电路连接；所述第二背电极层6217和第二金属材料薄膜层6215通过外电路连接。

优选的，所述圆筒形摩擦纳米发电机单元的个数N为3。

一种基于上述装置实现的时均流驱动摩擦纳米发电方法，所述方法包括：

步骤1)时均流经过渐缩喷管1)使得气流流速增加，气流动能随之增加，再经整流丝网2整流，在驱动管3内流动趋于均匀和稳定；

步骤2)当时均流通过驱动管3和谐振管5的连接处时，在谐振管5内建立起一个稳定的驻波声场；

步骤3)摩擦纳米发电机在时均流产生的压力波作用下产生形变，使得两个不同的摩擦层之间周期性接触和分离，在接触起电和静电感应的耦合作用下，声场能转化为电能输出。

本发明的优点在于：

1、本发明的装置可靠性高、成本低、结构简单、使用寿命长、能量转换效率高，能满足不同频率下的发电需求；

2、本发明提出的一种时均流驱动的摩擦纳米发电方法，为利用广泛存在的管道流体能和风能等提供了一种高效、可靠的方法，可应用于自行车供电、汽车供电、自驱动传感器等领域。

附图说明

图1是本发明实施例一中的时均流驱动摩擦纳米发电装置结构示意图；

图2是本发明实施例一中的平板形摩擦纳米发电机结构示意图；

图3是本发明实施例二中的时均流驱动摩擦纳米发电装置结构示意图；

图4是本发明实施例三中的时均流驱动摩擦纳米发电装置结构示意图；

图5是本发明实施例三中的圆筒形摩擦纳米发电机结构示意图；

图6是本发明实施例三中的圆筒形摩擦纳米发电机单元结构示意图。

附图标记：

1、渐缩喷管；2、整流丝网；3、驱动管；4、扩压管；5、谐振管；

61、平板形摩擦纳米发电机；611、背电极层；612、高分子材料薄膜层；

613、金属材料薄膜层；614、平板形摩擦纳米发电机基底；

615、发电机支撑环；616、声孔；62、圆筒形摩擦纳米发电机；

621、第一圆筒形摩擦纳米发电机单元；622、第二圆筒形摩擦纳米发电机单元；

623、第三圆筒形摩擦纳米发电机单元；624、圆筒形摩擦纳米发电机支架；

6211、第一背电极层；6212、第一高分子材料薄膜层；

6213、第一金属材料薄膜层；6214、圆筒形摩擦纳米发电机基底；

6215、第二金属材料薄膜层；6216、第二高分子材料薄膜层；

6217、第二背电极层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例一

图1是本发明实施例一中的一种时均流驱动摩擦纳米发电装置结构示意图，所述发电装置包括：渐缩喷管1、整流丝网2、驱动管3、扩压管4、谐振管5和平板形摩擦纳米发电机61。所述渐缩喷管1、驱动管3和扩压管4依次连通；所述驱动管3中安装有整流丝网2；所述谐振管5一端封闭，另一端与驱动管3垂直连通；所述平板形摩擦纳米发电机61位于谐振管5的封闭端。

所述平板形摩擦纳米发电机61为采用绝缘-导体材料形式的垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机，接触的两面分别为高分子材料薄膜层612和金属材料薄膜层613，高分子材料薄膜层612的背面镀有背电极层611，背电极层611和所述金属材料薄膜层613通过外电路连接。

所述高分子材料薄膜层612为一圆形薄膜，与发电机支撑环615的上表面粘接。所述金属材料薄膜层613镀在基底614上，金属材料薄膜层613的上表面与发电机支撑环615的下表面粘接。所述基底614为绝缘固体材料制成的一圆形薄膜；所述基底614固定在所述谐振管5封闭端的内壁面上。

所述高分子材料薄膜层612由容易得到电子的高分子聚合物构成，可以选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯等常见的高分子聚合物。

所述背电极层611优选金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜等。所述背电极层611通过磁控溅射或蒸镀等沉积方法将金属薄膜沉积在所述高分子材料薄膜层612表面而形成。

所述金属材料薄膜层613优选金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜等。所述金属材料薄膜层63通过磁控溅射或蒸镀等沉积方法将金属薄膜沉积在所述基底64表面而形成。

所述基底614为绝缘材料，可以选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯等等常见的高分子聚合物。

所述发电机支撑环615为非导电固体材料，例如塑料(PMMA，PC等)、陶瓷等。

如图2所示，所述平板形摩擦纳米发电机61的背电极层611和高分子材料薄膜层612上开有若干声孔616，所述声孔616用于连接谐振管中空气和高分子材料薄膜层612与金属材料薄膜层613之间的空气。定义开孔率为声孔616总面积与整个高分子材料薄膜层612的总面积之比，开孔率优选0.1～0.3。

下面具体说明本实施例提供的一种时均流驱动摩擦纳米发电装置的工作过程：

时均流(自然风、管道内气流等)的流向如图1中箭头所指方向。时均流经过渐缩喷管1使得气流流速增加，气流动能随之增加，经整流丝网2整流，驱动管3内流动趋于均匀和稳定。当时均流掠过驱动管3和谐振管5的连接处时，由于几何突变，剪切边界层会失稳，形成涡结构并脱离，不稳定的边界层向谐振管内部的声场传递能量，能量的传递和声场的持续振荡又反过来影响了随后的涡结构的形成，于是在谐振管5内建立起一个稳定的驻波声场。摩擦纳米发电机在时均流产生的压力波作用下产生形变，使得两个不同的摩擦层之间周期性接触和分离，在接触起电和静电感应的耦合作用下，声场能(一种机械能)转化为电能输出。

平板形摩擦纳米发电机61的工作原理为：所述高分子材料薄膜层612与所述金属材料薄膜层613表面摩擦电性质不同，二者之间存在得失电子能力的差异，高分子材料薄膜层612得电子能力强，而金属材料薄膜层613更容易失去电子。谐振管5中往复振荡的压力波动直接施加于背电极层611表面，当压力增加时，高分子材料薄膜层612与金属材料薄膜层613表面相互接触，得电子能力强的材料将从得电子能力弱的材料上吸引电子，从而使得两个接触面带上等量异号的电荷，即摩擦电荷。当压力降低时，两个接触面分离开来，此时两个接触面之间将会产生电势差。如果背电极层611和金属材料薄膜层613通过负载连接起来，电势差将使得电子在两个电极(背电极层611和金属材料薄膜层613)之间流动，以平衡接触面间的静电电势差。一旦两个接触面再次重合，摩擦电荷产生的电势差消失，从而使电子反向流动。这样不断的接触和分离，摩擦发电机的输出端将输出交变的电流脉冲信号，从而对外输出电能。

通过上述表述可以看出，在本实施例提供的一种时均流驱动摩擦纳米发电装置中，消除了发电装置中的机械运动部件，通过特殊的管道设计，利用摩擦纳米发电机结构简单、能量转换效率高的优势，对时均流声振荡效应进行了有效利用。整个发电装置具有可靠性高、成本低、结构简单、使用寿命长、能量转换效率高等特点。相比于现有时均流驱动直线发电机发电装置，采用摩擦纳米发电机发电成本低，可靠性高；相比于现有时均流驱动压电换能器发电装置，采用摩擦纳米发电机发电成本更低，能量转换效率更高，能满足不同频率下的发电需求。本发明为利用广泛存在的管道流体能和风能等提供了一种高效、可靠的方法，可应用于自行车供电、汽车供电、自驱动传感器等领域。

实施例二

图3是本发明实施例二中的一种时均流驱动摩擦纳米发电装置结构示意图，其包括：渐缩喷管1、整流丝网2、驱动管3、扩压管4、两根谐振管5和两个平板形摩擦纳米发电机61。所述渐缩喷管1、驱动管3和扩压管4依次连通；所述驱动管3中安装有整流丝网2；所述每根谐振管5一端封闭，另一端与驱动管3垂直连通；所述两个摩擦纳米发电机6分别位于两根谐振管5的封闭端。

所述两个平板形摩擦纳米发电机61之间并联连接，每个平板形摩擦纳米发电机61为采用绝缘-导体材料形式的垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机，接触的两面分别为高分子材料薄膜层612和金属材料薄膜层613，高分子材料薄膜层612的背面镀有背电极层611，背电极层611和所述金属材料薄膜层613通过外电路连接。

本实施例中提供的时均流驱动摩擦纳米发电装置与实施例一提供的装置结构和原理基本相同，区别点在于：为减少单根谐振管的轴向振动，所述谐振管5由实施例一中的一根谐振管增加为两根谐振管，所述两根谐振管5对称分布于所述驱动管3的两侧，且所述两根谐振管5的两个开口端与驱动管3垂直连通；为了增大发电装置的输出电流和输出功率，所述平板形摩擦纳米发电机61由实施例一中的一个平板形摩擦纳米发电机增加为两个平板形摩擦纳米发电机，且两个平板形摩擦纳米发电机之间并联连接。

实施例三

图4是本发明实施例三中的一种时均流驱动摩擦纳米发电装置结构示意图，其包括：渐缩喷管1、整流丝网2、驱动管3、扩压管4、两根谐振管5和两个圆筒形摩擦纳米发电机62。所述渐缩喷管1、驱动管3和扩压管4依次连通；所述驱动管3中安装有整流丝网2；所述每根谐振管5一端封闭，另一端与驱动管3垂直连通；所述两个圆筒形摩擦纳米发电机62分别位于两根谐振管5的封闭端，且两个圆筒形摩擦纳米发电机62的轴向与两根谐振管5的轴向重合。

如图5所示，所述每个圆筒形摩擦纳米发电机62包括第一圆筒形摩擦纳米发电机单元621、第二圆筒形摩擦纳米发电机单元622、第三圆筒形摩擦纳米发电机单元623和位于摩擦纳米发电机两端的发电机支架624；所述第一圆筒形摩擦纳米发电机单元621、第二圆筒形摩擦纳米发电机单元622和第三圆筒形摩擦纳米发电机单元623同轴且沿谐振管5径向等间距分布；所述第一圆筒形摩擦纳米发电机单元621、第二圆筒形摩擦纳米发电机单元622和第三圆筒形摩擦纳米发电机单元的结构相同，仅各个材料层的内径不同，为了简化附图，在附图中没有标示出所述第二圆筒形摩擦纳米发电机单元622和所述第三圆筒形摩擦纳米发电机单元623的结构。

如图6所示，每一个圆筒形摩擦纳米发电机单元621沿径向从内到外依次包括第一背电极层6211、第一高分子材料薄膜层6212、第一金属材料薄膜层6213、基底6214、第二金属材料薄膜层6215、第二高分子材料薄膜层6216和第二背电极层6217。所述第一背电极层6211和所述第一金属材料薄膜层6213通过外电路连接；所述第二背电极层6217和所述第二金属材料薄膜层6215通过外电路连接。

本实施例中提供的时均流驱动摩擦纳米发电装置与实施例二提供的装置结构和原理基本相同，区别点在于：为增大发电装置的输出电流和输出功率，所述摩擦纳米发电机由实施例二中的两个平板形摩擦纳米发电机改为两个圆筒形摩擦纳米发电机，且两个圆筒形摩擦纳米发电机之间并联连接。

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 (7)

1.一种时均流驱动摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述装置包括：渐缩喷管(1)、驱动管(3)、扩压管(4)和至少一根谐振管(5)；所述渐缩喷管(1)、驱动管(3)和扩压管(4)依次连通；所述驱动管(3)中安装有整流丝网(2)；所述谐振管(5)一端封闭，另一端与驱动管(3)垂直连通；所述谐振管(5)的封闭端设有摩擦纳米发电机。

2.根据权利要求1所述的时均流驱动摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述装置包括两个谐振管(5)，对称设置于驱动管(3)的上下两侧。

3.根据权利要求1或2所述的时均流驱动摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述摩擦纳米发电机采用垂直接触-分离工作模式时，采用绝缘-导体材料形式的平板形摩擦纳米发电机(61)或圆筒形摩擦纳米发电机(62)。

4.根据权利要求3所述的时均流驱动摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述平板形摩擦纳米发电机(61)，接触的两面分别为高分子材料薄膜层(612)和金属材料薄膜层(613)，所述高分子材料薄膜层的背面镀有背电极层(611)，该背电极层(611)和所述金属材料薄膜层(613)通过外电路连接；所述金属材料薄膜层(613)镀在基底(614)上，所述基底(614)为绝缘固体材料；所述基底(614)固定在所述谐振管(3)封闭端的内壁面上。

5.根据权利要求3所述的时均流驱动摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述圆筒形摩擦纳米发电机(62)包括至少N个圆筒形摩擦纳米发电机单元和发电机支架(624)；N为正整数且满足N≥1；N个圆筒形摩擦纳米发电机单元同轴且沿谐振管(5)径向等间距分布；每个圆筒形摩擦纳米发电机单元沿径向从内到外依次包括第一背电极层(6211)、第一高分子材料薄膜层(6212)、第一金属材料薄膜层(6213)、基底(6214)、第二金属材料薄膜层(6215)、第二高分子材料薄膜层(6216)和第二背电极层(6217)；所述第一背电极层(6211)和第一金属材料薄膜层(6213)通过外电路连接；所述第二背电极层(6217)和第二金属材料薄膜层(6215)通过外电路连接。

6.根据权利要求5所述的时均流驱动摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述圆筒形摩擦纳米发电机单元的个数N为3。

7.一种基于权利要求1-6之一所述装置实现的时均流驱动摩擦纳米发电方法，所述方法包括：

步骤1)时均流经过渐缩喷管(1)使得气流流速增加，气流动能随之增加，再经整流丝网(2)整流，在驱动管(3)内流动趋于均匀和稳定；

步骤2)当时均流通过驱动管(3)和谐振管(5)的连接处时，在谐振管(5)内建立起一个稳定的驻波声场；

步骤3)摩擦纳米发电机在时均流产生的压力波作用下产生形变，使得两个不同的摩擦层之间周期性接触和分离，在接触起电和静电感应的耦合作用下，声场能转化为电能输出。