CN107124118B - 一种摩擦纳米发电机的能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种摩擦纳米发电机的能量收集装置，包括可变形和/或可压缩的壳体，壳体包括：肩部；由肩部的内侧缘向上延伸的颈部，颈部构造成中空的，以使得颈部限定形成第一空腔，摩擦纳米发电机设置在第一空腔内；由肩部的外侧缘向下延伸的侧壁；底壁，底壁与侧壁限定形成第二空腔，底壁的材料选择成柔性材料，以使得底壁能在外界作用力下发生形变；其中，第二空腔与第一空腔相连通，以使得第二空腔内的空气在底壁发生形变时被引导至第一空腔，或者第一空腔内的空气在底壁发生形变时被抽吸至第二空腔，以驱动摩擦纳米发电机在空气流动时进行工作，从而将外部机械能转化为电能。本发明的收集装置能量收集效率高，并且底壁和侧壁密封性好。

Description

一种摩擦纳米发电机的能量收集装置

技术领域

本发明涉及能量收集装置，特别是涉及一种摩擦纳米发电机的能量收集装置。

背景技术

海洋是巨大的能源宝库，其能量足以满足整个人类的能源需求，针对海洋能的收集主要是收集其周期性的运动动能，主要包括潮汐、波浪、洋流等。目前，其采集主要是基于电磁感应的方式，但该方式存在诸多弊端：首先，电磁感应发电机主要是由质量较大的磁铁和线圈构成，致使整个装置不能浮在水体的表面，需依靠一个漂浮的平台来支撑；其次，电磁线圈和磁铁无法承受长时间的海水腐蚀，抗海水腐蚀能力较差；再次，电磁发电机只能采集定向水流的能量，方向性比较单一，但是海洋中的波浪、潮汐和洋流等运动无规律，很难利用电磁发电机对其进行能量收集；同时，电磁感应发电机造价昂贵，使其很难被大面积安置在海洋的表面以进行海洋能的采集。最后，由于海洋的运动频率仅有0.1～2赫兹，最高也仅为5赫兹，在该频率下电磁发电机的输出非常小，很难被收集利用。基于以上这些弊端，已提出的海洋能采集技术收集的能量效率很不理想。

近年来提出的摩擦发电机，其质量轻、体积小、用材便宜、可收集运动模式多样，更重要的是在低频率(0.1～5赫兹)条件下，其输出效率远高于电磁发电机，为摩擦发电机在海洋能收集领域的应用提供了理论基础。

虽然摩擦纳米发电机应用在收集海洋能上相比于电磁发电机有一定的优势。但是也存在一些问题，比如密封和效率问题。由于空气中存在着大量的水汽，尤其是海洋周围，水蒸气会带走摩擦产生的大量电荷，从而降低输出，因此，摩擦纳米发电机应该放在一个密闭的装置里收集机械能。这是我们面临解决的一个大问题；其次，由于海洋运动频率很低，摩擦纳米发电机的收集效率也是随着海洋运动频率的降低而降低，所以，在海洋能上收集效率很低，因此，我们应尽可能的提高摩擦纳米发电机的效率。

在此基础之上，已提出了多种切实可行的基于摩擦发电机的海洋能收集方法，主要分为以下三类：第一类方法是通过固液界面摩擦发电从而收集蓝色能源，一般认为，摩擦起电现象只有在相对干燥的条件下才能发生，但是水与特定的材料之间也会发生摩擦并且能够促使材料表面带有电荷，从而收集能量。这种方法存在的一个重要问题就是在实验室我们采用的液体是没有离子存在的去离子水，而在实际应用的海洋上，由于海水里存在着大量的盐以及其他离子，这些离子具有极大的导电性，与摩擦材料摩擦时，一方面水与材料摩擦产生电荷，一方面这些水中存在的离子会直接与这些电荷接触，把摩擦产生的大部分电荷转移走，大大削弱摩擦纳米发电机的输出，所以，在其走向实用化的道路上仍然存在着一些没有解决的问题。第二类方法是利用摩擦与电磁混合发电机收集蓝色能源，这种方法收集海洋能解决了摩擦纳米发电机的密封的问题，但是引入了磁铁，可能会造成磁铁对海洋生物以及过往船只的影响，而且摩擦纳米发电机和电磁发电机的输出得不到良好的匹配，海洋运动的频率也比较低，总体对外输出效果不佳。第三类方法是通过海浪冲击触动摩擦发电机从而收集蓝色能源，这种模式也是存在海洋运动的频率太低，器件运动与海洋运动发生共振，使得摩擦发电机内部无相对运动，整体对机械能的收集效率不高的问题。

所以，针对以上各种问题，我们提出了一种新型的不需要大量磁铁便可以解决摩擦纳米发电机密封问题，又能提高海洋能量收集效率的一种封装和收集方法。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种摩擦纳米发电机的能量收集装置，目的是为了能在不需要大量磁铁的情况下便可以解决摩擦纳米发电机密封问题，又能提高海洋能量收集效率的一种封装和收集方法。

特别地，本发明提供的一种摩擦纳米发电机的能量收集装置，包括可变形和/或可压缩的壳体，所述壳体包括：

肩部；

由所述肩部的内侧缘向上延伸的颈部，所述颈部构造成中空的，以使得所述颈部限定形成第一空腔，所述摩擦纳米发电机设置在所述第一空腔内；

由所述肩部的外侧缘向下延伸的侧壁；

底壁，所述底壁与所述侧壁限定形成第二空腔，所述底壁的材料选择成柔性材料，以使得所述底壁能在外界作用力下发生形变；

其中，所述第二空腔与所述第一空腔相连通，以使得所述第二空腔内的空气在所述底壁发生形变时被引导至所述第一空腔，或者所述第一空腔内的空气在所述底壁发生形变时被抽吸至所述第二空腔，以驱动所述摩擦纳米发电机在所述空气流动时进行工作，从而将外部机械能转化为电能。

进一步地，所述第二空腔的体积远大于所述第一空腔的体积，以使得空气流经所述第一空腔时的流动速度较大。

进一步地，所述颈部具有：

第一端部，用于将所述颈部和所述肩部相连；和

与所述第一端部相反的第二端部，所述第二端部处形成一开口，以使得所述第一空腔和所述第二空腔内的空气能与外部空气进行交换。

进一步地，所述第一空腔内具有：

导流元件，用于引导所述空气沿一流动路径流经所述第一空腔，使得在所述摩擦纳米发电机处具有较大的流动速度。

进一步地，所述导流元件包括：

第一挡块，其构造成从所述第一端部开始向所述第一空腔延伸；和

第二挡块，其构造成从所述第二端部开始向所述第一空腔延伸，并且所述第二挡块与所述第一挡块对称地设置在所述颈部的轴线的两侧。

进一步地，所述第一挡块构造成从所述第一端部开始以一预设角度向所述第一空腔延伸，其中，所述预设角度选择成能够使得所述摩擦纳米发电机处具有较大的空气流动速度。

进一步地，所述第二挡块构造成从所述第二端部开始以所述预设角度向所述第一空腔延伸。

进一步地，所述摩擦纳米发电机包括：

定子组件；

动子组件；和

与所述动子组件相连的风翼，所述风翼构造成能够在所述空气流动时进行转动，以带动所述动子组件进行转动，使得所述动子组件和所述定子组件发生相对滑动，进而向外输出电信号。

进一步地，所述摩擦纳米发电机的工作模式还可以为接触分离式和滑动平移式。

与传统的摩擦纳米发电机直接获取机械能的能量获取机制相比，本发明的方案，由于设置了能量收集装置，使得摩擦纳米发电机的能量获取机制由传统的直接获取转变为间接获取。此处“直接获取”是指摩擦纳米发电机直接利用外部机械能进行工作。“间接获取”是指摩擦纳米发电机不是直接利用外部机械能进行工作，而是将外部机械能进行收集、放大之后再利用放大后的外部机械能进行工作。可以将本发明的能量收集装置应用在风能、潮汐能等来收集机械能进而使得摩擦纳米发电机进行发电。本发明的收集装置能量收集效率高，并且底壁和侧壁密封性好，解决了摩擦纳米发电机密封问题以及收集蓝色能源时对机械能的收集效率不高的问题。

进一步地，本发明的方案，由于能通过对底壁的柔性材料的挤压，使得柔性材料可以发生形变，从而改变空腔内的压强，使得第二空腔内的空气可以被引导至第一空腔，或者使得第一空腔内的空气被抽吸至第二空腔，如此，可以驱动摩擦纳米发电机进行工作，以向外输出电信号。又由于第二空腔的体积远大于第一空腔的体积，使得在空气流经第一空腔时，能够在第一空腔内产生极大的压强，以将外部机械能放大后驱动摩擦纳米发电机工作。此外，由于在第一空腔内设置导流元件，进一步增强了摩擦纳米发电机处的空气流动速度，对外部机械能产生了进一步放大的作用。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的能量收集装置的示意性结构图；

图2是图1所示摩擦纳米发电机的示意性立体图；

图3是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机在不同运动频率下运动输出的短路电流；

图4是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机在不同运动频率下运动输出的开路电压；

图5是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机在不同运动频率下运动的电量输出；

图6是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机在不同运动频率下运动的充电容曲线。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机170的能量收集装置100的示意性结构图。该能量收集装置100例如可以与现有的海洋发电站结合，将该能量收集装置100设置在发电站的底部以收集潮汐能。如图1所示，该能量收集装置100可以包括一可变形和/或可压缩的壳体。该壳体可以包括肩部110、颈部120、侧壁130和底壁140。该颈部120由肩部110的内侧缘向上延伸，并且构造成中空的，以使得该颈部120限定形成第一空腔150，摩擦纳米发电机170设置在该第一空腔150内。该侧壁130由肩部110的外侧缘向下延伸。该底壁140与该侧壁130的下方相连，并且设置成密闭的。该底壁140与该侧壁130限定形成第二空腔160，该底壁140的材料选择成柔性材料，以使得底壁140能在外界作用力下发生形变。其中，该第二空腔160与该第一空腔150相连通，以使得第二空腔160内的空气在底壁140发生形变时被引导至第一空腔150，或者该第一空腔150内的空气在底壁140发生形变时被抽吸至第二空腔160，以驱动摩擦纳米发电机170在空气流动时进行工作，从而将外部机械能转化为电能。在一个实施例中，该壳体是由厚度为5mm的亚克力板构成，底壁140的柔性材料一方面可以产生形变，使得空腔内形成气压差，另一方面可以对整个能量收集装置100进行密封。

在该实施例中，由于海水会对底壁140的柔性材料进行挤压，使得柔性材料被压缩，如图1所示，柔性材料向第二空腔160内挤压，从而使得第二空腔160的体积减小，使得大体积的第二空腔160内的空气被挤压到小体积的第一空腔150内，可以在第一空腔150内产生极大的压强，如此实现了对外部机械能的收集以及放大。或者由于海水会对柔性材料进行挤压，使得柔性材料被拉伸，如图1所示，柔性材料向远离该第二空腔160的方向移动，从而使得第二空腔160的体积增大，使得第二空腔160对第一空腔150内的空气产生抽吸作用，由于大体积的第二空腔160需要抽吸较多的空气，使得对第一空腔150的抽吸作用力较大，进而在第一空腔150内产生极大的负压，如此实现了对机械能的收集以及放大。当然，可以理解的是，本发明中的能量收集装置100也可以收集风能等能够使得底壁140发生形变的能量。

如图1所示，为了增大对机械能的收集，使得在该摩擦纳米发电机170处具有较大的空气流动速度，该第二空腔160的体积要远大于该第一空腔150的体积。为了使得空腔内的空气能够与外部空气进行交换，该颈部120设置有一开口。该颈部120具有第一端部和与该第一端部相反的第二端部。该第一端部用于将颈部120和肩部110相连。该第二端部形成该开口，使得第一空腔150和第二空腔160内的空气能够与外部空气进行交换。

为了进一步增大对机械能的收集，该能量收集装置100可以还包括导流元件。该导流元件用于引导空气沿一流动路径流经第一空腔150，使得在摩擦纳米发电机170处具有较大的流动速度。在一个实施例中，该导流元件可以包括第一挡块181和第二挡块182。该第一挡块181构造成从该第一端部开始向该第一空腔150延伸。该第二挡块182构造成从该第二端部开始向该第一空腔150延伸，并且该第二挡块182与该第一挡块181对称地设置在该颈部120的轴线的两侧。该第一挡块181和第二挡块182的数量可以各为一个，也可以各为多个。在图1所示的实施例中，该第一挡块181构造成从该第一端部开始沿着垂直于颈部120轴线的方向向该第一空腔150延伸。该第二挡块182构造成从该第二端部开始沿着垂直于颈部120轴线的方向向该第一空腔150延伸。在其他实施例中，该第一挡块181和第二挡块182可以构造成流线型或其他形状，只要能够使得摩擦纳米发电机170处具有较大的空气流动速度即可。

与传统的摩擦纳米发电机170直接获取机械能的能量获取机制相比，本发明的方案，由于设置了能量收集装置100，使得摩擦纳米发电机170的能量获取机制由传统的直接获取转变为间接获取。此处“直接获取”是指摩擦纳米发电机170直接利用外部机械能进行工作。“间接获取”是指摩擦纳米发电机170不是直接利用外部机械能进行工作，而是将外部机械能进行收集、放大之后再利用放大后的外部机械能进行工作。可以将本发明的能量收集装置100应用在风能、潮汐能等来收集机械能进而使得摩擦纳米发电机170进行发电。本发明的收集装置能量收集效率高，并且底壁140和侧壁130密封性好，解决了摩擦纳米发电机170密封问题以及收集蓝色能源时对机械能的收集效率不高的问题。

本发明实施例的能量收集装置100可以适用于所有工作模式的摩擦纳米发电机170，例如可以是接触分离式、滑动平移式、转动式等。图2示出了图1所示摩擦纳米发电机170的示意性立体图。如图2所示，在本发明实施例中，摩擦纳米发电机170可以包括外壳172、定子组件174、动子组件171和与风翼173。该摩擦纳米发电机170通过该外壳172固定在第一腔室内。该风翼173设置在该外壳172上，并与动子组件171相连，能够在外界作用力下带动该动子组件171转动。该定子组件174与该动子组件171相对设置，并且该定子组件174固定在该第一腔室内。在一个具体的实施例中，该动子组件171包括第一基底1711和扇形泡沫1722。其中，该第一基底1711的材料选择为亚克力板，且该亚克力板的直径为94mm，厚度为5mm。通过激光切割的方法制备获得六个圆心为30°，半径为80mm的扇形泡沫1722，并将制备得到的六个扇形泡沫1722围绕第一基底1711的圆心等间隔排布。该定子组件174包括第二基板1741、第一电极1742、第二电极1743和摩擦材料层1744。该第二基板1741的材料选择为亚克力板，该亚克力板的直径也可以为94mm，厚度为5mm。在该第二基板1741上刻蚀出六个距圆心80mm的扇形区域，深度为2mm的凹槽，即该扇形区域与上述扇形泡沫1722的形状以及大小保持一致。在该第二基板1741除六个扇形区域处利用磁控溅射的方式镀上一层金属铜或金属铝作为第一电极1742。在该六个扇形区域处利用磁控溅射的方式镀上一层金属铜或金属铝作为第二电极1743。该摩擦材料层1744可以为高分子摩擦材料，例如聚四氟乙烯。该外壳172由厚度为3mm，宽度80mm，直径为130mm的亚克力圆管构成。该风翼173的数量为多个，每一风翼173由厚度为2mm，长宽为50mm*50mm的亚克力板构成。

上述摩擦纳米发电机170产生电的原理为，该风翼173在空气流动时进行转动，带动动子组件171进行转动，使扇形泡沫1722和摩擦材料层1744发生相对滑动，由此使得动子组件171处的电子转移到摩擦材料层1744，并通过第一电极1742和第二电极1743输出电信号。

图3至图6是本发明一个实施例的效果说明图。图3示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机170在不同运动频率下运动所输出的短路电流。从图3中可以看出短路电流的输出随着转子转速的提高而不断提高，在转速为100转/分的转速下，短路电流的输出为5微安左右，当转速达到500转/分时，短路电流的输出可以达到20微安以上，相对来说输出性能优异。图4示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机170在不同运动频率下运动所输出的开路电压。从图4中可以看出开路电压的输出随着动子转速的改变而保持不变，与理论一致，开路电压的输出可以达到400伏左右的高电压。图5示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机170在不同运动频率下运动的电量输出。从图5中可以看出电量的输出随着转子转速的改变保持不变，因为电量与接触的面积有关，所以不会随速度的变化发生改变，电量的输出可以达到120纳库左右。图6示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机170在不同运动频率下运动的充电容曲线。从图6中的可以看出，动子在不同的转速下，摩擦纳米发电机170给电容器充电的快慢是不一样的，随着转速的提高，充电速度逐渐提高。在低速转速为100转/分的时候，给指定电容器充电达到5伏需要用3分钟的时间，在500转/分的转速下，给指定电容器充电达到5伏的电压仅仅需要一分钟就可以达到，所以此装置有良好的输出性能，而且提高转速也会提高效率。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种摩擦纳米发电机的能量收集装置，包括可变形和/或可压缩的壳体，所述壳体包括：

肩部；

由所述肩部的内侧缘向上延伸的颈部，所述颈部构造成中空的，以使得所述颈部限定形成第一空腔，所述摩擦纳米发电机设置在所述第一空腔内；

由所述肩部的外侧缘向下延伸的侧壁；

底壁，所述底壁与所述侧壁限定形成第二空腔，所述底壁的材料选择成柔性材料，以使得所述底壁能在外界作用力下发生形变；

其中，所述第二空腔与所述第一空腔相连通，以使得所述第二空腔内的空气在所述底壁发生形变时被引导至所述第一空腔，或者所述第一空腔内的空气在所述底壁发生形变时被抽吸至所述第二空腔，以驱动所述摩擦纳米发电机在所述空气流动时进行工作，从而将外部机械能转化为电能。

2.根据权利要求1所述的能量收集装置，其中，所述第二空腔的体积远大于所述第一空腔的体积，以使得空气流经所述第一空腔时的流动速度较大。

3.根据权利要求1或2所述的能量收集装置，其中，所述颈部具有：

第一端部，用于将所述颈部和所述肩部相连；和

与所述第一端部相反的第二端部，所述第二端部处形成一开口，以使得所述第一空腔和所述第二空腔内的空气能与外部空气进行交换。

4.根据权利要求3所述的能量收集装置，其中，所述第一空腔内具有：

导流元件，用于引导所述空气沿一流动路径流经所述第一空腔，使得在所述摩擦纳米发电机处具有较大的流动速度。

5.根据权利要求4所述的能量收集装置，其中，所述导流元件包括：

第一挡块，其构造成从所述第一端部开始向所述第一空腔延伸；和

第二挡块，其构造成从所述第二端部开始向所述第一空腔延伸，并且所述第二挡块与所述第一挡块对称地设置在所述颈部的轴线的两侧。

6.根据权利要求5所述的能量收集装置，其中，所述第一挡块构造成从所述第一端部开始以一预设角度向所述第一空腔延伸，其中，所述预设角度选择成能够使得所述摩擦纳米发电机处具有较大的空气流动速度。

7.根据权利要求6所述的能量收集装置，其中，所述第二挡块构造成从所述第二端部开始以所述预设角度向所述第一空腔延伸。

8.根据权利要求1所述的能量收集装置，其中，所述摩擦纳米发电机包括：

定子组件；

动子组件；和

与所述动子组件相连的风翼，所述风翼构造成能够在所述空气流动时进行转动，以带动所述动子组件进行转动，使得所述动子组件和所述定子组件发生相对滑动，进而向外输出电信号。

9.根据权利要求1所述的能量收集装置，其中，所述摩擦纳米发电机的工作模式还可以为接触分离式和滑动平移式。