CN110429855A - 一种利用风能的摩擦发电装置 - Google Patents
一种利用风能的摩擦发电装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110429855A CN110429855A CN201910815477.8A CN201910815477A CN110429855A CN 110429855 A CN110429855 A CN 110429855A CN 201910815477 A CN201910815477 A CN 201910815477A CN 110429855 A CN110429855 A CN 110429855A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- power generator
- friction
- baffle
- nanometer power
- wind energy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/04—Friction generators
Landscapes
- Wind Motors (AREA)
Abstract
本发明公开了一种利用风能的摩擦发电装置，通过风力扇叶带动带推板的滑块机构往复运动实现滑块上的挡板往复运动，配合带挡板的箱体上的立板对摩擦纳米发电机进行循环压紧及释放，实现各摩擦纳米发电机中第一摩擦单元与第二摩擦单元的周期性接触与分离，最终实现摩擦发电装置的持续发电。本发明可直接放置在自然环境中收集风能，驱动摩擦纳米发电机发电，这种创新性的设计为推动摩擦纳米发电机的实际应用提供了非常好的实际推广方向和思路，本发明的利用风能的摩擦发电装置完全实现了利用自然界风能实现摩擦纳米发电机的自驱动发电。
Description
技术领域
本发明属于摩擦发电装置技术领域，具体涉及一种利用风能的摩擦发电装置。
背景技术
随着电子数量的激增，基于电池的能源存储技术已很难实现对于遍布于世界各地数以万计的传感器电池的维护和更换，在这种情况下，一种能够收集周围环境中机械能转化为电能以驱动传感器的可替代方案就显得非常有应用前景，这种技术方案对微纳能源的开发利用也提出了创新性的思路。
2012年王中林团队发明了摩擦纳米发电机（TENG），这是一种基于摩擦起电和静电感应相耦合进行发电的一种新兴技术，摩擦纳米发电机依赖于介电常数相差较大的两种材料物理表面的机械接触与分离进行发电，因此这种发电技术在一定程度上依赖于不同介电特性的材料选择和机械结构的合理设计，以应用于不同的环境中。然而现有摩擦纳米发电机的机械结构多数依旧停留在实验阶段，多数采用定制的亚克力板、辅助弹簧、聚亚酰胺柔性胶片、塑料板等材料进行组合以构建基本结构，然而这些拼装组合的机械结构实际使用过程中往往存在结构稳定性上的缺陷，如不耐用、结构稳定性差，尤其一些多层集成的结构，制作复杂度和精度要求较高，这些缺陷无疑在一定程度上限制了摩擦纳米发电机的实际推广应用，束缚了摩擦纳米发电机的产业化应用发展。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种制作简单、结构稳定、经久耐用且实用性强的利用风能的摩擦发电装置，该摩擦发电装置能够有效实现将风能转化为驱动摩擦纳米发电机的动能进行持续发电。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种利用风能的摩擦发电装置，其特征在于包括带挡板的箱体及设置于带挡板的箱体上的摩擦纳米发电机和带推板的滑块机构，带推板的滑块机构上的滑块与带挡板的箱体上的相对立板上部的滑动孔滑动配合，摩擦纳米发电机的弹性基底一侧边板与带挡板的箱体上的挡板相对贴合，摩擦纳米发电机的弹性基底另一侧边板与带推板的滑块机构滑块上的推板相对贴合，带推板的滑块机构滑块的一端与曲柄机构一端突出的滚轴连接，曲柄机构另一端与风力扇叶驱动的转轴一端通过相配的键槽和平键进行连接，转轴通过轴承支座及螺栓紧固件固定于带挡板的箱体底板上，通过风力扇叶带动带推板的滑块机构往复运动实现滑块上的挡板往复运动，配合带挡板的箱体上的立板对摩擦纳米发电机进行循环压紧及释放，实现各摩擦纳米发电机中第一摩擦单元与第二摩擦单元的周期性接触与分离，最终实现摩擦发电装置的持续发电。
优选的，所述弹性基底包括一组或多组相互连接的基底单元，该基底单元由多层平行相对设置的底板及依次连接多层底板的折波板构成，基底单元中相邻底板的相对侧分别设有第一摩擦单元和第二摩擦单元构成摩擦发电单元，第一摩擦单元中第一摩擦层作为金属电极粘附于弹性基底的底板上，第二摩擦单元中第二摩擦层粘附于背电极上，该背电极粘附于弹性基底的底板上，分别将第一摩擦单元中的金属电极并联和第二摩擦单元中的背电极并联以完成摩擦纳米发电机的制作。
优选的，所述弹性基底以热塑性弹性体为耗材采用3D打印技术整体逐层成型，无需装配和紧固件对结构进行拼装组合。
优选的，所述第一摩擦层和背电极均为介电常数较大的金属铝箔，第二摩擦层为聚四氟乙烯薄膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明可直接放置在自然环境中收集风能，驱动摩擦纳米发电机发电，这种创新性的设计为推动摩擦纳米发电机的实际应用提供了非常好的实际推广方向和思路，本发明的利用风能的摩擦发电装置完全实现了利用自然界风能实现摩擦纳米发电机的自驱动发电。
2、本发明中摩擦纳米发电机的弹性基底由3D打印技术结合弹性材料打印制成，一体化成型，多层结构可定制化集成，最主要的这种多层的弹性结构结合这种弹性热塑性材料，赋予摩擦纳米发电机经久耐用、回弹特性良好、自定义集成以控制输出特性等优势。
3、本发明中摩擦纳米发电机的弹性基底使用3D打印这种新技术进行数字化加工制作，加工制作方便快捷、个性化调控结构尺寸方便、更易于实现批量化定制生产，这对推动摩擦纳米发电机的推广应用和走产业化道路起到助推作用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中弹性基底的结构示意图；
图3是本发明中摩擦纳米发电机的整体展示图和局部放大图；
图4是本发明利用风能的摩擦发电装置的开路电压特性图；
图5是本发明利用风能的摩擦发电装置的短路电流特性图。
图中：1-带挡板的箱体，2-带推板的滑块机构，3-曲柄机构，4-转轴，5-风力扇叶，6-螺栓紧固件，7-轴承支座，8-弹性基底，9-第一摩擦层，10-第二摩擦层，11-背电极，12-摩擦纳米发电机。
具体实施方式
结合附图详细描述本发明的技术方案，如图1所示，将装配好的摩擦纳米发电机12放置于带挡板的箱体1底板上并将摩擦纳米发电机12的弹性基底8一侧边板与带挡板的箱体1上的挡板相对贴合后固定，再将带推板的滑块机构2上的滑块与带挡板的箱体1相对立板上部的滑动孔滑动配合，摩擦纳米发电机12的弹性基底8另一侧边板与带推板的滑块机构2滑块上的推板相对贴合，带推板的滑块机构2滑块的一端与曲柄机构3一端突出的滚轴连接，曲柄机构3另一端与风力扇叶5驱动的转轴4一端通过相配的键槽和平键进行连接，转轴4通过轴承支座7及螺栓紧固件6固定于带挡板的箱体1底板上，风力扇叶5固定于转轴4的另一端。当有风吹动时，驱动风力扇叶5转动，通过风力扇叶5将风能转化为转轴4的圆周运动并传输至曲柄机构3上，曲柄机构3的圆周运动带动带推板的滑块机构2滑块左右往复运动实现滑块上的挡板往复运动，配合带挡板的箱体1上的挡板对摩擦纳米发电机12进行循环压紧及释放，实现各摩擦纳米发电机12中第一摩擦单元与第二摩擦单元的周期性接触与分离，最终实现摩擦发电装置的持续发电。
本发明的摩擦发电装置中3D打印制作的多层弹性基底8结构如图2所示，弹性基底8包括一组或多组相互连接的基底单元，该基底单元由多层平行相对设置的底板及连接多层底板的折波板组成。固定摩擦纳米发电机12后的弹性基底8结构如图3所示，弹性基底8的基底单元中相邻底板的相对侧分别设有第一摩擦单元和第二摩擦单元构成摩擦发电单元，第一摩擦单元中第一摩擦层9作为金属电极粘附于弹性基底8的底板上，第二摩擦单元中第二摩擦层10粘附于背电极11上，该背电极11粘附于弹性基底8的底板上，分别将第一摩擦单元中的金属电极并联和第二摩擦单元中的背电极11并联以完成摩擦纳米发电机12的制作，然后将摩擦纳米发电机12放置到如图1所示放置摩擦纳米发电机的位置，以完成整体的利用风能的摩擦发电装置的组装。
本具体实施方式中摩擦纳米发电机的弹性基底使用热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）经3D打印制作而成，由于这种材料具有承载能力强、抗冲击性好、回弹特性优良等特点，弹性基底在受到外力压缩时，使得弹性基底内部的第一摩擦层与第二摩擦层充分接触，当外力撤去时候由于结构的回弹特性，使得第一摩擦层与第二摩擦层完全分离，弹性摩擦纳米发电机在这种接触-分离的过程中由摩擦起电和经典感应的诱导下完成发电过程。
本具体实施方式中第一摩擦单元中的第一摩擦层9采用金属铝箔同时作为金属电极，尺寸为60mm×60mm×120μm；第二摩擦单元中的背电极也采用金属铝箔，尺寸为60mm×60mm×120um，第二摩擦单元中的第二摩擦层为聚四氟乙烯薄膜，尺寸为60mm×60mm×120um。
本具体实施方式中的曲柄机构和带推板的滑块机构经过理论计算后由厚度为1cm的亚克力板制作而成，保证滑块的往复运动距离与弹性摩擦纳米发电机的可压缩距离保持一致，实现摩擦纳米发电机中各摩擦层充分接触与分离。
根据上述工作原理的说明，在有风时检测上述组装的利用风能的摩擦发电装置工作时的输出特性，如图4-5中所示，具有10个摩擦发电单元的弹性摩擦纳米发电机的开路电压可达420V，短路电流可达1.8mA，并且该利用风能的摩擦发电装置可轻易点亮250个LED发光二极管。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明可直接放置在自然环境中收集风能，驱动摩擦纳米发电机进行发电，这种创新性的设计为推动摩擦纳米发电机的实际应用提供了非常好的实际推广方向和思路。本发明设计的利用风能的摩擦发电装置完全实现了利用自然界风能实现摩擦纳米发电机的自驱动发电。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。
Claims (4)
1.一种利用风能的摩擦发电装置，其特征在于包括带挡板的箱体及设置于带挡板的箱体上的摩擦纳米发电机和带推板的滑块机构，带推板的滑块机构上的滑块与带挡板的箱体上的相对立板上部的滑动孔滑动配合，摩擦纳米发电机的弹性基底一侧边板与带挡板的箱体上的挡板相对贴合，摩擦纳米发电机的弹性基底另一侧边板与带推板的滑块机构滑块上的推板相对贴合，带推板的滑块机构滑块的一端与曲柄机构一端突出的滚轴连接，曲柄机构另一端与风力扇叶驱动的转轴一端通过相配的键槽和平键进行连接，转轴通过轴承支座及螺栓紧固件固定于带挡板的箱体底板上，通过风力扇叶带动带推板的滑块机构往复运动实现滑块上的挡板往复运动，配合带挡板的箱体上的立板对摩擦纳米发电机进行循环压紧及释放，实现各摩擦纳米发电机中第一摩擦单元与第二摩擦单元的周期性接触与分离，最终实现摩擦发电装置的持续发电。
2.根据权利要求1所述的利用风能的摩擦发电装置，其特征在于：所述弹性基底包括一组或多组相互连接的基底单元，该基底单元由多层平行相对设置的底板及依次连接多层底板的折波板构成，基底单元中相邻底板的相对侧分别设有第一摩擦单元和第二摩擦单元构成摩擦发电单元，第一摩擦单元中第一摩擦层作为金属电极粘附于弹性基底的底板上，第二摩擦单元中第二摩擦层粘附于背电极上，该背电极粘附于弹性基底的底板上，分别将第一摩擦单元中的金属电极并联和第二摩擦单元中的背电极并联以完成摩擦纳米发电机的制作。
3.根据权利要求1或2所述的利用风能的摩擦发电装置，其特征在于：所述弹性基底以热塑性弹性体为耗材采用3D打印技术整体逐层成型，无需装配和紧固件对结构进行拼装组合。
4.根据权利要求2所述的利用风能的摩擦发电装置，其特征在于：所述第一摩擦层和背电极均为介电常数较大的金属铝箔，第二摩擦层为聚四氟乙烯薄膜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910815477.8A CN110429855A (zh) | 2019-08-30 | 2019-08-30 | 一种利用风能的摩擦发电装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910815477.8A CN110429855A (zh) | 2019-08-30 | 2019-08-30 | 一种利用风能的摩擦发电装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110429855A true CN110429855A (zh) | 2019-11-08 |
Family
ID=68416752
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910815477.8A Pending CN110429855A (zh) | 2019-08-30 | 2019-08-30 | 一种利用风能的摩擦发电装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110429855A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111446883A (zh) * | 2020-03-09 | 2020-07-24 | 河南师范大学 | 一种用于收集风能的摩擦纳米发电机 |
| CN112019083A (zh) * | 2020-08-20 | 2020-12-01 | 河南师范大学 | 一种3d打印的夹心结构摩擦纳米发电机 |
| CN114268239A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-04-01 | 河南师范大学 | 一种基于3d打印的活塞连杆式摩擦纳米发电机 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104373295A (zh) * | 2013-08-15 | 2015-02-25 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 混合式风力发电装置 |
| CN106787930A (zh) * | 2017-01-06 | 2017-05-31 | 北京纳米能源与系统研究所 | 一种弹性结构的摩擦纳米发电机 |
| CN206472050U (zh) * | 2017-02-10 | 2017-09-05 | 纳智源科技（唐山）有限责任公司 | 摩擦发电机模块及发电鞋 |
| CN107342702A (zh) * | 2017-06-23 | 2017-11-10 | 河南师范大学 | 一种多层柔性折叠式摩擦发电机 |
| CN109245597A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-01-18 | 浙江大学 | 一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机及其方法 |
-
2019
- 2019-08-30 CN CN201910815477.8A patent/CN110429855A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104373295A (zh) * | 2013-08-15 | 2015-02-25 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 混合式风力发电装置 |
| CN106787930A (zh) * | 2017-01-06 | 2017-05-31 | 北京纳米能源与系统研究所 | 一种弹性结构的摩擦纳米发电机 |
| CN206472050U (zh) * | 2017-02-10 | 2017-09-05 | 纳智源科技（唐山）有限责任公司 | 摩擦发电机模块及发电鞋 |
| CN107342702A (zh) * | 2017-06-23 | 2017-11-10 | 河南师范大学 | 一种多层柔性折叠式摩擦发电机 |
| CN109245597A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-01-18 | 浙江大学 | 一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机及其方法 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111446883A (zh) * | 2020-03-09 | 2020-07-24 | 河南师范大学 | 一种用于收集风能的摩擦纳米发电机 |
| CN111446883B (zh) * | 2020-03-09 | 2022-06-17 | 河南师范大学 | 一种用于收集风能的摩擦纳米发电机 |
| CN112019083A (zh) * | 2020-08-20 | 2020-12-01 | 河南师范大学 | 一种3d打印的夹心结构摩擦纳米发电机 |
| CN114268239A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-04-01 | 河南师范大学 | 一种基于3d打印的活塞连杆式摩擦纳米发电机 |
| CN114268239B (zh) * | 2021-12-27 | 2024-02-27 | 河南师范大学 | 一种基于3d打印的活塞连杆式摩擦纳米发电机 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tao et al. | Hierarchical honeycomb-structured electret/triboelectric nanogenerator for biomechanical and morphing wing energy harvesting | |
| CN110429855A (zh) | 一种利用风能的摩擦发电装置 | |
| Zhang et al. | All-in-one self-powered flexible microsystems based on triboelectric nanogenerators | |
| Li et al. | Flexible and biocompatible polypropylene ferroelectret nanogenerator (FENG): On the path toward wearable devices powered by human motion | |
| Zhou et al. | Multilayered electret films based triboelectric nanogenerator | |
| CN103368450B (zh) | 利用摩擦电纳米发电机的鞋垫 | |
| CN102710166B (zh) | 一种摩擦发电机 | |
| Guo et al. | Technology evolution from micro-scale energy harvesters to nanogenerators | |
| Rathore et al. | A critical review on triboelectric nanogenerator | |
| CN102684546B (zh) | 一种摩擦发电机 | |
| CN110557045A (zh) | 面向低速旋转运动的摩擦-压电-电磁复合式俘能器 | |
| US20140225475A1 (en) | Ball-electric power generator | |
| US20120181901A1 (en) | Method and Apparatus For Mechanical Energy Harvesting Using Planar Microfluidic Device | |
| CN108054951B (zh) | 一种基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池 | |
| Lin et al. | An airtight-cavity-structural triboelectric nanogenerator-based insole for high performance biomechanical energy harvesting | |
| Liu et al. | Double-induced-mode integrated triboelectric nanogenerator based on spring steel to maximize space utilization | |
| Ji et al. | All-in-one piezo-triboelectric energy harvester module based on piezoceramic nanofibers for wearable devices | |
| Han et al. | High-performance dual-mode triboelectric nanogenerator based on hierarchical auxetic structure | |
| CN109039144A (zh) | 一种基于3d打印技术的柔性摩擦发电装置 | |
| CN108429483B (zh) | 一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机 | |
| Gokana et al. | Scalable preparation of ultrathin porous polyurethane membrane-based triboelectric nanogenerator for mechanical energy harvesting. | |
| CN105490580B (zh) | 一种交叉折叠型摩擦发电机 | |
| CN109818521A (zh) | 一种蜂窝式驻极体/静电能量采集器 | |
| Pongampai et al. | Low-cost fabrication of the highly efficient triboelectric nanogenerator by designing a 3D multi-layer origami structure combined with self-charged pumping module | |
| Wang et al. | Active deformable and flexible triboelectric nanogenerator based on super-light clay |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20191108 |