CN110445304A - 基于摩擦纳米发电机的野外能量收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于摩擦纳米发电机的野外机械能收集装置，包括动力部分、传动部分、起电部分和支撑部分。动力部分可以是风杯、涡轮、手摇部件或任意两种组合，它可以将外界的机械能如风能、水能以及人力转换为该装置所需要的转动能。传动部分主要是通过轴系零部件来将所获得的转动传递给起电部分，使起电材料能够相互摩擦起电。起电部分包括外、中、内三层摩擦层，它们之间相互摩擦起电。支撑部分起到固定和支撑该装置的作用。本发明基于摩擦纳米发电机的原理实现自然界中低频机械能的收集，使野外作业的持续供电成为可能。

Description

基于摩擦纳米发电机的野外能量收集装置
技术领域
本发明涉及能量收集利用技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的野外能量收集装置。
背景技术
对于长时间的野外作业任务，由于野外缺乏基本的能源基础设施，也很难有可靠有力的能源保障，任务执行人员在长时间执行任务、耗完所携带能源之后可能面临能源短缺的严重问题。这时能源对任务是否能够成功完成、人员能否安全归队等都至关重要。针对野外独立能源需求，通常采用风力发电机或太阳能发电来应对，但这类技术装备笨重占用体积大，不易携带，而且造价以及安装费用高昂，所以亟需发展可靠适用高效的面向野外能源需求的发电技术。
野外虽然没有可以直接可用的电能，但是有丰富的低频机械能，如风能、水能和人体运动能量等。对于较低频率的机械能，电磁发电机的输出非常小，很难被收集利用。自摩擦纳米发电机发明以来，因其质量轻、成本低、体积小、可收集多种形式能量的特点而得到迅速发展，特别是在低频率（0.1-5HZ）的条件下，其输出效率远高于电磁发电机，所以摩擦纳米发电机在收集低频机械能时有独特的优势。
自2012年王中林等人发明摩擦纳米发电机以来，摩擦纳米发电机被广泛用来收集各式各样的机械能，包括风能、水能、人体运动能、振动能以及机械触发等（Wang Z L.Triboelectric Nanogenerators as New Energy Technology for Self-PoweredSystems and as Active Mechanical and Chemical Sensors. ACS Nano, 2013,7(11):9533-9557.）。近年来，摩擦纳米发电机在收集机械能方面的发展更趋向于复合能量的收集，不在仅仅局限于某一种机械能的收集，Xi等人发明了一种可以同时收集水波能、水流能和风能的摩擦纳米发电机，当动力装置是风杯时，用于收集风能；当动力装置更换为涡轮时，用于收集水流能；侧面的栅格状的电极用于收集水的波动能（Xi Y, Guo H, Zi Y, etal. Multifunctional TENG for Blue Energy Scavenging and Self-Powered Wind-Speed Sensor. Advanced Energy Materials, 2017,7(12):1602397.）。这种摩擦纳米发电机以主要收集水流能或者主要收集风能为主，只是做到了一机多用，并没有做到可以同时收集风能和水流能，此外使用场景限定在水面上。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于摩擦纳米发电机的野外能量收集装置。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于摩擦纳米发电机的野外能量收集装置，包括支撑部分、传动部分、动力部分和起电部分；
所述支撑部分包括上支撑架、下支撑架和固定板，所述上支撑架、下支撑架均固定在所述固定板上；
所述传动部分包含上输入轴、上轴承、下输入轴和下轴承，其中，所述上输入轴通过轴承和所述上支撑架相连，所述下输入轴通过下轴承和所述下支撑架相连；所述上输入轴、下输入轴同轴设置且分别穿过上支撑架、下支撑架；
所述起电部分设置在上支撑架、下支撑架之间，由外至内依次包括外摩擦筒、中摩擦筒和内摩擦筒；所述外摩擦筒为两端开孔的中空圆柱体、固定于下支撑架上；所述中摩擦筒为上端开口、下端封闭的空心圆柱体，其下端面中心和所述下输入轴的上端固连；所述内摩擦筒为圆柱体、其中心设有和所述上输入轴匹配的通孔，所述内摩擦筒和上输入轴下端固连；所述外摩擦筒、中摩擦筒、内摩擦筒、上输入轴、下输入轴同轴，且外摩擦筒和中摩擦筒之间、中摩擦筒和内摩擦轴之间均形成摩擦起电层；
所述动力部分包含第一动力单元和第二动力单元，分别设置在上输入轴的上端和下输入轴的下端，用于带动上输入轴和下输入轴转动、且使得上输入轴、下输入轴的转动方向相反。
作为本发明基于摩擦纳米发电机的野外能量收集装置进一步的优化方案，所述第一动力单元采用风杯、涡轮、手摇部件中的任意一种，所述第二动力单元采用风杯、涡轮、手摇部件中的任意一种。
作为本发明基于摩擦纳米发电机的野外能量收集装置进一步的优化方案，所述的外摩擦筒、中摩擦筒、内摩擦轴的摩擦界面上均设有栅状电极，以产生高功率密度的电能。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过上下两个动力部分驱动，使该装置形成外、中、内三层摩擦起电层，将外部的机械能转化为电能。该装置可以通过更换不同的动力部件同时收集风能、水能、和人体运行能，使其具有更广阔的应用场景。在两对摩擦副上预先施加不同载荷，使装置即使在外部能量较小的情况照样可以收集机械能发电，而在风能等外部能量较大情况可以更高效地收集外部能量发电。同时，由于上下两个传动部分的转向相反，使得中筒-内轴形成的摩擦起电层在相同的转速下具有更高的功率密度，为高功率发电提供参考。此外，该装置成本低、便于制作、体积小，便于携带，为野外发电提供了技术支持。若将多个这样的装置并联，将会形成一个发电网络，使高功率发电稳定电流输出成为可能。
附图说明
图1是本发明基于摩擦纳米发电机的野外能量收集装置其中一种实施案例的结构示意图。
图中，1-下风杯，2-下输入轴，3-下轴承，4-下轴端挡圈，5-外摩擦筒，6-中摩擦筒，7-内摩擦轴，8-上轴端挡圈，9-上输入轴，10-上轴套，11-上轴承，12-上风杯，13-上支撑架，14-固定板，15-下支撑架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明公开了一种基于摩擦纳米发电机的野外能量收集装置，包括支撑部分、传动部分、动力部分和起电部分；
所述支撑部分包括上支撑架、下支撑架和固定板，所述上支撑架、下支撑架均固定在所述固定板上；
所述传动部分包含上输入轴、上轴承、下输入轴和下轴承，其中，所述上输入轴通过轴承和所述上支撑架相连，所述下输入轴通过下轴承和所述下支撑架相连；所述上输入轴、下输入轴同轴设置且分别穿过上支撑架、下支撑架；
所述起电部分设置在上支撑架、下支撑架之间，由外至内依次包括外摩擦筒、中摩擦筒和内摩擦筒；所述外摩擦筒为两端开孔的中空圆柱体、固定于下支撑架上；所述中摩擦筒为上端开口、下端封闭的空心圆柱体，其下端面中心和所述下输入轴的上端固连；所述内摩擦筒为圆柱体、其中心设有和所述上输入轴匹配的通孔，所述内摩擦筒和上输入轴下端固连；所述外摩擦筒、中摩擦筒、内摩擦筒、上输入轴、下输入轴同轴，且外摩擦筒和中摩擦筒之间、中摩擦筒和内摩擦轴之间均形成摩擦起电层；
所述动力部分包含第一动力单元和第二动力单元，分别设置在上输入轴的上端和下输入轴的下端，用于带动上输入轴和下输入轴转动、且使得上输入轴、下输入轴的转动方向相反。
所述第一动力单元可以采用风杯、涡轮、手摇部件中的任意一种，第二动力单元也可以采用风杯、涡轮、手摇部件中的任意一种，例如，第一动力单元采用风杯、第二动力单元采用手摇部件，或者第一动力单元、第二动力单元均采用风杯，当第一动力单元、第二动力单元均采用风杯时，为了使得上输入轴、下输入轴的转动方向相反，两者的安装方向要相反。
所述的外摩擦筒、中摩擦筒、内摩擦轴的摩擦界面上优先设有栅状电极，以产生高功率密度的电能。
图1中，上输入轴通过上轴承和上支撑架相连时，通过在上输入轴上设置的轴肩和上支撑架上设置的凸起定位上轴承，并通过上轴套和上输入轴下端的上轴端挡圈轴向固定内摩擦筒；下输入轴通过下轴承和下支架相连时，下输入轴上设置的轴肩和下支撑架上的凸起固定下轴承，同时通过设置下轴端挡圈以进一步保证中摩擦筒的轴线固定。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于摩擦纳米发电机的野外能量收集装置，其特征在于，包括支撑部分、传动部分、动力部分和起电部分；
所述支撑部分包括上支撑架、下支撑架和固定板，所述上支撑架、下支撑架均固定在所述固定板上；
所述传动部分包含上输入轴、上轴承、下输入轴和下轴承，其中，所述上输入轴通过轴承和所述上支撑架相连，所述下输入轴通过下轴承和所述下支撑架相连；所述上输入轴、下输入轴同轴设置且分别穿过上支撑架、下支撑架；
所述起电部分设置在上支撑架、下支撑架之间，由外至内依次包括外摩擦筒、中摩擦筒和内摩擦筒；所述外摩擦筒为两端开孔的中空圆柱体、固定于下支撑架上；所述中摩擦筒为上端开口、下端封闭的空心圆柱体，其下端面中心和所述下输入轴的上端固连；所述内摩擦筒为圆柱体、其中心设有和所述上输入轴匹配的通孔，所述内摩擦筒和上输入轴下端固连；所述外摩擦筒、中摩擦筒、内摩擦筒、上输入轴、下输入轴同轴，且外摩擦筒和中摩擦筒之间、中摩擦筒和内摩擦轴之间均形成摩擦起电层；
所述动力部分包含第一动力单元和第二动力单元，分别设置在上输入轴的上端和下输入轴的下端，用于带动上输入轴和下输入轴转动、且使得上输入轴、下输入轴的转动方向相反。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的野外能量收集装置，其特征在于，所述第一动力单元采用风杯、涡轮、手摇部件中的任意一种，所述第二动力单元采用风杯、涡轮、手摇部件中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的野外能量收集装置，其特征在于，所述的外摩擦筒、中摩擦筒、内摩擦轴的摩擦界面上均设有栅状电极，以产生高功率密度的电能。
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