CN111049419A - 一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，所述发电机为球体，包括水能收集结构和集电装置；所述水能收集结构包括外球和可在外球内移动的内球；所述外球内壁设有第一电极；内球内壁处设有第二电极；所述第一电极、第二电极均与集电装置相连；当发电机在水能作用下运动时，所述内球外壁与外球内壁间因移动接触所得的摩擦电荷形成电压，第一电极、第二电极间的电压在集电装置处转换为可存储的电能；本发明可以同时收集水体拍打和在外壳滑动的机械能，并且360度无死角，空间利用率高，可以有效收集各种形式、幅度、方向的水能，此外，球体内部可以用于集成传感器和电路，应用价值极高。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其是一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机。
背景技术
地球上的水资源丰富，海洋覆盖了地球表面的70%以上。海洋能量是一种重要的可再生清洁能源，目前海水能量主要有潮汐能、海浪能、洋流能、温差能和盐差能，海浪能作为海洋能量开发的一个重要方向，由于缺乏经济的能量转换技术而很少被利用。目前，主要采用电磁发电技术来收集海水波动能量，但是对于较低的海水波动频率和运动模式，其转换效率很低。
一方面需要解决波浪能利用率低的难题，另一方面需要扩大其应用领域和实用性，使其能够利用雨水等其它形式的水能，突破空间、方位、形式的限制。
发明内容
本发明提出一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，可以同时收集水体拍打和在外壳滑动的机械能，并且360度无死角，空间利用率高，可以有效收集各种形式、幅度、方向的水能，此外，球体内部可以用于集成传感器和电路，应用价值极高。
本发明采用以下技术方案。
一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，所述发电机为球体，包括水能收集结构和集电装置；所述水能收集结构包括外球（1）和可在外球内移动的内球（3）；所述外球内壁设有第一电极（2）；内球内壁处设有第二电极（4）；所述第一电极、第二电极均与集电装置相连；当发电机在水能作用下运动时，所述内球外壁与外球内壁间因移动接触所得的摩擦电荷形成电压，第一电极、第二电极间的电压在集电装置处转换为可存储的电能。
所述集电装置设于内球的腔体内。
所述内球为类半球形结构，所述类半球形结构的外部形状为半球形、椭球形或多面体形；所述集电装置设于类半球形结构的内球腔体平面处。
所述内球外壁处设有以密集分布的微起伏结构成型的粗糙表面。
所述微起伏结构为纳米微结构，所述纳米微结构可以是规则的金字塔形结构、球形结构，也可以是不规则起伏的凹凸结构。
所述外球的球壁为厚度在0.01mm-2mm之间、半径在1cm-100cm之间的防水外壳，其外表面为具有疏水性微结构的疏水性表面。
所述第一电极包括为外球内壁处平行设置的第一环形电极和第二环形电极。
所述集电装置的发电模式包括电荷水体滑动模式和内外球摩擦方式，所述内外球摩擦方式为内球外球相互摩擦生成的电荷在第一电极、第二电极处形成电势差，再由集电装置利用该电势差生成可存储的电能；所述电荷水体滑动模式的方法为，当发电机外壁处有水流过时，所述水流与发电机外壁摩擦形成带电水流，从而在第一环形电极和第二环形电极之间产生电势差，再由集电装置利用该电势差生成可存储的电能。
所述第一电极、第二电极的材质选择范围包括但不限于石墨、石墨烯、碳纳米管、金、银、铝、铂、铜、镍；所述第一环形电极和第二环形电极的制备方法为，可通过磁控溅射法或化学气相沉积法或热蒸发法在外球内壁表面直接生长成型，也可先在外球内壁表面处设置柔性衬底，再通过磁控溅射法或化学气相沉积法或热蒸发法在外球内壁的柔性衬底上生长成型，所述柔性衬底的材料选择范围包括但不限于PDMS、Ecoflex、VHB、PI、PMMA；所述第二电极以热蒸发法在内球内壁处成型；所述内球外壁处的微结构为以模具引入的纳米微结构。
所述类半球形结构的内球腔体平面处还设有存储单元（5）、用户业务传感器（7）和储有用户业务设定参数的控制电路（6）；所述集电装置生成的电能储于存储单元中，控制电路（6）和用户业务传感器（7）由存储单元供电；所述控制电路根据存储单元的电量和用户业务设定参数来控制传感器的工作状态。
本发明的优点在于：
（1）半球形摩擦纳米发电机可以收集360度方向的水能，能量利用率和转换效率高；
（2）该结构设计具有多种工作模式，可以收集水体拍打、落下、滑动等多种形式的能量；
（3）内部预留空间，便于集成，空间利用率高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的立体示意图；
附图2是本发明的内部结构示意图；
附图3是本发明的俯视向示意图；
附图4是本发明以电荷水体滑动模式发电的示意图；
附图5是本发明的局部放大示意图；
附图6是本发明的工作原理示意图；
图中：1-外球；2-第一电极；3-内球；4-第二电极；5-存储单元；6-控制电路；7-用户业务传感器；8-带电荷的水；9-集电装置；10-第一环形电极；20-第二环形电极；30-纳米微结构。
具体实施方式
如图1-6所示，一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，所述发电机为球体，包括水能收集结构和集电装置；所述水能收集结构包括外球1和可在外球内移动的内球3；所述外球内壁设有第一电极2；内球内壁处设有第二电极4；所述第一电极、第二电极均与集电装置相连；当发电机在水能作用下运动时，所述内球外壁与外球内壁间因移动接触所得的摩擦电荷形成电压，第一电极、第二电极间的电压在集电装置处转换为可存储的电能。
所述集电装置设于内球的腔体内。
所述内球为类半球形结构，所述类半球形结构的外部形状为半球形、椭球形或多面体形；所述集电装置设于类半球形结构的内球腔体平面处。
所述内球外壁处设有以密集分布的微起伏结构成型的粗糙表面。
所述微起伏结构为纳米微结构30，所述纳米微结构可以是规则的金字塔形结构、球形结构，也可以是不规则起伏的凹凸结构。
所述外球的球壁为厚度在0.01mm-2mm之间、半径在1cm-100cm之间的防水外壳，其外表面为具有疏水性微结构的疏水性表面。
所述第一电极包括为外球内壁处平行设置的第一环形电极10和第二环形电极20。
所述集电装置的发电模式包括电荷水体滑动模式和内外球摩擦方式，所述内外球摩擦方式为内球外球相互摩擦生成的电荷在第一电极、第二电极处形成电势差，再由集电装置利用该电势差生成可存储的电能；所述电荷水体滑动模式的方法为，当发电机外壁处有水流过时，所述水流与发电机外壁摩擦形成带电水流，从而在第一环形电极和第二环形电极之间产生电势差，再由集电装置利用该电势差生成可存储的电能。
所述第一电极、第二电极的材质选择范围包括但不限于石墨、石墨烯、碳纳米管、金、银、铝、铂、铜、镍；所述第一环形电极和第二环形电极的制备方法为，可通过磁控溅射法或化学气相沉积法或热蒸发法在外球内壁表面直接生长成型，也可先在外球内壁表面处设置柔性衬底，再通过磁控溅射法或化学气相沉积法或热蒸发法在外球内壁的柔性衬底上生长成型，所述柔性衬底的材料选择范围包括但不限于PDMS、Ecoflex、VHB、PI、PMMA；所述第二电极以热蒸发法在内球内壁处成型；所述内球外壁处的微结构为以模具引入的纳米微结构。
所述类半球形结构的内球腔体平面处还设有存储单元5、用户业务传感器7和储有用户业务设定参数的控制电路6；所述集电装置生成的电能储于存储单元中，控制电路6和用户业务传感器7由存储单元供电；所述控制电路根据存储单元的电量和用户业务设定参数来控制传感器的工作状态。
本例中，用户业务传感器用于监测外部环境参数变化。
第一电极厚度为50nm；第二电极厚度为30nm。
实施例：
当下小雨时，由于雨滴自带负电荷，因此当雨滴从外球球壁上流下时，带电荷的雨滴可在第一环形电极和第二环形电极之间产生感应电势，使集电装置产生电能。
当本产品用于河流中时，河水冲击使本产品大幅运动，此时内球在外球内腔中剧烈运动，使内球外壁与外球内壁之间因强烈摩擦产生电荷，形成电势，集电装置以第一电极、第二电极之间的电势工作，从而产生电能。
在实际使用中，本产品能同时以电荷水体滑动模式和内外球摩擦方式发电。
本例中，内球内壁处的第二电极与内球外壁电性相连以收集电荷，内球外壁的纳米级微起伏结构可以支撑外球的防水外壳，并在运动的过程中与环形电极摩擦带电。
外球球壁为防水外壳，防水外壳外表面具有疏水性，可以为聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂。
优选地，内球中还可以继续容置多个的类半球形结构的内球结构，以提升发电效率，此时的结构为至少一个半球形内壳叠在一起，第一个半球形内壳的半径比防水外壳稍小，第二个半球形内壳位于第一个半球形内壳内，比第一个半球形内壳的半径稍小，以此类推。
Claims (10)
1.一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，其特征在于：所述发电机为球体，包括水能收集结构和集电装置；所述水能收集结构包括外球（1）和可在外球内移动的内球（3）；所述外球内壁设有第一电极（2）；内球内壁处设有第二电极（4）；所述第一电极、第二电极均与集电装置相连；当发电机在水能作用下运动时，所述内球外壁与外球内壁间因移动接触所得的摩擦电荷形成电压，第一电极、第二电极间的电压在集电装置处转换为可存储的电能。
2.根据权利要求1所述的一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，其特征在于：所述集电装置设于内球的腔体内。
3.根据权利要求2所述的一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，其特征在于：所述内球为类半球形结构，所述类半球形结构的外部形状为半球形、椭球形或多面体形；所述集电装置设于类半球形结构的内球腔体平面处。
4.根据权利要求3所述的一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，其特征在于：所述内球外壁处设有以密集分布的微起伏结构成型的粗糙表面。
5.根据权利要求4所述的一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，其特征在于：所述微起伏结构为纳米微结构，所述纳米微结构可以是规则的金字塔形结构、球形结构，也可以是不规则起伏的凹凸结构。
6.根据权利要求4所述的一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，其特征在于：所述外球的球壁为厚度在0.01mm-2mm之间、半径在1cm-100cm之间的防水外壳，其外表面为具有疏水性微结构的疏水性表面。
7.根据权利要求4所述的一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一电极包括为外球内壁处平行设置的第一环形电极和第二环形电极。
8.根据权利要求7所述的一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，其特征在于：所述集电装置的发电模式包括电荷水体滑动模式和内外球摩擦方式，所述内外球摩擦方式为内球外球相互摩擦生成的电荷在第一电极、第二电极处形成电势差，再由集电装置利用该电势差生成可存储的电能；所述电荷水体滑动模式的方法为，当发电机外壁处有水流过时，所述水流与发电机外壁摩擦形成带电水流，从而在第一环形电极和第二环形电极之间产生电势差，再由集电装置利用该电势差生成可存储的电能。
9.根据权利要求7所述的一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一电极、第二电极的材质选择范围包括但不限于石墨、石墨烯、碳纳米管、金、银、铝、铂、铜、镍；所述第一环形电极和第二环形电极的制备方法为，可通过磁控溅射法或化学气相沉积法或热蒸发法在外球内壁表面直接生长成型，也可先在外球内壁表面处设置柔性衬底，再通过磁控溅射法或化学气相沉积法或热蒸发法在外球内壁的柔性衬底上生长成型，所述柔性衬底的材料选择范围包括但不限于PDMS、Ecoflex、VHB、PI、PMMA；所述第二电极以热蒸发法在内球内壁处成型；所述内球外壁处的微结构为以模具引入的纳米微结构。
10.根据权利要求3所述的一种全方位收集水能的半球形摩擦纳米发电机，其特征在于：所述类半球形结构的内球腔体平面处还设有存储单元（5）、用户业务传感器（7）和储有用户业务设定参数的控制电路（6）；所述集电装置生成的电能储于存储单元中，控制电路（6）和用户业务传感器（7）由存储单元供电；所述控制电路根据存储单元的电量和用户业务设定参数来控制传感器的工作状态。
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111049419B (zh) | 2020-12-29 |
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