CN111245287B - 一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，所述发电机包括防水悬浮外壳和多根可相互摩擦的触手；所述触手包括刚性摩擦触手和可形变的柔性摩擦触手；所述防水悬浮外壳内有防水腔；所述防水腔内设有与柔性摩擦触手和刚性摩擦触手相通的能量存储单元；所述能量存储单元可存储柔性摩擦触手、刚性摩擦触手相互摩擦时产生的电能；本发明高效利用空间，采用运动和固定触手的混合设计，使发电机具有更高的能量转换效率和输出能量密度，非常适合收集混乱水流或水浪的能量，具有结构简单、通用性强、易于推广等优点。

Description

一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其是一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机。

背景技术

由于化石能源的逐渐枯竭，各国大力发展清洁的可再生能源，如太阳能、风能、水能、生物质能等等。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，但是目前只开发利用了极少部分的潮汐能，还有大量的海洋能量亟待开发。海浪波浪能作为海洋能量开发的一个重要方向，目前的主流技术都是基于电磁发电技术，但是电磁发电所需设备复杂，对海水环境要求高；同时电磁发电在较低的海水波动频率和任意运动模式下，其转换效率很低。

2013年以来，出现了用摩擦纳米发电机收集水能的技术，主要包括水-固摩擦、固-固摩擦和混合技术。固-固摩擦是发展最早也是最成熟的技术，其能量转换效率高，制备方法简单，容易大面积制造。但是现有基于固-固摩擦收集海水能量的结构设计空间利用率较低，对海水运动方向要求较高，实用性低。

如何优化纳米发电机结构设计，提高纳米发电机的能量转换效率和空间利用率，使其能够有效利用单位体积的海水能量，收集各个方向的谁能，提高其实用性，是一个研究方向。

发明内容

本发明提出一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，高效利用空间，采用运动和固定触手的混合设计，使发电机具有更高的能量转换效率和输出能量密度，非常适合收集混乱水流或水浪的能量，具有结构简单、通用性强、易于推广等优点。

本发明采用以下技术方案。

一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，所述发电机包括防水悬浮外壳和多根可相互摩擦的触手；所述触手包括刚性摩擦触手和可形变的柔性摩擦触手；所述防水悬浮外壳内有防水腔；所述防水腔内设有与柔性摩擦触手和刚性摩擦触手相通的能量存储单元；所述能量存储单元可存储柔性摩擦触手、刚性摩擦触手相互摩擦时产生的电能。

所述柔性摩擦触手一端固定于防水悬浮外壳处；所述柔性摩擦触手与刚性摩擦触手相邻；所述柔性摩擦触手可在水流或水浪的驱动下形变并与刚性摩擦触手摩擦产生电能。

所述刚性摩擦触手或柔性摩擦触手表面具有微结构；所述微结构在柔性摩擦触手与刚性摩擦触手摩擦时可强化摩擦生电的效率。

所述微结构包括褶皱起伏结构、金字塔形结构、立方形结构、条形结构的一种或几种。

所述柔性摩擦触手的端面可选形状包括圆形、椭圆形、三角形、多边形。

所述发电机用于收集自然水环境的水流能量；所述刚性摩擦触手一端固定于防水悬浮外壳处，且不会因自然水环境水流作用而发生肉眼可见的形变；所述柔性摩擦触手和刚性摩擦触手的数量和比例可以根据防水外壳的大小、水环境水流参数进行调整。

所述防水腔内还可加装控制电路和传感器；所述发电机可通过改变防水腔内部结构来调节发电机在水中的悬浮深度。

所述柔性摩擦触手的直径远小于刚性摩擦触手的直径；所述柔性摩擦触手包括内芯和柔性外皮；所述刚性摩擦触手包括内芯和刚性外皮；

所述内芯为导电电极，所述导电电极的电极材料可以为碳材料、金属材料或合金导电材料中的一种或多种；所述碳材料为石墨、石墨烯或碳纳米管中的一种或多种；所述金属材料包括金、银、铝、铂、铜或镍中的一种或多种；

所述柔性外皮为包裹内芯的柔性绝缘材料，所述柔性绝缘材料可以为聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂中的一种或几种；

所述刚性外皮为包裹内芯的刚性绝缘材料，所述刚性绝缘材料可以为聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂中的一种或几种。

所述柔性摩擦触手的直径在0.01mm-10mm之间，长度在1cm-1000cm之间，数量在1-1000之间；

所述刚性摩擦触手的直径在1mm-20mm之间，长度在1cm-1000cm之间，数量在1-1000之间。

所述柔性摩擦触手和刚性摩擦触手，其制备方法包括以下两种方法；

方法A、先准备作为内芯的金属导线，然后将金属导线浸没在装有有机溶液的模具中，加热固化，直至形成完全包裹内芯金属导线的绝缘材料成型的外皮；

方法B、先准备具有内空的管腔的绝缘材料件作为外皮，然后在管腔内填充导电材料形成内芯。

所述防水悬浮外壳的形状可选半球形、椭球形或多面体形中的一种；

所述防水悬浮外壳的材料可选聚甲基硅树脂、氨基硅树脂或氟硅树脂中的一种或多种。

本发明高效利用产品空间，采用运动和固定触手的混合设计，使发电机具有更高的能量转换效率和输出能量密度，非常适合收集混乱水流或水浪的能量；具有结构简单、通用性强、易于推广等优点。

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是本发明的示意图；

附图2是本发明的触手结构剖面示意图；

附图3是本发明的另一示意图；

附图4是本发明工作于单向水流环境时的工作原理示意图；

附图5是本发明工作于双向水流环境时的工作原理示意图；

图中：1-防水悬浮外壳；2-柔性摩擦触手；3-刚性摩擦触手；4-内芯；5-微结构；6-柔性外皮；7-刚性外皮。

具体实施方式

如图1-5所示，一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，所述发电机包括防水悬浮外壳1和多根可相互摩擦的触手；所述触手包括刚性摩擦触手3和可形变的柔性摩擦触手2；所述防水悬浮外壳内有防水腔；所述防水腔内设有与柔性摩擦触手和刚性摩擦触手相通的能量存储单元；所述能量存储单元可存储柔性摩擦触手、刚性摩擦触手相互摩擦时产生的电能。

所述柔性摩擦触手一端固定于防水悬浮外壳处；所述柔性摩擦触手与刚性摩擦触手相邻；所述柔性摩擦触手可在水流或水浪的驱动下形变并与刚性摩擦触手摩擦产生电能。

所述刚性摩擦触手或柔性摩擦触手表面具有微结构5；所述微结构在柔性摩擦触手与刚性摩擦触手摩擦时可强化摩擦生电的效率。

所述微结构包括褶皱起伏结构、金字塔形结构、立方形结构、条形结构的一种或几种。

所述柔性摩擦触手的端面可选形状包括圆形、椭圆形、三角形、多边形。

所述发电机用于收集自然水环境的水流能量；所述刚性摩擦触手一端固定于防水悬浮外壳处，且不会因自然水环境水流作用而发生肉眼可见的形变；所述柔性摩擦触手和刚性摩擦触手的数量和比例可以根据防水外壳的大小、水环境水流参数进行调整。

所述防水腔内还可加装控制电路和传感器；所述发电机可通过改变防水腔内部结构来调节发电机在水中的悬浮深度。

所述柔性摩擦触手的直径远小于刚性摩擦触手的直径；所述柔性摩擦触手包括内芯4和柔性外皮6；所述刚性摩擦触手包括内芯4和刚性外皮7；

所述内芯为导电电极，所述导电电极的电极材料可以为碳材料、金属材料或合金导电材料中的一种或多种；所述碳材料为石墨、石墨烯或碳纳米管中的一种或多种；所述金属材料包括金、银、铝、铂、铜或镍中的一种或多种；

所述柔性外皮为包裹内芯的柔性绝缘材料，所述柔性绝缘材料可以为聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂中的一种或几种；

所述刚性外皮为包裹内芯的刚性绝缘材料，所述刚性绝缘材料可以为聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂中的一种或几种。

所述柔性摩擦触手的直径在0.01mm-10mm之间，长度在1cm-1000cm之间，数量在1-1000之间；

所述刚性摩擦触手的直径在1mm-20mm之间，长度在1cm-1000cm之间，数量在1-1000之间。

所述柔性摩擦触手和刚性摩擦触手，其制备方法包括以下两种方法；

方法A、先准备作为内芯的金属导线，然后将金属导线浸没在装有有机溶液的模具中，加热固化，直至形成完全包裹内芯金属导线的绝缘材料成型的外皮；

方法B、先准备具有内空的管腔的绝缘材料件作为外皮，然后在管腔内填充导电材料形成内芯。

所述防水悬浮外壳的形状可选半球形、椭球形或多面体形中的一种；

所述防水悬浮外壳的材料可选聚甲基硅树脂、氨基硅树脂或氟硅树脂中的一种或多种。

实施例：

本例中，柔性摩擦触手为可运动触手，刚性摩擦触手为固定触手。

首先准备可运动触手和固定触手，一种方法是先准备金属导线，然后将金属导线浸没在装有有机溶液的模具中，加热固化，以PDMS为例80摄氏度加热固化2小时，外绝缘层完全包裹内芯金属导线。另一种方法是，先准备内空的绝缘材料，然后再填充导电材料。这里可运动触手以铂电极为导线，绝缘材料为Ecoflex，固定触手以铂电极为导线，PTFE为绝缘材料。可运动触手的直径为0.2mm，长度为20cm；固定触手的直径为1.5mm，长度为20cm。柔性摩擦触手和刚性摩擦触手的一端固定在防水悬浮外壳里，另一端自由运动。

可运动触手直径较小，便于随着水流运动，与固定触手摩擦，且表面具有微结构；固定触手直径较大，几乎不随着水流运动。

本例中，防水外壳选为圆形，也可以为其它任意形状。可运动触手和固定触手采用均匀分布，其数量和分布也可以根据实际情况调整。

本产品用于海洋环境时，在海水流动方向单一的情况下，可运动触手的运动方向也相对单一，可运动触手的绝缘外层和固定触手的绝缘外层接触摩擦，能够在可运动触手的电极和固定触手的电极之间产生电势差，将海水运动的机械能转换为电能。

本产品用于海洋环境时，在剧烈的海浪中，海水水流复杂，会有多个流动方向。这种情况下，一部分可运动触手以一个方向运动，另一部分朝另一个方向运动，但均可和固定触手接触摩擦后产生电能。

需改变发电机在水中的悬浮深度时，可在制作发电机时，通过调整防水悬浮外壳内的防水腔中的器件重量或器件体积，来改变防水腔浮力，从而达到调整最终产品在水中的悬浮深度的目的。

Claims (10)

1.一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述发电机包括防水悬浮外壳和多根在收集水流能量时相互摩擦的触手；所述触手包括刚性摩擦触手和柔性摩擦触手；所述防水悬浮外壳内有防水腔；所述防水腔内设有与柔性摩擦触手和刚性摩擦触手相通的能量存储单元；所述能量存储单元存储柔性摩擦触手、刚性摩擦触手相互摩擦时产生的电能；

所述柔性摩擦触手为可运动触手，刚性摩擦触手为固定触手；

所述柔性摩擦触手的直径远小于刚性摩擦触手的直径；所述柔性摩擦触手包括内芯和柔性外皮；所述刚性摩擦触手包括内芯和刚性外皮；

所述内芯为导电电极，所述柔性外皮为包裹内芯的柔性绝缘材料，所述刚性外皮为包裹内芯的刚性绝缘材料。

2.根据权利要求1所述的一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述柔性摩擦触手一端固定于防水悬浮外壳处；所述柔性摩擦触手与刚性摩擦触手相邻；所述柔性摩擦触手在水流或水浪的驱动下形变并与刚性摩擦触手摩擦产生电能。

3.根据权利要求2所述的一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述刚性摩擦触手或柔性摩擦触手表面具有微结构；所述微结构在柔性摩擦触手与刚性摩擦触手摩擦时强化摩擦生电的效率。

4.根据权利要求3所述的一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述微结构包括褶皱起伏结构、金字塔形结构、立方形结构、条形结构的一种或几种。

5.根据权利要求2所述的一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述柔性摩擦触手的端面形状包括圆形、椭圆形、三角形或多边形中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述发电机用于收集自然水环境的水流能量；所述刚性摩擦触手一端固定于防水悬浮外壳处，且不会因自然水环境水流作用而发生肉眼可见的形变。

7.根据权利要求1所述的一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述防水腔内加装有控制电路和传感器。

8.根据权利要求1所述的一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述导电电极的电极材料为碳材料、金属材料或合金导电材料中的一种或多种；所述碳材料为石墨、石墨烯或碳纳米管中的一种或多种；所述金属材料包括金、银、铝、铂、铜或镍中的一种或多种；

所述柔性绝缘材料为聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂中的一种或几种；

所述刚性绝缘材料为聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂中的一种或几种；

所述柔性摩擦触手的直径在0.01mm-10mm之间，长度在1cm-1000cm之间，数量在1-1000之间；

所述刚性摩擦触手的直径在1mm-20mm之间，长度在1cm-1000cm之间，数量在1-1000之间。

9.根据权利要求8所述的一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述柔性摩擦触手和刚性摩擦触手，其制备方法包括以下两种方法；

方法A、先准备作为内芯的金属导线，然后将金属导线浸没在装有有机溶液的模具中，加热固化，直至形成完全包裹内芯金属导线的绝缘材料成型的外皮；

方法B、先准备具有内空的管腔的绝缘材料件作为外皮，然后在管腔内填充导电材料形成内芯。

10.根据权利要求1所述的一种收集水流能量的仿生水母型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述防水悬浮外壳的形状为半球形、椭球形或多面体形中的一种；

所述防水悬浮外壳的材料为聚甲基硅树脂、氨基硅树脂或氟硅树脂中的一种或多种。

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