CN111271222A - 一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置 - Google Patents

一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及摩擦纳米风能发电技术领域，更具体地，涉及一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置。该装置包括第一支撑板、第二支撑板以及位于两者之间的摩擦发电机构；所述摩擦发电机构包括若干摩擦纳米发电单元，摩擦纳米发电单元层层叠放；所述第一支撑板、第二支撑板相平行，第一支撑板、第二支撑板之间还设有固定轴，所述固定轴贯穿各摩擦纳米发电单元，且两端分别固定于第一支撑板、第二支撑板。本发明利用摩擦纳米发电技术，实现了对风能的高效收集，并且不会造成噪声与视觉污染。

Description

一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置
技术领域
本发明涉及摩擦纳米风能发电技术领域，更具体地，涉及一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置。
背景技术
风能作为可再生能源的一种，它不仅取之不尽，用之不竭，而且是没有公害的能源，自从人们可以用风车把风能转化为机械动能，再把机械能转化为电力动能后，对风能的收集开始迅速发展。目前市面上对风能的收集主要集中在利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。但目前大多数的风力发电机不仅仅会造成噪声、视觉污染，还会占用大片土地，甚至会影响鸟类。摩擦纳米发电技术是近年来新兴的一种技术，结合摩擦纳米发电技术，高效且低成本的收集风能将其转换为电能具有很好的研究意义。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的缺陷，提供一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，利用摩擦纳米发电技术，实现了对风能的高效收集，并且不会造成噪声与视觉污染。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，包括第一支撑板、第二支撑板以及位于两者之间的摩擦发电机构；所述摩擦发电机构包括若干摩擦纳米发电单元，摩擦纳米发电单元层层叠放；所述第一支撑板、第二支撑板相平行，第一支撑板、第二支撑板之间还设有固定轴，所述固定轴贯穿各摩擦纳米发电单元，且两端分别固定于第一支撑板、第二支撑板。摩擦发电机构平稳放置，固定轴贯穿各摩擦纳米发电单元，对其进行限位。
进一步地，所述摩擦纳米发电单元包括依次顺序叠放的第一电极层、介电薄膜和第二电极层，所述第一电极层、介电薄膜之间设置有用于间隔的弹性柱，第一电极层与介电薄膜活动摩擦；所述摩擦纳米发电单元电连接有电源管理装置。
弹性柱将第一电极层、介电薄膜形成微小的间隔，无风状态时，第一电极层与介电薄膜不会发生摩擦。风力吹动时，摩擦纳米发电单元中各部分会发生振动，第一电极层与介电薄膜从而频繁压缩弹性柱，相互摩擦，不断循环接触分离，在此过程中进行摩擦发电，从而形成持续交变电流输送到电源管理装置。
进一步地，所述摩擦纳米发电单元还包括第一支撑层和第二支撑层，第一支撑层垫放于第一电极层远离第二电极层的一侧，第二支撑层垫放于第二电极层远离第一电极层的一侧。组成摩擦纳米发电单元的各部分均为较轻质的材料，保持良好的接触面积，更容易实现风力发电。其中，夹于中间的支撑层可以作为相邻摩擦纳米发电单元的第一支撑层和第二支撑层。
进一步地，所述电源管理装置包括整流器、升压器和电池，所述整流器两端分别与第一电极层、第二电极层电连接形成回路，所述升压器的输入侧与整流器输出端连接，升压器的输出侧与电池连接。电源管理装置一般采用现有的发电机电源管理系统，对摩擦纳米发电产生的电流进行整合和收集。各摩擦纳米发电单元均单独连接有电源管理装置，可根据需要，将多个摩擦纳米发电单元用导线进行串联，从而实现了对所需电量的控制。
进一步地，所述第一支撑板、第二支撑板之间还设有若干中间支撑板，所述中间支撑板与第二支撑板相平行，所述固定轴同样贯穿中间支撑板；各中间支撑板均设置有摩擦发电机构。一般地，第二支撑板以及各中间支撑板上均放置有摩擦发电机构。
进一步地，所述第一支撑板、第二支撑板、中间支撑板均设有至少一个用于过线的导线孔。为了方便各摩擦发电机构的导线安置和连接，各支撑板均留有导向孔。
进一步地，还包括用于支撑第一支撑板、第二支撑板的支撑杆，支撑杆两端分别与第一支撑板、第二支撑板连接，并与各中间支撑板相接固定。支撑杆主要用于对各支撑板进行连接加固。
进一步地，所述第一支撑板、第二支撑板均为圆形板，所述支撑杆连接于第一支撑板、第二支撑板外侧，整体形成一个虚构的圆柱。第一支撑板、第二支撑板的大小相等，采用支撑杆作为侧面骨架，整体形成一个圆柱形结构。
所述固定轴两端分别固定于第一支撑板、第二支撑板的圆心位置。固定轴的数量可以为多根，固定轴贯穿各摩擦纳米发电单元和中间支撑板，摩擦纳米发电单元各部件与固定轴为之间为间隙配合。
进一步地，所述弹性柱的数量为两个或以上，弹性柱呈均匀对称分布。为了保持摩擦稳定，常设置偶数个弹性柱，各弹性柱均匀对称分布。弹性柱通常为橡胶弹性柱。
进一步地，所述介电薄膜为PTFE材质。介电薄膜表面和电极表面均分布有纳米微机构，以此增加表面粗糙度，由纳米微机构引起的表面粗糙度的增加有助于为两者相互接触时提供额外的摩擦，从而可以产生更多的摩擦电荷。该结构可以选择纳米颗粒，纳米立方体，纳米线，纳米管，以及由以上结构构成的阵列。这些结构均可以通过等离子刻蚀、光刻蚀等刻蚀方法实现，在阵列中每个这种单元的尺寸都在纳米到微米数量级，只要不影响介电薄膜的结构强度，具体微结构的单元尺寸、形状不应该限制在本发明的范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开了一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，1)利用摩擦纳米发电技术作为发电基础，采用多个单元纳米摩擦发电，实现了对风能的高效收集；2)可以根据需求，对各发电单元的大小和数量进行灵活组装；3)可根据需要，将多个摩擦发电机构用导线进行串联，从而实现了对所需电量的控制；4)摩擦纳米发电单元各部分均为轻质材料，且叠放附加了增大风力与摩擦单元之间的接触面积，所占面积非常小，不会造成噪声与视觉污染。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是摩擦纳米发电单元结构示意图。
图3是摩擦纳米发电单元结构爆炸图。
图4是电源管理装置连接电路图。
图5是摩擦纳米发电单元连接线路图。
图6是摩擦纳米发电单元运作流程图。
其中，1第一支撑板，2第二支撑板，3摩擦发电机构，4摩擦纳米发电单元，5固定轴，6整流器，7升压器，8电池，9中间支撑板，10导线孔，11支撑杆，41第一电极层，42介电薄膜，43第二电极层，44弹性柱，45第一支撑层，46第二支撑层。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
如图1所示，本实施例提供了一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，包括第一支撑板1、第二支撑板2以及位于两者之间的摩擦发电机构3。其中，第一支撑板1、第二支撑板2相平行，第一支撑板1、第二支撑板2之间还设有固定轴5，两端分别固定于第一支撑板1、第二支撑板2。
具体地，摩擦发电机构3包括若干摩擦纳米发电单元4，摩擦纳米发电单元4层层叠放，固定轴5贯穿各摩擦纳米发电单元4设置，防止摩擦纳米发电单元4各部分发生偏位。
具体地，摩擦纳米发电单元4包括依次顺序叠放的第一电极层41、介电薄膜42和第二电极层43，本实施例介电薄膜42为PTFE材质，第一电极层41为铜膜，第二电极层43为铝膜。第一电极层41与介电薄膜42之间受风力影响会发生活动摩擦。
为了提高发电效率，在介电薄膜42的表面部分或者全部表面分布有纳米或者次纳米量级的微结构。该微结构优选为纳米线，纳米管，纳米棒，纳米颗粒，纳米沟槽，微米沟槽，纳米锥，纳米球，以及由前述结构形成的阵列，特别是由纳米线，纳米管或者纳米棒的纳米阵列，可以通过光刻蚀，等离子刻蚀等方法制备的线状、立方体或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在微米到纳米量级，只要不影响电极膜的机械强度，具体微结构的单元尺寸和形状不应限制本发明的范围。
同时，第一电极层41、介电薄膜42之间设置有用于间隔的弹性柱44，弹性柱44将第一电极层41、介电薄膜42形成微小的间隔，一般弹性柱44高度为1mm左右。无风状态时，第一电极层41与介电薄膜42不会发生摩擦。该实施例弹性柱44的橡胶弹性柱44，数量为两个，弹性柱44呈均匀对称分布。
另外，摩擦纳米发电单元4电连接有电源管理装置电连接，电源管理装置包括整流器6、升压器7和电池8，整流器6两端分别与第一电极层41、第二电极层43电连接形成回路，升压器7的输入侧与整流器6输出端连接，升压器7的输出侧与电池8连接。电源管理装置一般采用现有的发电机电源管理系统，对摩擦纳米发电产生的电流进行整合和收集。
更进一步，本实施例摩擦纳米发电单元4还包括第一支撑层45和第二支撑层46，第一支撑层45垫放于第一电极层41远离第二电极层43的一侧，第二支撑层46垫放于第二电极层43远离第一电极层41的一侧。由于多个摩擦纳米发电单元4层层叠放，所以夹于中间的支撑层既可以作为一个摩擦纳米发电单元4的第一支撑层45，也可以相邻摩擦纳米发电单元4的第二支撑层46。
本实施例的实施原理如下：
在无风情况下，第一电极层41和介电薄膜42层由于弹性柱44的间隔，不会发生接触分离。风力吹动时，由于风振原理，摩擦发电机构3的摩擦纳米发电单元4产生振动，从而使橡胶弹性柱44压缩伸张，使得第一电极层41和介电薄膜42层频繁进行接触分离，具体地，当弹性柱44压缩，第一电极层41与介电薄膜42接触时，由于两种材料得失电荷能力存在很大差异，使得第一电极层41带正电，介电薄膜42带负电。当弹性柱44伸张时，第一电极层41会与介电薄膜42发生分离，此时，第一电极层41的电子会通过连接的外电路进入到第二电极层43，使第二电极层43正电荷少于第一电极层41，两个电极层形成电势差，因此会在外电路形成电流和电压，分离距离越大，产生的电压越大。直至第一电极层41与介电薄膜42完全分离，此时电压最大。持续的风力会提供足够的能量使各摩擦纳米发电单元4发生持续的接触分离，再次接触时电子会通过外电路从第二电极层43流回第一电极层41，从而产生持续的交变电流。电源管理装置对产生的交变电流进行收集，并在电池8中储存电量。
在其中一个实施例中，第一支撑板1、第二支撑板2之间还设有若干中间支撑板9，中间支撑板9与第二支撑板2相平行，固定轴5同样贯穿中间支撑板9。各中间支撑板9均设置有摩擦发电机构3。同时，第一支撑板1、第二支撑板2、中间支撑板9均设有一个用于过线的导线孔10，各板的导线孔10相对齐，以方便布线。本实施例设置有两张中间支撑板9。
在其中一个实施例中，还包括用于支撑第一支撑板1、第二支撑板2的支撑杆11，支撑杆11两端分别与第一支撑板1、第二支撑板2连接，支撑杆11并与各中间支撑板9相接固定。支撑杆11主要用于对各支撑板进行连接加固，本实施例对称设置两根支撑杆11。
在其中一个实施例中，第一支撑板1、第二支撑板2均为圆形板，支撑杆11连接于第一支撑板1、第二支撑板2外侧，整体形成一个虚构的圆柱；固定轴5两端分别固定于第一支撑板1、第二支撑板2的圆心位置。第一支撑板1、第二支撑板2的大小相等，采用支撑杆11作为侧面骨架，整体形成一个圆柱形结构。
在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，其特征在于：包括第一支撑板(1)、第二支撑板(2)以及位于两者之间的摩擦发电机构(3)；
所述摩擦发电机构(3)包括若干摩擦纳米发电单元(4)，摩擦纳米发电单元(4)层层叠放；
所述第一支撑板(1)、第二支撑板(2)相平行，第一支撑板(1)、第二支撑板(2)之间还设有固定轴(5)，所述固定轴(5)贯穿各摩擦纳米发电单元(4)，且两端分别固定于第一支撑板(1)、第二支撑板(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，其特征在于：所述摩擦纳米发电单元(4)包括依次顺序叠放的第一电极层(41)、介电薄膜(42)和第二电极层(43)，所述第一电极层(41)、介电薄膜(42)之间设置有用于间隔的弹性柱(44)，第一电极层(41)与介电薄膜(42)活动摩擦；所述摩擦纳米发电单元(4)电连接有电源管理装置。
3.根据权利要求2所述的一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，其特征在于：所述摩擦纳米发电单元(4)还包括第一支撑层(45)和第二支撑层(46)，第一支撑层(45)垫放于第一电极层(41)远离第二电极层(43)的一侧，第二支撑层(46)垫放于第二电极层(43)远离第一电极层(41)的一侧。
4.根据权利要求2所述的一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，其特征在于：所述电源管理装置包括整流器(6)、升压器(7)和电池(8)，所述整流器(6)两端分别与第一电极层(41)、第二电极层(43)电连接形成回路，所述升压器(7)的输入侧与整流器(6)输出端连接，升压器(7)的输出侧与电池(8)连接。
5.根据权利要求3所述的一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，其特征在于：所述第一支撑板(1)、第二支撑板(2)之间还设有若干中间支撑板(9)，所述中间支撑板(9)与第二支撑板(2)相平行，所述固定轴(5)同样贯穿中间支撑板(9)；各中间支撑板(9)均设置有摩擦发电机构(3)。
6.根据权利要求5所述的一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，其特征在于：所述第一支撑板(1)、第二支撑板(2)、中间支撑板(9)均设有至少一个用于过线的导线孔(10)。
7.根据权利要求5所述的一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，其特征在于：还包括用于支撑第一支撑板(1)、第二支撑板(2)的支撑杆(11)，支撑杆(11)两端分别与第一支撑板(1)、第二支撑板(2)连接，并与各中间支撑板(9)相接固定。
8.根据权利要求7所述的一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，其特征在于：所述第一支撑板(1)、第二支撑板(2)均为圆形板，所述支撑杆(11)连接于第一支撑板(1)、第二支撑板(2)外侧，整体形成一个虚构的圆柱；所述固定轴(5)两端分别固定于第一支撑板(1)、第二支撑板(2)的圆心位置。
9.根据权利要求2-8任一项所述的一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，其特征在于：所述弹性柱(44)的数量为两个或以上，弹性柱(44)呈均匀对称分布。
10.根据权利要求9所述的一种基于摩擦纳米发电的风能发电装置，其特征在于：所述介电薄膜(42)为PTFE材质。
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