CN112737398B - 一种纳米摩擦发电模块和组合式风能发电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种纳米摩擦发电模块和组合式风能发电装置及方法，其中纳米摩擦发电模块包括转盘、相对设置在转盘径向外部的摩擦动板和摩擦定板，摩擦定板、摩擦动板相接触的表面上均设置有纳米摩擦材料层，转盘上沿周向间隔设置有驱动装置，驱动装置用于挤压所述摩擦动板移动至与摩擦定板相接触的位置，摩擦动板连接有用于与所述摩擦定板分离的复位装置，摩擦动板在驱动装置和复位装置的作用下进行直线往复运动。摩擦动板在驱动装置和复位装置的作用下进行直线往复运动，使转盘仅在驱动装置对摩擦动板进行挤压时受到阻力，摩擦动板复位直到再次进行挤压之前转盘不会受到阻力的作用，即减小了动力输入端受到的阻力，从而使风能的利用率更高。

Description

一种纳米摩擦发电模块和组合式风能发电装置及方法
技术领域
本发明涉及绿色能源领域，特别是涉及一种纳米摩擦发电模块和组合式风能发电装置及方法。
背景技术
目前，物联网技术已在生活中变得十分常见，其利用声、光、电等将各种对象和用户连接起来，它增强了对象与人之间无处不在的联系，并通过网络访问，使对象对过程的感知、识别和管理成为可能，从而将这些日常过程转变为“智能”网络的组成部分。在物联网的普及过程中，为数亿个传感器供电将是一个巨大的挑战。目前，传感器主要由电池供电，但由于传统电池的使用寿命短以及污染环境的缺点，它们将不再适用。为了解决这些问题，研究人员正在积极开发对环境无害的能源，例如风，太阳能，机械振动，水等。特别是风能，由于自然资源丰富的优势，风被认为是重要的能源之一。
为了给亿万个传感器供电，每个单独的能量收集装置必须成本低、具有有效的功率输出且须具有较小的体积以便在微型应用。传统的风力涡轮机要么昂贵、笨重、效率低下，要么不适合这些微型应用，而具有制造简单、低成本等特点的摩擦电纳米发电机(Triboelectric Nanogenerators，TENG)引起了广泛的关注，因此研究人员对摩擦电纳米发电机进行了深入的研究，例如申请号为201910222467.3的发明专利申请公开了一种旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机，摩擦纳米发电组件包括电极阵列和柔性叶片阵列，其中柔性叶片阵列设置在内筒外壁上，通过内筒的旋转与设置在外筒上的电机阵列形成摩擦。但上述结构形式中，由于电机阵列与柔性叶片阵列的接触面积很大，在摩擦发电的过程中，会对内筒的旋转产生较大的阻力，因而使得风能的利用率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米摩擦发电模块和组合式风能发电装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过在转盘的径向外部设置摩擦动板和摩擦定板，转盘上沿周向间隔设置用于挤压摩擦动板向摩擦定板运动的驱动装置，并使摩擦动板与复位装置相连，实现摩擦动板在驱动装置和复位装置的作用下进行直线往复运动，使转盘仅在驱动装置对摩擦动板进行挤压时受到阻力，摩擦动板复位直到再次进行挤压之前转盘不会受到阻力的作用，即通过上述结构形式，实现了减小动力输入端受到的阻力，从而使风能的利用率更高。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种纳米摩擦发电模块，包括转盘、相对设置在所述转盘径向外部的摩擦动板和摩擦定板，所述摩擦定板、摩擦动板相接触的表面上均设置有纳米摩擦材料层，所述转盘上沿周向间隔设置有驱动装置，所述驱动装置用于挤压所述摩擦动板移动至与所述摩擦定板相接触的位置，所述摩擦动板连接有用于与所述摩擦定板分离的复位装置，所述摩擦动板在所述驱动装置和所述复位装置的作用下进行直线往复运动。
优选地，所述纳米摩擦材料层与所述摩擦定板之间还设置有柔性缓冲层。
优选地，所述驱动装置为滚轮组件，所述滚轮组件包括滚轮支架和可旋转的设置在所述滚轮支架上的旋转滚轮。
本发明的另一个目的还在于提供一种组合式风能发电装置，包括能量俘获模块、纳米摩擦发电模块以及电磁发电模块；所述能量俘获模块包括传动轴，所述转盘与所述传动轴固定连接，所述电磁发电模块包括转子和定子，所述转子包括所述转盘和设置在所述转盘的盘面上且沿周向排布的磁铁，所述定子包括与所述转盘相对设置的定盘和设置在所述定盘的盘面上且沿周向排布的线圈。
优选地，所述磁铁的N极、S极交替排布且所述磁铁和所述线圈均设置为扇形。
优选地，所述定盘上开设有导向孔，所述复位装置包括复位导向杆以及套设在所述复位导向杆上的复位弹簧，所述复位导向杆穿过所述导向孔并与所述摩擦动板固定连接，所述复位导向杆在所述复位弹簧的弹力作用下带动所述摩擦动板沿所述导向孔轴向移动。
优选地，所述摩擦定板与所述摩擦动板在所述转盘径向外部相对设置两组，所述定盘上相应设置两组所述复位装置，两组所述复位装置上下交替设置，且不同的所述定盘上与同一所述摩擦动板相连的所述复位装置也呈上下交替设置。
优选地，还包括将所述纳米摩擦发电模块和电磁发电模块罩设在内部的密闭盒体，所述盒体包括沿所述传动轴轴向设置的第一侧壁和相对设置在所述传动轴周向侧的第二侧壁，所述第一侧壁的内壁上设置有所述线圈形成所述定子，所述第二侧壁的内壁上设置有纳米摩擦材料层构成所述摩擦定板。
优选地，所述定子设置有四个，所述转子设置有三个，所述定子和所述转子交替设置共形成六组相对设置的所述磁铁和所述线圈。
本发明的另一个目的还在于提供一种风能发电方法，能量俘获模块将风能俘获并转换成传动轴的旋转运动，所述传动轴带动转盘旋转，所述转盘沿周向间隔设置的驱动装置对摩擦动板进行挤压，并挤压至与摩擦定板相接触，所述驱动装置随着所述转盘的旋转离开所述摩擦动板，所述摩擦动板在复位装置的作用下复位离开所述摩擦定板，所述摩擦动板通过直线往复运动与所述摩擦定板不断的接触、分离，从而产生电能输出，实现纳米摩擦发电；同时所述转盘进行旋转时，磁铁与线圈产生相对运动，通过线圈切割磁感线运动产生感应电流，实现电磁发电。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、通过在转盘的径向外部设置摩擦动板和摩擦定板，转盘上沿周向间隔设置用于挤压摩擦动板向摩擦定板运动的驱动装置，并使摩擦动板与复位装置相连，实现摩擦动板在驱动装置和复位装置的作用下进行直线往复运动，使转盘仅在驱动装置对摩擦动板进行挤压时受到阻力，摩擦动板复位直到再次进行挤压之前转盘不会受到阻力的作用，即通过上述结构形式，实现了减小动力输入端受到的阻力，从而使风能的利用率更高。
2、由于制造精度、制造误差等原因会使得摩擦动板与摩擦定板的接触面不能够完全贴合，本发明中通过在纳米摩擦材料层与摩擦定板之间设置柔性缓冲层，避免了摩擦动板与摩擦定板之间的硬接触，通过柔性缓冲层的调整，使得摩擦动板与摩擦定板之间能够完全贴合，从而使接触面积更大；另一方面通过柔性缓冲层的缓冲，使得转盘受到的反作用力更小，从而对转盘转动产生的阻力更小，这也使得风能的利用率更高。
3、通过设置对复位装置设置导向机构，包括导向杆和导向孔，使得摩擦动板能够沿着精准的直线路径运动，从而使摩擦动板与摩擦定板的接触不会产生歪斜，进而使接触面积得到保证，提高发电效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为纳米摩擦发电模块结构示意图；
图2为纳米摩擦发电模块结构剖视图；
图3为风能收集装置结构示意图；
图4为定盘上排布线圈示意图；
图5为转盘上排布磁铁示意图；
图6为第一侧壁上排布线圈结构示意图；
其中，1、转盘；2、驱动装置；3、旋转滚轮；4、滚轮支架；5、复位装置；6、定盘；7、摩擦动板；8、摩擦定板；9、复位导向杆；10、复位弹簧；11、导向孔；12、滑动轴承；13、纳米摩擦材料层；14、柔性缓冲层；15、传动轴；16、扇叶；17、磁铁；18、线圈；19、第一侧壁；20、顶板；21、底板；22、密封轴承。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种纳米摩擦发电模块和组合式风能发电装置及方法，以解决现有技术存在的问题，通过在转盘的径向外部设置摩擦动板和摩擦定板，转盘上沿周向间隔设置用于挤压摩擦动板向摩擦定板运动的驱动装置，并使摩擦动板与复位装置相连，实现摩擦动板在驱动装置和复位装置的作用下进行直线往复运动，使转盘仅在驱动装置对摩擦动板进行挤压时受到阻力，摩擦动板复位直到再次进行挤压之前转盘不会受到阻力的作用，即通过上述结构形式，实现了减小动力输入端受到的阻力，从而使风能的利用率更高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-图6。
实施例一
如图1-图2所示，本实施例提供一种纳米摩擦发电模块，包括转盘1、相对设置在转盘1径向外部的摩擦动板7和摩擦定板8，风能、水能等绿色能源经能量俘获模块收集后，由传动轴15输出旋转运动，转盘1则由传动轴15带动进行旋转，摩擦定板8、摩擦动板7相接触的表面上均设置有纳米摩擦材料层13，摩擦定板8和摩擦动板7上分别设置纳米摩擦材料层13的两极，纳米摩擦材料层13可选用现有技术中常用的材料，如两极材料分别为依次设置的铜箔、导电双面胶、尼龙三层材料和依次设置的铜箔、导电双面胶、聚四氟乙烯三层材料，其中铜箔层与摩擦定板8或摩擦动板7相贴合，其中铜箔也可以替换成铝、银，尼龙替换成三聚氰胺、编织的羊毛等，聚四氟乙烯也可替换成聚乙烯、聚丙烯等；上述列举的部分材料为一些优选的实施方式，并不形成对本发明的限制；转盘1沿周向间隔设置有用于挤压摩擦动板7移动至与摩擦定板8相接触的位置的驱动装置2，驱动装置2整体呈类凸轮结构，能够随着转盘1的转动对摩擦动板7进行挤压，并使摩擦动板7进行直线运动，驱动装置2可以固定设置在转盘1的外周面上或侧面上，只要能够保证驱动装置2外端突出于转盘1的外缘，能够对摩擦动板7进行挤压并使其有一定直线位移即可，本实施例中优选将驱动装置2设置在转盘1的外周面上；摩擦动板7还连接有用于与摩擦定板8分离的复位装置5，复位装置5可以设置在摩擦动板7与摩擦定板8之间，此时摩擦动板7复位时复位装置5提供推力，也可以设置在摩擦动板7的另一侧，即与摩擦定板8相背的一侧，此时摩擦动板7复位时，复位装置5提供拉力，摩擦动板7在驱动装置2和复位装置5的作用下进行直线往复运动。
进一步的，纳米摩擦材料层13与摩擦定板8之间还设置有柔性缓冲层14，由于制造精度、制造误差等原因会使得摩擦动板7与摩擦定板8的接触面不能够完全贴合，通过在纳米摩擦材料层13与摩擦定板8之间设置柔性缓冲层14，其中柔性缓冲层14可以为海绵、软橡胶、硅胶等柔性材料，避免了摩擦动板7与摩擦定板8之间的硬接触，通过柔性缓冲层14的调整，使得摩擦动板7与摩擦定板8之间能够完全贴合，从而使接触面积更大；另一方面通过柔性缓冲层14的缓冲，使得转盘1受到的反作用力更小，从而对转盘1转动产生的阻力更小，这也使得风能的利用率更高。
具体的，驱动装置2为滚轮组件，滚轮组件包括滚轮支架4和可旋转的设置在滚轮支架4上的旋转滚轮3，旋转滚轮3与滚轮支架4的支撑轴之间还设置有滚珠，使旋转滚轮3与摩擦动板7之间、旋转滚轮3与滚轮支架4之间均为滚动摩擦，减小了力的传递过程中所受到的损失，提高工作效率。
实施例二
如图1-图6所示，本实施例提供一种组合式风能发电装置，包括能量俘获模块、实施例一中的纳米摩擦发电模块以及电磁发电模块；能量俘获模块包括传动轴15，能量俘获模块将风能俘获后，由传动轴15输出旋转运动，转盘1与传动轴15固定连接，电磁发电模块包括转子和定子，转子包括设置在转盘1的盘面上且沿周向排布的磁铁17，定子包括与转盘1相对设置的定盘6和设置在定盘6的盘面上且沿周向排布的线圈18，传动轴15带动转子相对定子转动，线圈18在磁铁17形成的磁场中做切割磁感线运动。
为增加电磁发电的发电效率，定子和转子可交替设置多个，当定子和转子设置多个时，仅在中部的转盘1上设置驱动装置2即可，其他的转盘1上无需设置驱动装置2，避免各转盘1上的设置的驱动装置2不同步，使摩擦动板7的直线往复运动效果差，同时还避免了由于其他转盘1上的驱动装置2与摩擦动板7接触而造成的摩擦力增大的现象。
进一步的，磁铁17的N极、S极交替排布且磁铁17和线圈18均设置为扇形，若干块磁铁17沿圆周方向按照N极、S极交替排布时，线圈18的磁通密度变化最大，根据法拉第电磁感应定律可知，此时能够产生最大的电流；同时，将磁铁17和线圈18均设置为扇形时，多个扇形能够形成一个完整的圆形，此时面积的利用率最大。
为使摩擦动板7更好的沿直线进行往复运动，从而使摩擦动板7与摩擦定板8相接触的面贴合率更高，于本实施例中，在定盘6上开设有导向孔11，导向孔11的延伸方向与摩擦动板7的运动方向一致，优选地，导向孔11的延伸方向与摩擦动板7垂直，复位装置5包括复位导向杆9以及套设在复位导向杆9上的复位弹簧10，复位导向杆9穿过导向孔11并与摩擦动板7固定连接，复位导向杆9的另一端具有凸台，对复位弹簧10进行轴向限位，同时导向孔11的直径小于复位弹簧10的直径，复位弹簧10被卡在凸台与导向孔11之间，复位导向杆9在复位弹簧10的弹力作用下带动摩擦动板7沿导向孔11轴向移动，当驱动装置2挤压摩擦动板7运动至与摩擦定板8相接触时，复位导向杆9随着摩擦动板7一同向摩擦定板8的方向运动，而复位弹簧10由于其直径大于导向孔11的直径，无法穿过导向孔11继续向前运动，因而被压缩，当驱动装置2逐渐离开摩擦动板7时，复位弹簧10复位，恢复其原有状态，带动复位导向杆9以及摩擦动板7沿直线回复到原来位置，从而使摩擦动板7与摩擦定板8分离；在导向孔11和复位导向杆9的导向作用下，摩擦动板7沿直线运动的精度更高，从而使摩擦动板7与摩擦定板8的接触不会产生歪斜，进而使接触面积得到保证，提高发电效率；同时本实施例中优选在设置有驱动装置2的转盘1的两侧的定盘6上均设置复位装置5，以使摩擦动板7的运动更加稳定。
本实施例中，摩擦定板8与摩擦动板7在转盘1的径向外部相对设置两组，定盘6上相应设置两组复位装置5，为避免两组复位装置5相对运动时产生影响，两组复位装置5上下交替设置；同时在位于设置有驱动装置2的转盘1不同侧的两定盘6上，与同一摩擦动板7相连的复位装置5也呈上下交替设置，通过上下交替设置，保证了摩擦动板7的上部和下部均有复位装置5与之相连，从而使摩擦动板7的直线运动更加稳定。
于本实施例中，为减小复位导向杆9在不断的往复运动中与导向孔11之间的摩擦，在复位导向杆9与导向孔11之间还设置有滑动轴承12，当在复位导向杆9与导向孔11之间还设置有滑动轴承12时，此时导向孔11的直径可大于复位弹簧10的直径，只要保证滑动轴承12能够阻止复位弹簧10随复位导向杆9向摩擦定板8的方向运动即可。
进一步的，还包括将纳米摩擦发电模块和电磁发电模块罩设在内部的密闭盒体，盒体包括沿传动轴15轴向设置的第一侧壁19和相对设置在传动轴15周向侧的第二侧壁，第一侧壁19的内壁上设置有线圈18，第二侧壁与摩擦动板7相对设置形成摩擦定板8，盒体还包括顶板20和底板21，盒体的各连接部位均采用密封连接，保证了盒体内部的密闭性，从而避免纳米摩擦发电模块受到空气中水汽的影响而使工作效率大幅降低；同时还利用第二侧壁作为摩擦定板8，在第一侧壁19上安装线圈18，还实现了更加充分的空间利用，使整个装置的体积可以做的更小，更加适用于微型应用。
作为一个优选的实施方式，本实施例中定子设置有四个，转子设置有三个，即设置两个定盘6，在两定盘6的两盘面上均设置线圈18，同时结合由两第一侧壁19上安装线圈18共形成的四个定子；设置三个转盘1，并在每个转盘1的两盘面上均设置磁铁17，共形成三个转子，定子和转子交替设置共形成六组相对设置的磁铁17和线圈18，通过在转盘1的两盘面上均设置磁铁17、定盘6的两盘面上均设置线圈18，以及设置多组磁铁17和线圈18的形式，提高了空间利用率，从而在有限的空间内实现更高的发电效率。
能量俘获模块还包括与传动轴15固定连接的扇叶16，通过扇叶16收集风能，再带动传动轴15进行旋转；扇叶16设置在盒体外部，传动轴15需穿过第一侧壁19，从而贯穿盒体内外，在第一侧壁19与传动轴15之间还设置有密封轴承22，进一步保证盒体内部结构的密闭性。
实施例三
在实施例一和实施例二的基础上，本实施例提供一种风能发电方法，能量俘获模块将风能俘获，本实施例中即通过扇叶16收集风能，风吹动扇叶16旋转并转换成传动轴15的旋转运动，传动轴15带动转盘1旋转，转盘1外周设置的驱动装置2对摩擦动板7进行挤压，并将摩擦动板7挤压至与摩擦定板8相接触，随后，驱动装置2随着转盘1的旋转离开摩擦动板7，摩擦动板7在复位装置5的作用下复位离开摩擦定板8，摩擦动板7通过直线往复运动与摩擦定板8不断的接触、分离，从而产生电能输出，实现纳米摩擦发电；同时转盘1上以及其他部位设置的磁铁17随着传动轴15进行旋转时，磁铁17与线圈18产生相对运动，通过线圈18切割磁感线运动产生感应电流，实现电磁发电，本装置集成了纳米摩擦发电和电磁发电，实现了对风能的收集和高效利用。
根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种纳米摩擦发电模块，其特征在于：包括转盘、相对设置在所述转盘径向外部的摩擦动板和摩擦定板，所述摩擦定板、摩擦动板相接触的表面上均设置有纳米摩擦材料层，所述转盘上沿周向间隔设置有驱动装置，所述驱动装置用于挤压所述摩擦动板移动至与所述摩擦定板相接触的位置，所述摩擦动板连接有用于与所述摩擦定板分离的复位装置，所述摩擦动板在所述驱动装置和所述复位装置的作用下进行直线往复运动；包括将纳米摩擦发电模块设在内部的盒体，所述盒体包括底板、沿转盘轴向设置的第一侧壁和相对设置在所述转盘周向侧的第二侧壁，所述第二侧壁与所述摩擦动板相对设置形成所述摩擦定板；所述复位装置位于所述转盘轴向端面外部，所述复位装置和所述第二侧壁固定安装在所述底板上。
2.根据权利要求1所述的一种纳米摩擦发电模块，其特征在于：所述纳米摩擦材料层与所述摩擦定板之间还设置有柔性缓冲层。
3.根据权利要求2所述的一种纳米摩擦发电模块，其特征在于：所述驱动装置为滚轮组件，所述滚轮组件包括滚轮支架和可旋转的设置在所述滚轮支架上的旋转滚轮。
4.一种组合式风能发电装置，其特征在于：包括能量俘获模块、如权利要求1-3任一项所述的纳米摩擦发电模块以及电磁发电模块；所述能量俘获模块包括传动轴，所述转盘与所述传动轴固定连接，所述电磁发电模块包括转子和定子，所述转子包括所述转盘和设置在所述转盘的盘面上且沿周向排布的磁铁，所述定子包括与所述转盘相对设置的定盘和设置在所述定盘的盘面上且沿周向排布的线圈。
5.根据权利要求4所述的一种组合式风能发电装置，其特征在于：所述磁铁的N极、S极交替排布且所述磁铁和所述线圈均设置为扇形。
6.根据权利要求4所述的一种组合式风能发电装置，其特征在于：所述定盘上开设有导向孔，所述复位装置包括复位导向杆以及套设在所述复位导向杆上的复位弹簧，所述复位导向杆穿过所述导向孔并与所述摩擦动板固定连接，所述复位导向杆在所述复位弹簧的弹力作用下带动所述摩擦动板沿所述导向孔轴向移动。
7.根据权利要求6所述的一种组合式风能发电装置，其特征在于：所述摩擦定板与所述摩擦动板在所述转盘径向外部相对设置两组，所述定盘上相应设置两组所述复位装置，两组所述复位装置上下交替设置，且不同的所述定盘上与同一所述摩擦动板相连的所述复位装置也呈上下交替设置。
8.根据权利要求4-7任一项所述的一种组合式风能发电装置，其特征在于：还包括将所述纳米摩擦发电模块和电磁发电模块罩设在内部的密闭盒体，所述盒体包括沿所述传动轴轴向设置的第一侧壁和相对设置在所述传动轴周向侧的第二侧壁，所述第一侧壁的内壁上设置有所述线圈形成所述定子，所述第二侧壁的内壁上设置有纳米摩擦材料层构成所述摩擦定板。
9.根据权利要求8所述的一种组合式风能发电装置，其特征在于：所述定子设置有四个，所述转子设置有三个，所述定子和所述转子交替设置共形成六组相对设置的所述磁铁和所述线圈。
10.一种应用如权利要求4-9任一项所述的组合式风能发电装置的风能发电方法，其特征在于：能量俘获模块将风能俘获并转换成传动轴的旋转运动，所述传动轴带动转盘旋转，所述转盘沿周向间隔设置的驱动装置对摩擦动板进行挤压，并挤压至与摩擦定板相接触，所述驱动装置随着所述转盘的旋转离开所述摩擦动板，所述摩擦动板在复位装置的作用下复位离开所述摩擦定板，所述摩擦动板通过直线往复运动与所述摩擦定板不断的接触、分离，从而产生电能输出，实现纳米摩擦发电；同时所述转盘进行旋转时，磁铁与线圈产生相对运动，通过线圈切割磁感线运动产生感应电流，实现电磁发电。
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