CN113037127B - 一种具有重力势能储蓄功能的旋转式摩擦纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有重力势能储蓄功能的旋转式摩擦纳米发电机，包括外圆筒、内圆筒、中心轴杆、第一单向轴承、第二单向轴承、电极阵列、柔性叶片、片状薄膜阵列、第一质量块、第二质量块，片状薄膜阵列包括若干个交替布置的第一摩擦单元和第二摩擦单元；所有与第一摩擦单元相对应的电极单元串联形成第一电极，所有与第二摩擦单元相对应的电极单元串联形成第二电极；内圆筒相对外圆筒转动过程中，柔性叶片与片状薄膜阵列发生摩擦产生电荷转移，同时片状薄膜阵列与电极阵列之间发生静电感应，从而通过第一电极和第二电极向外电路输出电信号。本发明能将外界振动能首先转换为重力势能，再将重力势能转换为电能，从而提高输出电流的大小和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于发电机技术领域，具体地，涉及一种具有重力势能储蓄功能的旋转式摩擦纳米发电机。
背景技术
无线传感器网络是一种分布式传感网络，由大量可以感知和监测外部世界的无线传感器网络节点组成，可以在长期无人值守的状态下工作，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，在军事、工业、医疗、环境监测、交通管理、抢险救灾等领域有着巨大的应用价值和潜在的应用前景。随着无线传感器网络的深入应用，在一些复杂的使用条件下，如传感器节点需要嵌入到桥梁、建筑、机械设备内部，或者需要放置在充斥着有毒、有害物质等危险区域。工作人员无法到达这些位置，传感器节点一经放置便无法再重新为其更换电池。而电池容量有限，能源一旦耗尽则节点废弃。废弃的节点不仅导致被测对象局部位置的信息数据无法获取，还会破坏整个无线传感器网络的拓扑结构，大大降低了无线传感器网络的稳定性、可靠性。能量供应问题制约了无线传感器网络的发展。因此，无线传感网络迫切需要一种新的能量供给方式来应对传统供电方式的弊端。
在各种能量收集器中，摩擦纳米发电机由于其高瞬时输出功率、广泛的可用材料、环保和低价的制造工艺以及针对目标应用而定制的各种工作模式而受到了广泛的关注。摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦纳米发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等从没被人们注意过的环境随机能源，还可以是车轮的转动、机器的轰鸣等。其中，海洋能作为一种可再生资源，具有体积大，分布广泛，对环境的依赖性小等特点。因此，引起了世界各国能源界的广泛关注。
目前用于采集波浪能的摩擦纳米发电多以复摆结构为主。该种结构虽然可以采集波浪能，但是其输出性能受到波浪能的频率和振幅的制约。当复摆结构的共振频率与波浪能的频率不匹配时，摩擦纳米发电机的电流就会大幅度的下降。另外，振幅较小的波浪无法使得摩擦纳米发电机有较高的输出电流。然而，电流的稳定性是摩擦纳米发电机输出性能的重要指标，不稳定的输出不能驱动电子模块正常工作，甚至会损坏精密的电子设备。
发明内容
本发明的目的在于迎合现今能量采集和传感器需求，提供一种具有重力势能储蓄功能的旋转式摩擦纳米发电机，该结构将外界振动能首先转换为重力势能并储蓄起来，然后将重力势能转换为电能，从而提高摩擦纳米发电机输出电流的大小和稳定性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有重力势能储蓄功能的旋转式摩擦纳米发电机，包括同轴设置的外圆筒和内圆筒，所述外圆筒的内径大于内圆筒的外径，外圆筒和内圆筒通过中心轴杆连接；所述中心轴杆与内圆筒固定连接；所述中心轴杆的一端通过第一单向轴承与外圆筒连接，所述中心轴杆的另一端与外圆筒转动连接；其中：
所述中心轴杆的一侧设置有第一质量块，所述第一质量块通过第二单向轴承与中心轴杆连接，所述第二单向轴承与第一单向轴承安装完成后其能够自由转动的方向相反。优选的，所述第二单向轴承的外圈一侧固定连接有扇形板，所述第一质量块通过扇形板与第二单向轴承固定连接。进一步优选的，所述第一质量块的重心位于内圆筒任一素线中点与内圆筒轴线中点的连线上。
所述外圆筒的内表面固定有电极阵列和至少一个柔性叶片；所述电极阵列包括若干个电极单元；所述柔性叶片的一端远离外圆筒的内表面并与内圆筒的外表面弹性接触；优选的，柔性叶片的数量为2-4个，所述电极单元和柔性叶片的长度方向平行于外圆筒的轴线方向；
所述内圆筒的内部一侧固定有第二质量块，所述内圆筒的外表面固定有片状薄膜阵列，所述片状薄膜阵列与电极阵列之间不互相接触；所述片状薄膜阵列包括若干个交替间隔设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元具有不同的得失电子能力；其中：所有与第一摩擦单元相对应的电极单元串联形成第一电极，所有与第二摩擦单元相对应的电极单元串联形成第二电极；在内圆筒相对于外圆筒转动过程中，柔性叶片与片状薄膜阵列中的第一摩擦单元、第二摩擦单元发生摩擦产生电荷转移，同时片状薄膜阵列与电极阵列之间发生静电感应，从而通过第一电极和第二电极向外电路输出电信号。
作为优选的技术方案，所述外圆筒包括外筒体，以及对称固定在外筒体两端的第一外圆筒盖板和第二外圆筒盖板；所述第一单向轴承固定在第一外圆筒盖板的中部，所述第一外圆筒盖板通过第一单向轴承与中心轴杆连接；所述第二外圆筒盖板的中部固定有双向轴承，所述第二外圆筒盖板通过双向轴承与中心轴杆连接。所述内圆筒包括内筒体以及对称固定在内筒体两端的两个内圆筒盖板；所述内圆筒盖板的中部开设有安装孔，所述安装孔的孔径与中心轴杆的直径相适配，所述中心轴杆通过安装孔与内圆筒盖板固定连接。
作为优选的技术方案，所述电极单元的材质为铜、铝或银等金属导电材料，所述外圆筒与电极单元之间绝缘。所述第一摩擦单元和第二摩擦单元为两种不同材质的绝缘材料，所述内圆筒与第一摩擦单元、第二摩擦单元之间绝缘。所述柔性叶片由绝缘薄膜材料制成，柔性叶片的得电子能力小于或等于第一摩擦单元，且大于第二摩擦单元。所述外圆筒和内圆筒由绝缘材料制作，或用金属制作并在表面贴绝缘层；所述中心轴杆由亚克力、塑料或金属制作；所述第一质量块和第二质量块由金属制作。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
传统的基于复摆结构的摆动式摩擦纳米发电机的输出性能受到外界振动的频率和振幅的影响，输出很不稳定。尤其是在低频低强度振动激励下，几乎无输出。本发明在复摆结构的基础上增加了以第二质量块为基础的重力势能储蓄装置，利用第一单向轴承和第二单向轴承只能在某一特定方向转动，在另一相反方向锁死的特性，能够把外界的各种振动能首先转换为第二质量块的重力势能，然后自动释放为动能，带动摩擦纳米发电机产生具有一定规律的电输出。一、如果外界振动激励强度很小，本发明可以间断性的把振动能转换为第二质量块的重力势能。在第二质量块达到最高点后，重力势能自动释放为动能，带动摩擦纳米发电机工作。二、如果外界振动强度较大，本发明可以把外界振动能量迅速转换为第二质量块的重力势能，然后同样是快速释放，带动摩擦纳米发电机工作。因此，本发明可以收集外界各种强度不同的振动能量，将其转换为重力势能后再转换为电能，从而大大拓宽了适用范围。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。另外，在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按照实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明提供的旋转式摩擦纳米发电机在去掉外圆筒和内圆筒两端的盖板时沿其轴线方向的视图；
图2为外筒体的三维结构示意图；
图3为第一外圆筒盖板与第一单向轴承的连接结构示意图；
图4为第二外圆筒盖板与双向轴承的连接结构示意图；
图5为内筒体的三维结构示意图；
图6为内圆筒盖板的三维结构示意图；
图7为中心轴杆与第一质量块的连接结构示意图；
图8为第一质量块、内圆筒相对于外圆筒的运动状态示意图；
附图标记：1-外圆筒，11-外筒体，12-第一外圆筒盖板，13-第二外圆筒盖板，2-内圆筒，21-内筒体，22-内圆筒盖板，23-安装孔，3-中心轴杆，4-第一单向轴承，5-第一质量块，6-第二单向轴承，7-电极阵列，8-柔性叶片，9-第二质量块，10-片状薄膜阵列，101-第一摩擦单元，102-第二摩擦单元，100-扇形板，200-双向轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式详细说明。应当了解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于清晰、详细的描述本发明，并不用于限制本发明。
需要说明的是，本发明中“固定连接”、“安装”、“固定”等均表示相互连接的两部件之间是固定在一起，一般是通过焊接、螺钉或胶粘等方式固定在一起。“转动连接”是指两部件连接在一起并能相对运动。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，因此不能理解为本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的具有重力势能储蓄功能的旋转式摩擦纳米发电机包括同轴设置的外圆筒1和内圆筒2，外圆筒1和内圆筒2通过中心轴杆3连接。
如图2-4所示，外圆筒1包括外筒体11，以及对称固定在外筒体11两端的第一外圆筒盖板12和第二外圆筒盖板13。参考图2，外筒体1厚度为3mm，外直径为100mm，高度为94mm，采用亚克力材料制作；外圆筒1的内表面等间距地粘贴有电极阵列7，电极阵列7由二十片矩形铝箔构成，单片铝箔长和宽分别为85mm和10mm；外圆筒1的内表面还粘贴有两片柔性叶片，柔性叶片由矩形薄膜制成，矩形薄膜长和宽分别为75mm和5mm，厚度为38μm，由FEP薄膜材料制作；
参考图3，图3为第一外圆筒盖12与第一单向轴承4的连接结构示意图，第一外圆筒盖板12采用亚克力材料制作，其厚度为6mm，直径为100mm；第一外圆筒盖板12的圆心处开设有凹槽，凹槽深度为5mm，直径为16mm；第一单向轴承4厚为5mm，内径为8mm，外径为16mm；第一单向轴承4嵌于第一外圆筒盖板12中心的凹槽中。
参考图4，图4为第二外圆筒盖板13与双向轴承200的连接结构示意图，第二外圆筒盖板13的尺寸与第一外圆筒盖12板的尺寸相同；第二外圆筒盖板13的圆心处开设有凹槽，凹槽深度为5mm，直径为22mm；双向轴承200厚为5mm，内径为8mm，外径为22mm；双向轴承200嵌于第二外圆筒盖板13中心的凹槽中。
如图5-6所示，内圆筒2包括内筒体21以及对称固定在内筒体21两端的两个内圆筒盖板22。参考图5，内筒体21厚度为3mm，外直径为85mm，高度为75mm，采用亚克力材料制作；内筒体21的外表面上粘贴有片状薄膜阵列10，片状薄膜阵列10由交替间隔设置的十二片第一摩擦单元101和十二片第二摩擦单元102组成，第一摩擦单元101由FEP薄膜制成，第二摩擦单元102由尼龙66薄膜制成；第一摩擦单元101和第二摩擦单元102的尺寸相同，其长为85mm、宽为10mm、厚为30μm。片状薄膜阵列10与电极阵列7之间的间隙为1mm左右；第二质量块9固定在内筒体21内部一侧，第二质量块9的质量为50g,采用金属铅材料制作。
参考图6，固定在内筒体21两端的两个内圆筒盖板22尺寸相同，厚度为3mm，直径为85mm；内圆筒盖板22的中部开设有安装孔23，安装孔23的直径为8mm，采用亚克力材料制作。
参考图7，第一质量块5通过扇形板100与第二单向轴承6连接，扇形板100的厚度为2mm，摆长为40mm，采用亚克力材料制作；第二单向轴承6厚为5mm，内径为8mm，外径为22mm；第一质量块5的质量为150g,采用金属铅材料制作；中心轴杆3的直径为8mm，长度为100mm，采用亚克力材料制作。
参考图8，本发明主要用于将广泛存在的振动能转换为电能，为说明本发电机的工作原理，设定第一单向轴承4在逆时针方向能够自由转动，在顺时针方向呈锁死状态；第二单向轴承6在顺时针方向能够自由转动，在逆时针方向呈锁死状态。使用时，首先固定外圆筒1的位置，然后外界振动机械能作用于第一质量块5，在外界振动的作用下，第一质量块5带动扇形板100相对与外圆筒1来回摆动。在第二单向轴承6的作用下，中心轴杆3随着扇形板100的摆动单向转动(逆时针方向转动)，由于内圆筒2与中心轴杆3固定连接，因此在扇形板100摆动的过程中，中心轴杆3带动内圆筒2单向逆时针旋转，内圆筒2上的第二质量块9的重心随扇形板的摆动慢慢上升，在第一单向轴承4的作用下，第二质量块的重心不会回落。当第二质量块的重心上升并越过最高点时，第二质量块在重力的作用下带动内圆筒2迅速旋转下落。由于柔性叶片8固定在外圆筒内表面，在内圆筒转动的过程中，柔性叶片8与第一摩擦单元101、第二摩擦单元102往复摩擦。由于柔性叶片8的得电子能力大于第二摩擦单元102，在柔性叶片与第二摩擦单元发生摩擦时，柔性叶片带负电而第二摩擦单元带正电；由于柔性叶片8的得电子能力小于或等于第一摩擦单元101，在柔性叶片与第一摩擦单元发生摩擦时，柔性叶片上的电子会转移至第一摩擦单元，使第一摩擦单元带负电；因此第一摩擦单元与第二摩擦单元之间就会存在电势差。由于电极阵列7与片状薄膜阵列10距离很近，静电感应导致第一电极和第二电极之间产生电势差，如果将第一电极和第二电极通过外电路连接形成通路，则外电路上就会有交流电流流过。本发明提供的旋转式摩擦纳米发电机，能够将外界振动能首先转换为重力势能并储蓄起来，然后将重力势能转换为电能，从而提高摩擦纳米发电机输出电流的大小和稳定性。
Claims (10)
1.一种具有重力势能储蓄功能的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于：包括同轴设置的外圆筒（1）和内圆筒（2），外圆筒（1）和内圆筒（2）通过中心轴杆（3）连接；所述中心轴杆（3）与内圆筒（2）固定连接；所述中心轴杆（3）的一端通过第一单向轴承（4）与外圆筒（1）连接，所述中心轴杆（3）的另一端与外圆筒（1）转动连接；其中：
所述中心轴杆（3）的一侧设置有第一质量块（5），所述第一质量块（5）通过第二单向轴承（6）与中心轴杆（3）连接；所述第二单向轴承（6）与第一单向轴承（4）安装完成后其能够自由转动的方向相反；
所述外圆筒（1）的内表面固定有电极阵列（7）和至少一个柔性叶片（8）；所述电极阵列（7）包括若干个电极单元；所述柔性叶片（8）的一端远离外圆筒的内表面并与内圆筒的外表面弹性接触；
所述内圆筒（2）的内部一侧固定有第二质量块（9），所述内圆筒（2）的外表面固定有片状薄膜阵列（10），所述片状薄膜阵列（10）与电极阵列（7）之间不互相接触；所述片状薄膜阵列（10）包括若干个交替间隔设置的第一摩擦单元（101）和第二摩擦单元（102），所述第一摩擦单元（101）和第二摩擦单元（102）具有不同的得失电子能力；其中：所有与第一摩擦单元（101）相对应的电极单元串联形成第一电极，所有与第二摩擦单元（102）相对应的电极单元串联形成第二电极；在内圆筒（2）相对于外圆筒（1）转动过程中，柔性叶片（8）与片状薄膜阵列（10）发生摩擦产生电荷转移，同时片状薄膜阵列（10）与电极阵列（7）之间发生静电感应，从而通过第一电极和第二电极向外电路输出电信号。
2.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第二单向轴承（6）的外圈一侧固定连接有扇形板（100），所述第一质量块（5）通过扇形板（100）与第二单向轴承（6）固定连接。
3.根据权利要求2所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一质量块（5）的重心位于内圆筒（2）任一素线中点与内圆筒轴线中点的连线上。
4.根据权利要求1-3任一项所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述电极单元的数量为偶数，所述电极单元的数量小于或等于第一摩擦单元（101）和第二摩擦单元（102）的总数量。
5.根据权利要求4所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述外圆筒（1）包括外筒体（11），以及对称固定在外筒体（11）两端的第一外圆筒盖板（12）和第二外圆筒盖板（13）；所述第一单向轴承（4）固定在第一外圆筒盖板（12）的中部，所述第一外圆筒盖板（12）通过第一单向轴承（4）与中心轴杆（3）连接；所述第二外圆筒盖板（13）的中部固定有双向轴承（200），所述第二外圆筒盖板（13）通过双向轴承（200）与中心轴杆（3）转动连接。
6.根据权利要求4所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述内圆筒（2）包括内筒体（21）以及对称固定在内筒体（21）两端的两个内圆筒盖板（22）；所述内圆筒盖板（22）的中部开设有安装孔（23），所述安装孔（23）的孔径与中心轴杆（3）的直径相适配，所述中心轴杆（3）通过安装孔（23）与内圆筒盖板（22）固定连接。
7.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述柔性叶片（8）由绝缘薄膜材料制成，柔性叶片（8）的得电子能力小于或等于第一摩擦单元（101），且大于第二摩擦单元（102）。
8.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述电极单元由金属导电材料制成，所述外圆筒（1）与电极单元之间绝缘。
9.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦单元（101）和第二摩擦单元（102）为两种不同材质的绝缘材料；所述内圆筒（2）与第一摩擦单元（101）、第二摩擦单元（102）之间绝缘。
10.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述外圆筒（1）和内圆筒（2）由绝缘材料制作，或用金属制作并在表面贴绝缘层；所述中心轴杆（3）由亚克力、塑料或金属制作；所述第一质量块（5）和第二质量块（9）由金属制作。
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