CN113270933B - 一种基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于折纸结构的摩擦电‑电磁复合能量收集装置，包括外壳、支撑板、圆柱滚动体、折纸结构、摩擦感应电极、线圈和柱形磁铁，设有两套独立的自发电系统，分别为摩擦纳米发电系统和电磁发电系统。摩擦纳米发电系统设置于底盘和端盖榫接后形成的内部空腔内，电磁发电系统设置于两个端盖处。以上两种发电系统单独作用、互不干涉，两种发电系统产生的电流通过整流后连接蓄电池而将电能储存在蓄电池中，为海洋设备部组件供电，具有高的能量收集效率，能够利用电磁感应效应和材料之间的摩擦电原理将海洋中的机械能转化为电能。

Description

一种基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置
技术领域
本发明涉及纳米新能源技术领域，尤指一种基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置，用于收集海洋环境中海浪的能量。
背景技术
化石燃料的持续燃烧使得全球的能源危机进一步加剧，如何开发清洁可再生能源成为新的研究热点。海洋能、风能、太阳能、热能等可再生能源，具有分布广泛、环境污染小、可循环再生等优点。其中，海洋能作为一种清洁可再生能源，具有分布广泛、储量丰富等优点，如何收集和利用这些能量得到了广泛的关注与开发。然而，由于海洋能量的频率较低，传统发电机不具有高效的低频能量收集能力。
摩擦纳米发电机是一个具有高效能量转化能力的新型能量收集装置，工作原理是基于两种具有不同电负性的摩擦材料周期性接触和分离实现的，可以将两个电极的机械运动转换成电位差从而驱动电子在外电路中来回流动。其最独特的特性是能否将环境中产生的低频机械能转化为电能，转化效率高。为了提高摩擦纳米发电机的输出功率，人们在加工接触面纹理、材质等方面做了大量研究，因此高额的材料成本和复杂的加工方式阻碍了摩擦纳米发电机的应用。基于此，如何收集海洋波浪的低频能量，如何设计一种绿色、低成本、高输出功率密度的基于电磁及摩擦发电原理的能量收集装置是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决技术背景中存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置，可用于收集海洋波浪的低频能量，实现高输出功率密度。所述能量收集装置采用基于熔融沉积建模方法直接3D打印柔性热塑性材料制成，可以降低制作成本，同时其抗拉伸性能、防水性能突出，可以很好地适应海洋环境。折纸结构采用激光切割技术对硬纸卡片进行划痕，可以降低制作成本，同时其制作简单、环境友好。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置，包括外壳、支撑板、圆柱滚动体、折纸结构、摩擦感应电极、线圈和柱形磁铁形成的两套独立的自发电系统，分别为摩擦纳米发电系统和电磁发电系统，所述两套独立的自发电系统产生的电流通过整流后连接蓄电池而将电能储存在蓄电池中，为海洋设备部组件供电；所述圆柱滚动体为中空圆柱外壳，包括上下两个半圆外壳，上下外壳间采用榫接的方式连接，内设有空腔可用于装载柱形磁铁，当受到海浪激励时，圆柱滚动体会沿着端盖上预设轨迹移动，圆柱滚动体内空腔中的柱形磁铁会随之移动，产生变化的磁场，端盖内侧的固定线圈会切割磁感线，在导线内部产生电流；当外壳受到外界机械作用产生运动时，圆柱滚动体会在外壳内部按照预定轨迹做往复运动，从不同位置挤压折纸结构，引起折纸结构的形态变化，在挤压处折纸结构会呈现一种全压缩状态，上下两个表面的感应电极会发生接触，当圆柱滚动体移动到其他位置，此处的折纸结构由于回弹性能优异会恢复到不完全压缩状态，上下两个表面的感应电极分离，完成运动的机械能转化为电能。
优选地,所述外壳包括底盘和端盖两部分，所述底盘和端盖之间采用榫接的方式连接，所述端盖内侧设有滑槽和六个圆柱形孔，圆柱摆固定在滑槽内，按照滑槽预定轨迹滑动，六个圆柱形孔沿曲线均匀分布，柱形磁铁和线圈固定在圆柱孔内；所述底盘上设有圆柱槽与支撑板链接。
优选地,所述支撑板上设有三个平行长方形区域用于固定折纸结构支撑板下方设有圆柱轴铰接在外壳上，可沿圆周发生相互滑动。
优选地,所述折纸结构采用类三浦折叠结构，其组成单元为三浦折纸单元，所述三浦折纸单元的上下边为同圆心的圆周曲线，所述三浦折纸单元的左右端点在圆周曲线与两条直线的交点上，所述两条直线是经过圆心角度相差1.5°的两条相交线。
优选地,所述摩擦感应电极为交替粘贴在折纸结构表面上的正摩擦电极和负摩擦电极两种，所述正摩擦电极采用硅胶材料并将其粘贴在导电镍布上，所述负摩擦电采用导电镍布材料。
优选地,所述的底盘与支撑板之间通过圆柱铰链连接，并在两侧使用了扭簧，一端固定在底盘上，一端固定在支撑板上。
优选地,所述的摩擦感应电极由两种电子亲和力差异较大的硅胶和镍布组成，背面分别制作金属层，上下金属层通过外电路连接，当折纸结构处于完全压缩状态时，上下摩擦感应电极接触并产生摩擦；由于不同材料对电子的亲和性不一样，在互相接触后，两种材料硅胶和镍布将携带等量的异种电荷，在静电平衡的作用下，负电荷经外电路流至正极性材料背面的导电电极上，正电荷经外电路流至负极性材料背面的导电电极上，在外电路内形成电流，由于海浪的频率和幅值不同，产生的电流大小不同，可以依据此对海洋环境进行监测。
本发明与背景技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：
1.本发明采用熔融沉积建模方法进行制作，主要材料为柔性热塑性材料和纸，制作过程简单、耗材少、成本低。
2.相比于其他海洋能量收集装置，本发明所使用的新型折纸结构，大大增加了同等体积下的摩擦面积，更高的功率密度。
3.本发明在收集低频海洋能量时，通过摩擦纳米发电机获得较高输出电压；在收集高频海洋能量时，通过电磁摩擦纳米发电机获得较高的输出电流。采用电磁-摩擦电耦合方式，实现全频段的能量收集。
4.本发明采用了扭簧，可以在一定程度上提高海洋能量的频率，实现更好的能量收集效果。
5.本发明具有很高的可靠性，多次按压后电学性能依然稳定。
附图说明
图1是一种基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置的总体结构示意图。
图2是本发明的新型折纸结构结构示意图。
图3是本发明摩擦发电装置发电原理图。
具体实施方式
下面将本发明优选实施例结合附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例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基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置，可以在海洋环境中收集海浪能量，为海洋设备部组件供电，可集成到网络中，有效的收集大规模全频段海浪能量，大大提高海洋能量收集效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明的自发电的技术方案基于电磁感应效应和摩擦发电原理。该纳米发电机设有两套独立的自发电系统，分别为摩擦纳米发电系统和电磁发电系统。摩擦纳米发电系统设置于底盘和端盖类榫接后形成的内部空腔内，电磁发电系统设置于两个端盖处。
参见图1，一种基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置，包括外壳、支撑板3、圆柱滚动体4、折纸结构5、摩擦感应电极6、线圈7和柱形磁铁8形成的两套独立的自发电系统，分别为摩擦纳米发电系统和电磁发电系统，摩擦纳米发电系统设置于底盘和端盖榫接后形成的内部空腔内，电磁发电系统设置于两个端盖处。以上两种发电系统单独作用、互不干涉，两种发电系统产生的电流通过整流后连接蓄电池而将电能储存在蓄电池中，为海洋设备部组件供电。
本发明具有高的能量收集效率，能够利用电磁感应效应和材料之间的摩擦电原理将海洋中的机械能转化为电能，来解决目前海洋设备部组件在使用过程中需更换电池的问题，实现海洋设备部组件长时间、无人化工作。
其中，外壳包括底盘1和端盖2两部分，底盘1和端盖2之间采用榫接的方式连接，端盖2内侧设有滑槽和六个圆柱形孔，圆柱摆固定在滑槽内，按照滑槽预定轨迹滑动，六个圆柱形孔沿曲线均匀分布，柱形磁铁8和线圈7固定在圆柱孔内；底盘1上设有圆柱槽与支撑板3链接。
支撑板3上设有三个平行长方形区域用于固定折纸结构5，支撑板3下方设有圆柱轴铰接在外壳上，可沿圆周发生相互滑动。
其中，圆柱滚动体4为中空圆柱外壳，包括上下两个半圆外壳，上下外壳间采用榫接的方式连接，内设有空腔可用于装载柱形磁铁8，当受到海浪激励时，圆柱滚动体4会沿着端盖2上预设轨迹移动，圆柱滚动体4内空腔中的柱形磁铁会随之移动，产生变化的磁场，端盖内侧的固定线圈会切割磁感线，在导线内部产生电流。
其中，折纸结构5采用类三浦折叠结构，其组成单元为三浦折纸单元，三浦折纸单元的上下边为同圆心的圆周曲线，三浦折纸单元的左右端点在圆周曲线与两条直线的交点上，两条直线是经过圆心角度相差1.5°的两条相交线(如图2所示，其中虚线为凹线，实线为凸线)。
其中，摩擦感应电极6为交替粘贴在折纸结构5表面上的正摩擦电极和负摩擦电极两种，正摩擦电极采用硅胶材料并将其粘贴在导电镍布上，负摩擦电采用导电镍布材料。
其中，底盘1与支撑板3之间通过圆柱铰链连接，并在两侧使用了扭簧，一端固定在底盘1上，一端固定在支撑板3上。
本发明包括具有封闭结构以在内部形成摩擦空间的外壳和位于摩擦空间内部的圆柱滚动体4和折纸结构5，当外壳受到外界机械作用产生运动时，圆柱滚动体4会在外壳内部按照预定轨迹做往复运动，从不同位置挤压折纸结构5，引起折纸结构5的形态变化，在挤压处折纸结构5会呈现一种全压缩状态，上下两个表面的感应电极会发生接触，当圆柱滚动体4移动到其他位置，此处的折纸结构5由于回弹性能优异会恢复到不完全压缩状态，上下两个表面的感应电极分离，完成运动的机械能转化为电能。
如图3所示，摩擦感应电极6由两种电子亲和力差异较大的材料A和材料B组成，在本实施例中材料A采用硅胶，材料B采用镍布。摩擦感应电极背面分别制作金属层，上下金属层通过外电路连接，当折纸结构5处于完全压缩状态时，上下摩擦感应电极接触并产生摩擦；由于不同材料对电子的亲和性不一样，在互相接触后，两种材料将携带等量的异种电荷，在静电平衡的作用下，负电荷经外电路流至正极性材料背面的导电电极上，正电荷经外电路流至负极性材料背面的导电电极上，在外电路内形成电流，由于海浪的频率和幅值不同，产生的电流大小不同，可以依据此对海洋环境进行监测。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置，其特征在于,包括外壳、支撑板(3)、圆柱滚动体(4)、折纸结构(5)、摩擦感应电极(6)、线圈(7)和柱形磁铁(8)形成的两套独立的自发电系统，分别为摩擦纳米发电系统和电磁发电系统，所述两套独立的自发电系统产生的电流通过整流后连接蓄电池而将电能储存在蓄电池中，为海洋设备部组件供电；所述圆柱滚动体(4)为中空圆柱外壳，包括上下两个半圆外壳，上下外壳间采用榫接的方式连接，内设有空腔可用于装载柱形磁铁(8)，当受到海浪激励时，圆柱滚动体(4)会沿着端盖(2)上预设轨迹移动，圆柱滚动体(4)内空腔中的柱形磁铁会随之移动，产生变化的磁场，端盖内侧的固定线圈会切割磁感线，在导线内部产生电流；当外壳受到外界机械作用产生运动时，圆柱滚动体(4)会在外壳内部按照预定轨迹做往复运动，从不同位置挤压折纸结构(5)，引起折纸结构(5)的形态变化，在挤压处折纸结构(5)会呈现一种全压缩状态，上下两个表面的感应电极会发生接触，当圆柱滚动体(4)移动到其他位置，此处的折纸结构(5)由于回弹性能优异会恢复到不完全压缩状态，上下两个表面的感应电极分离，完成运动的机械能转化为电能。
2.根据权利要求1所述的基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置，其特征在于,所述外壳包括底盘(1)和端盖(2)两部分，所述底盘(1)和端盖(2)之间采用榫接的方式连接，所述端盖(2)内侧设有滑槽和六个圆柱形孔，圆柱摆固定在滑槽内，按照滑槽预定轨迹滑动，六个圆柱形孔沿曲线均匀分布，柱形磁铁(8)和线圈(7)固定在圆柱孔内；所述底盘(1)上设有圆柱槽与支撑板(3)链接。
3.根据权利要求1所述的基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置，其特征在于,所述支撑板(3)上设有三个平行长方形区域用于固定折纸结构(5)，支撑板(3)下方设有圆柱轴铰接在外壳上，可沿圆周发生相互滑动。
4.根据权利要求1所述的基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置，其特征在于,所述折纸结构(5)采用类三浦折叠结构，其组成单元为三浦折纸单元，所述三浦折纸单元的上下边为同圆心的圆周曲线，所述三浦折纸单元的左右端点在圆周曲线与两条直线的交点上，所述两条直线是经过圆心角度相差1.5°的两条相交线。
5.根据权利要求1所述的基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置，其特征在于,所述摩擦感应电极(6)为交替粘贴在折纸结构(5)表面上的正摩擦电极和负摩擦电极两种，所述正摩擦电极采用硅胶材料并将其粘贴在导电镍布上，所述负摩擦电极采用导电镍布材料。
6.根据权利要求2所述的基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置，其特征在于,所述的底盘(1)与支撑板(3)之间通过圆柱铰链连接，并在两侧使用了扭簧，一端固定在底盘(1)上，一端固定在支撑板(3)上。
7.根据权利要求1所述的基于折纸结构的摩擦电-电磁复合能量收集装置，其特征在于,所述的摩擦感应电极(6)由两种电子亲和力差异较大的硅胶和镍布组成，背面分别制作金属层，上下金属层通过外电路连接，当折纸结构(5)处于完全压缩状态时，上下摩擦感应电极接触并产生摩擦；由于不同材料对电子的亲和性不一样，在互相接触后，两种材料硅胶和镍布将携带等量的异种电荷，在静电平衡的作用下，负电荷经外电路流至正极性材料背面的导电电极上，正电荷经外电路流至负极性材料背面的导电电极上，在外电路内形成电流，由于海浪的频率和幅值不同，产生的电流大小不同，可以依据此对海洋环境进行监测。
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