CN113300630A - 一种基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置，涉及摩擦纳米发电机技术领域，包括相连的发电部和贮电部，所述发电部包括若干个摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括中空立方体型的壳体和设置于壳体内的介电球，所述介电球的直径小于所述立方体的最短边，所述壳体的六个内表面上各设置有一片电极，所述介电球在所述壳体内受到受迫振动与电极接触分离。本发明通过设置阵列式摩擦纳米发电机，可以收集多个方向振动的能量，且适用于低中频率范围内的振动，能够比较完美地适用在船舶上收集振动能量。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置。

背景技术

智能船舶作为交通强国建设重要组成部分，已成为航运界的重点研究领域之一。船舶是一种由多个相互关联机械设备及系统组成的复杂交通运输工具，为保障其安全、可靠地运行，首先要获悉船机设备的工作状态。因此，感知技术在船舶健康运行过程中扮演着重要的角色。通过传感网络实现船舶机械自身状态信息及周围环境信息的感知，对于提高船舶机械健康监测能力，保障航行安全起到了十分重要的作用，是推动智能船舶、智能航运的发展的重要壳。随着研究的深入，现有传感节点数量已无法满足智能船舶机械设备全面、精确监测的需求，因此需在现有基础上增设大量的传感器。此外，船舶传感网络的供电主要来源于主电力系统，虽然船舶电力可以自给自足，但船机设备遍布各个舱室，电缆铺设难度大、保养维护难、设备成本高，且机舱恶劣环境造成的电缆损坏也会影响传感网络的工作，甚至危及船舶和船员的安全。针对上述问题，采用无线传感网络实时精确监测设备状态成为一种可解决的思路。

在船舶环境中应用无线传感网络面临着无线通信和节点供能两大难题。大量学者在提高船舶环境无线通信质量方面开展了深入的研究，但对于节点供能，传统蓄电池的寿命受限及环境污染并未得到很好的解决。几乎所有船机备的运转都会产生振动，振动产生的单点能量虽小，但其能源输入稳定、分布广泛，若能有效收集船机振动能量并为无线传感节点供能，将降低船舶设计和建造困难，由此带来的传感器灵活布置也能提高船机设备的感知精度。船机设备种类繁多，根据船机设备的工作特点，其振动主要为多方向、集中于几Hz至几百Hz宽频范围的中低频强迫振动。然而，现有电磁式振动能量收集装置主要适用于高频、大振幅的振动，压电式装置则集中于中高频振动能量采集，并且由于结构特性的影响，两者在多方向能量收集和宽频适用性方面均面临挑战。综上所述，有待发明一种能应用于低频小幅度振动的，能在船舶上提供电能的装置。

发明内容

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置，解决了现有船舶能量收集装置不能收集低频小幅振动的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置，其特征在于：包括相连的发电部和贮电部，所述发电部包括若干个摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括中空立方体型的壳体和设置于壳体内的介电球，所述介电球的直径小于所述壳体的最短边，所述壳体的六个内表面上各设置有一片电极，所述介电球在所述壳体内受到受迫振动与电极接触分离。

优选地，所述贮电部包括与摩擦纳米发电机相连的整流模块，所述整流模块与第一贮电模块相连，所述第一贮电模块与第二贮电模块相连。

优选地，所述电极为液态电极。

优选地，所述电极外包覆有硅胶。

优选地，所述壳体为正方体。

优选地，所述介电球采用尼龙材料。

优选地，所述壳体采用聚甲基丙烯酸甲酯。

优选地，若干个所述摩擦纳米发电机呈阵列排列。

本发明的有益效果在于：

本发明通过设置阵列式摩擦纳米发电机，可以收集多个方向振动的能量，且适用于低中频率范围内的振动，能够比较完美地适用在船舶上收集振动能量；

本发明通过设置液态电极和硅胶，使装置能量的利用率高，发电效率优异。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明单个摩擦纳米发电机示意图。

图2为本发明摩擦纳米发电机阵列示意图。

图3为本发明摩擦纳米发电机工作原理图。

图4为本发明贮电部电路图。

附图标号说明：

1、壳体；2、介电球；3、电极；4、第一电容；5、第一传输门；6、第二电容；7、第二传输门；8、桥式整流器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供一种技术方案：一种基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置，包括相连的发电部和贮电部，发电部包括若干个摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机如图1所示，摩擦纳米发电机包括中空正方体型的壳体1和设置于壳体内的介电球2，壳体1采用聚甲基丙烯酸甲酯，主要起支撑结构的作用。介电球2的直径小于壳体的最短边，介电球2采用尼龙材料，介电球质地均匀表面光滑，在本装置中作正性材料，限制在装置内部。壳体1的六个内表面上各设置有一片电极3，电极3为液态电极，电极3外包覆有硅胶。介电球2在壳体1内受到受迫振动与电极3重复接触分离运动。贮电部包括与摩擦纳米发电机相连的整流模块，整流模块与第一贮电模块相连，第一贮电模块与第二贮电模块相连。整流模块为桥式整流器8，第一贮电模块包括第一传输门5和第一电容4，第二贮电模块包括第二传输门7和第二电容6。

本发明摩擦纳米发电机由液态电极3、绝缘壳体1和介电球2组成。其中在该装置的结构单元中，绝缘壳体1为一个正方体壳，六片液态电极3固定在壳体1的六个内表面，装置中放一个介电球2，介电球2可以往上下左右前后六个方向运动。当介电球2受到受迫振动与液态电极1包覆硅胶发生接触分离时可向外输出电流。液态电极材料为液态金属，其中硅胶作为液态金属包覆材料用于封装液态金属，硅胶具有延展性好，易制备，成本低等特点，是作为液态电极的良好材料。

摩擦纳米发电机装置在工作时，在船机振动作用下能够激发内部介电球的受迫运动，介电球与六面的液态电极包覆材料接触分离引起界面电场的变化，产生位移电流，驱动电极中的电子在外电路中周期性流动，以此向外输出交流电。输出的交流电通过储能电路进行储存，可以为传感器供能。

图2是船舶振动能量收集装置阵列示意图，表示的是该装置的一种阵列可能性。该装置可以通过阵列串列起来增大输出。需要注意的是，此种排列方式不是唯一。

图3为工作原理图，其本质为摩擦纳米发电机，主要依靠接触起电和静电感应原理。为了描述方便，此处假设只受到竖直方向的振动，小球从初始位置即图3左上角所示位置开始向上运动，尼龙材质的介电球2与硅胶层接触，硅胶层和液态金属发生形变。根据摩擦电序列，介电球表面产生正电荷，硅胶层表面生负电荷。介电球2向上运动与硅胶层分离后如图3右上角位置所示，原来的静电平衡状态被打破，根据静电感应原理，下方液态电极通过外部电路将一定量的电子转移到上方的液态金属电极3上，以保持原来的平衡状态，同时介电球2表面感应出正电荷，电流方向向下。当介电球2运动到如图3右下角位置处时，上方液态电极3达到新的静电平衡，外电路没有电子流动。当介电球2运动到图3左下角时，介电球2与上方硅胶层分离，静电平衡被打破，此时上方液态金属电极3通过外部电路将一定量的电子转移到下方的液态金属电极3上，电流方向向上。前后振动左右振动同理。介电球2与六面的液态电极包覆材料接触分离引起界面电场的变化，产生位移电流，驱动电极中的电子在外电路中周期性流动，以此向外输出交流电。

图4为贮能电路图，本发明是收集船舶振动能量的摩擦纳米发电机，输出的电流为交流电。该电路采用的二级充电的方式，摩擦纳米发电机输出的电流通过桥式整流器8整流后变为直流电。第一级使用一个较小的第一电容4，当其电能充满之后，第一传输门5关闭，第二传输门7T打开，第一电容4释放电能对第二电容6充电。当第一电容4电能释放完毕之后打开第一传输门5，关闭第二传输门7，又对第一传输门5进行充电。重复此过程来储存电能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置，其特征在于：包括相连的发电部和贮电部，所述发电部包括若干个摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括中空立方体型的壳体(1)和设置于壳体内的介电球(2)，所述介电球(2)的直径小于所述壳体的最短边，所述壳体(1)的六个内表面上各设置有一片电极(3)，所述介电球(2)在所述壳体(1)内受到受迫振动与电极(3)重复接触分离运动。

2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置，其特征在于：所述贮电部包括与摩擦纳米发电机相连的整流模块，所述整流模块与第一贮电模块相连，所述第一贮电模块与第二贮电模块相连。

3.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置，其特征在于：所述电极(3)为液态电极。

4.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置，其特征在于：所述电极(3)外包覆有硅胶。

5.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置，其特征在于：所述壳体(1)为正方体。

6.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置，其特征在于：所述介电球(2)采用尼龙材料。

7.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置，其特征在于：所述壳体(1)采用聚甲基丙烯酸甲酯。

8.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的船舶振动能量收集装置，其特征在于：若干个所述摩擦纳米发电机呈阵列排列。

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