CN113530748A - 一种跷跷板式波浪能发电装置 - Google Patents

一种跷跷板式波浪能发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明用于发电技术领域，特别涉及一种跷跷板式波浪能发电装置，包括连杆，连杆的两端设有壳体，壳体内部设有滑块，滑块与壳体之间设有电磁发电模组和接触发电模组，电磁发电模组包括磁铁和线圈，接触发电模组包括弹性绝缘件，弹性绝缘件的一端连接壳体内壁，另一端连接滑块，弹性绝缘件上设有PVDF薄膜和尼龙膜，PVDF薄膜与弹性绝缘件之间设有金属电极。连杆上下跷动过程中滑块会滑动，滑块滑动过程中会驱使磁铁与线圈相对运动，从而实现电磁发电，同时滑块还会挤压和拉伸弹性绝缘件，使得弹性绝缘件上的PVDF薄膜和尼龙膜接触或分离，从而实现接触发电，使得频带兼容度高，有效提高发电效率。

Description

一种跷跷板式波浪能发电装置
技术领域
本发明用于发电技术领域，特别是涉及一种跷跷板式波浪能发电装置。
背景技术
摩擦纳米发电机是基于摩擦起电和静电感应效应的耦合，当两种正负极性相反的材料在外力驱动下互相接触时，其表面会分别感应出电性相反、电量相等的静电荷；当两种材料的接触表面发生分离时，其表面的静电荷会因为分离而产生的电势差会驱动电子在分别附着于两种材料的表面电极之间流动，从而产生电流输出。
摩擦纳米发电机具有重量轻、成本低、材料选择多样等特点，但是摩擦纳米发电机在海洋能采集过程中倾向于采集海洋中的低频能量，而高频海洋能采集的效率较低，导致这种发电装置的频带兼容度不高。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种跷跷板式波浪能发电装置，既能实现高频能量采集也能实现低频能量采集，提高了频带兼容度，提高发电效率。
本发明的一个实施例提供了一种跷跷板式波浪能发电装置，包括连杆，所述连杆的两端设有壳体，所述连杆能够带动两端的所述壳体上下跷动，所述壳体内部设有能够滑动的滑块，所述滑块与所述壳体之间设有电磁发电模组和接触发电模组，所述电磁发电模组的电流输出端和所述接触发电模组的电流输出端电连接，所述电磁发电模组包括磁铁和线圈，所述磁铁和线圈有一个设在所述滑块上，另一个设在所述壳体的内壁，所述接触发电模组包括弹性绝缘件，所述弹性绝缘件的一端连接所述壳体内壁，另一端连接所述滑块，所述弹性绝缘件上设有PVDF薄膜和尼龙膜，所述PVDF薄膜与所述弹性绝缘件之间设有金属电极，所述弹性绝缘件通过收缩或伸展以使PVDF薄膜和尼龙膜相互接触或分离，以实现接触发电。
本发明实施例的跷跷板式波浪能发电装置至少具有如下有益效果：使用过程中，连杆上下跷动，连杆两端壳体内部的滑块也会进行相应的滑动，滑块滑动过程中会驱使磁铁与线圈相对运动，从而使得线圈切割磁感线实现电磁发电，同时滑块滑动过程中还会挤压和拉伸弹性绝缘件，使得弹性绝缘件上的PVDF薄膜和尼龙膜接触或分离，从而实现接触发电，这种发电装置将电磁发电和摩擦纳米发电相结合，能够实现低频能量和高频能量的收集，提高频带兼容性，有效提高发电效率。
根据本发明的另一些实施例的跷跷板式波浪能发电装置，所述滑块内部具有空腔，所述空腔中设有滚动发电模组，所述滚动发电模组的电流输出端与所述电磁发电模组和所述接触发电模组的电流输出端电连接，所述滚动发电模组包括PDMS薄膜和尼龙棒，所述PDMS薄膜设在所述空腔的底面，所述PDMS薄膜与所述空腔的底面之间设有金属电极，所述尼龙棒放置在所述PDMS薄膜上并能够在所述PDMS薄膜上滚动。
根据本发明的另一些实施例的跷跷板式波浪能发电装置，所述滑块内部具有多层空腔，各所述空腔中均设有所述滚动发电模组。
根据本发明的另一些实施例的跷跷板式波浪能发电装置，所述壳体包括两个可拆卸的半球形壳。
根据本发明的另一些实施例的跷跷板式波浪能发电装置，所述壳体中固定有滑杆，所述滑杆沿所述连杆的长度方向延伸，所述滑块滑动装配在所述滑杆上。
根据本发明的另一些实施例的跷跷板式波浪能发电装置，所述PDMS薄膜表面设置摩擦纹理。
根据本发明的另一些实施例的跷跷板式波浪能发电装置，所述弹性绝缘件包括锯齿状的Kapton薄膜。
根据本发明的另一些实施例的跷跷板式波浪能发电装置，所述壳体内部设有两个挡板，两个所述挡板沿所述滑块的滑动方向间隔布置，所述滑杆的两端分别与两个所述挡板连接，所述滑块能够在两个所述挡板之间滑动。
根据本发明的另一些实施例的跷跷板式波浪能发电装置，所述弹性绝缘件的一端与所述滑块连接，另一端与所述挡板连接。
附图说明
图1是本发明一个实施例的示意图；
图2是图1实施例中壳体内部结构的示意图；
图3是图2所示的爆炸图；
图4是本发明中接触发电模块的开路电压和短路电流示意图；
图5本发明中的滚动发电模块的开路电压和短路电流示意图；
图6是本发明中的电磁发电模块的开路电压和短路电流示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
参见图1、图2、图3，本发明提供了一种跷跷板式波浪能发电装置，包括连杆1，连杆1的中间设有支撑装置，连杆1与支撑装置转动连接，连杆1的两端设有壳体2，连杆1能够以支撑装置为支点带动两端的壳体2上下跷动。
壳体2内部设有能够滑动的滑块3，滑块3与壳体2之间设有电磁发电模组4和接触发电模组。
电磁发电模组4的电流输出端和接触发电模组的电流输出端电连接。
电磁发电模组4包括磁铁40和线圈41，磁铁40和线圈41有一个设在滑块3上，另一个设在壳体2的内壁，滑块3滑动使得磁铁40和线圈41相对运动，从而实现电磁发电。
具体的，在本发明中，磁铁40安装在滑块3上，线圈41安装在壳体2内壁，滑块3滑动过程中会带动磁铁40运动，使得线圈41切割磁感线进行电磁发电。
当然还可以将线圈41安装在滑块3上，磁铁40安装在壳体2上，滑块3滑动过程中带动线圈41一起运动，使得线圈41切割磁感线进行电磁发电。
如图6所示的图为本发明中的电磁发电模块在应用过程中开路电压和短路电流的输出示意图。
在本发明所示的实施例中，滑块3的上下两端均设置磁铁40，线圈41是通过铜线缠绕而成的圆饼状结构，壳体2内部上下两端均贴有线圈41。
接触发电模组包括弹性绝缘件5，弹性绝缘件5的一端连接壳体2内壁，另一端连接滑块3，弹性绝缘件5上设有PVDF薄膜和尼龙膜，PVDF薄膜与弹性绝缘件5之间设有金属电极，弹性绝缘件5在滑块3的作用力下能够收缩或伸展，以使PVDF薄膜和尼龙膜相互接触或分离，实现接触发电。
如图4所示的图为本发明中接触发电模块在应用过程中获得的开路电压为800～1000V、短路电流为60～80μA、功率密度为25～30W/m3、能量转换效率约为10～14％。
需要说明的是，PVDF薄膜与尼龙膜利用静电纺机制备而成。
使用过程中，波浪推动连杆1两端的壳体2以支撑装置为中心上下跷动，连杆1两端壳体2内部的滑块3也会进行相应的滑动，滑块3滑动过程中会驱使磁铁40一起运动，从而使得线圈41切割磁感线实现电磁发电，同时滑块3滑动过程中还会挤压和拉伸弹性绝缘件5，使得弹性绝缘件5上的PVDF薄膜和尼龙膜接触或分离，从而实现接触发电，这种波浪发电装置将电磁发电和摩擦纳米发电相结合，能够实现低频能量的收集，有效提高发电效率。
在一些实施例中，滑块3内部具有空腔，空腔中设有滚动发电模组6，滚动发电模组6包括PDMS薄膜61和尼龙棒60，PDMS薄膜61铺设在空腔底面，PDMS薄膜61与空腔底面之间设有金属电极，尼龙棒60放置在PDMS薄膜61上并能够在PDMS薄膜61上滚动。
滑块3在壳体2内部滑动过程中，尼龙棒60会在PDMS薄膜61上进行滚动，从而实现滚动发电。
如图5所示的实施例中为滚动发电模块在应用过程中开路电压和短路电流的输出示意图。
滚动发电产生的电流会与接触发电产生的电流以及电磁发电产生的电流汇总输出，所以滚动发电模组6的电流输出端与电磁发电模组4和接触发电模组的电流输出端电连接。
进一步的，滑块3内部具有多层空腔，各空腔中均设有滚动发电模组6，在使用过程中，每个空腔内的滚动发电模组6均能够进行发电。
例如在本发明所示的实施例中，滑块3内部设有两层腔体，每层腔体的内部均安装所述滚动发电模组6。
在一些实施例中，壳体2包括两个可拆卸的半球形壳20，这样方便后续的拆卸与更换，其中，本发明中的壳体2是采用3D打印技术制备而成，而且3D打印所采用的材料为透明亚克力，所以壳体2也是透明的。
在另外一些实施例中，壳体2内部设有两个挡板9，两个挡板9沿滑块3的滑动方向间隔布置，滑杆8的两端分别与两个挡板9连接，滑块3能够在两个挡板9之间滑动，挡板9能够对滑块3进行限位，避免滑块3撞击到壳体2内壁。
在一些实施例中，弹性绝缘件5的一端与滑块3连接，另一端与挡板9连接。
滑块3是通过3D打印技术制备而成的方形壳体结构，滑块3是通过滑杆8滑动安装在壳体2内部。
具体的，滑杆8贯穿滑块3中部并与滑块3滑动连接，滑杆8的两端可以与挡板9连接。
在一些实施例中，PDMS薄膜61表面设置摩擦纹理，以提高PDMS薄膜61表面的摩擦系数，使得PDMS薄膜61与尼龙棒60之间滚动摩擦效果更好。
在本发明中，PDMS薄膜61是采用流延法制备而成。
弹性绝缘件5包括锯齿状的Kapton薄膜。
弹性绝缘件5的相邻两侧上均贴附有PVDF薄膜和尼龙膜，这样弹性绝缘件5伸缩过程中就能够实现PVDF薄膜和尼龙膜分离或接触，PVDF薄膜用于贴附弹性绝缘件5的一侧镀有金属电极。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.一种跷跷板式波浪能发电装置，其特征在于：包括连杆，所述连杆的两端设有壳体，所述连杆能够带动两端的所述壳体上下跷动，所述壳体内部设有能够滑动的滑块，所述滑块与所述壳体之间设有电磁发电模组和接触发电模组，所述电磁发电模组的电流输出端和所述接触发电模组的电流输出端电连接，所述电磁发电模组包括磁铁和线圈，所述磁铁和线圈有一个设在所述滑块上，另一个设在所述壳体的内壁，所述接触发电模组包括弹性绝缘件，所述弹性绝缘件的一端连接所述壳体内壁，另一端连接所述滑块，所述弹性绝缘件上设有PVDF薄膜和尼龙膜，所述PVDF薄膜与所述弹性绝缘件之间设有金属电极，所述弹性绝缘件通过收缩或伸展以使PVDF薄膜和尼龙膜相互接触或分离，以实现接触发电。
2.根据权利要求1所述的跷跷板式波浪能发电装置，其特征在于：所述滑块内部具有空腔，所述空腔中设有滚动发电模组，所述滚动发电模组的电流输出端与所述电磁发电模组和所述接触发电模组的电流输出端电连接，所述滚动发电模组包括PDMS薄膜和尼龙棒，所述PDMS薄膜设在所述空腔的底面，所述PDMS薄膜与所述空腔的底面之间设有金属电极，所述尼龙棒放置在所述PDMS薄膜上并能够在所述PDMS薄膜上滚动。
3.根据权利要求2所述的跷跷板式波浪能发电装置，其特征在于：所述滑块内部具有多层空腔，各所述空腔中均设有所述滚动发电模组。
4.根据权利要求1所述的跷跷板式波浪能发电装置，其特征在于：所述壳体包括两个可拆卸的半球形壳。
5.根据权利要求1所述的跷跷板式波浪能发电装置，其特征在于：所述壳体中固定有滑杆，所述滑杆沿所述连杆的长度方向延伸，所述滑块滑动装配在所述滑杆上。
6.根据权利要求2所述的跷跷板式波浪能发电装置，其特征在于：所述PDMS薄膜表面设置摩擦纹理。
7.根据权利要求1所述的跷跷板式波浪能发电装置，其特征在于：所述弹性绝缘件包括锯齿状的Kapton薄膜。
8.根据权利要求5所述的跷跷板式波浪能发电装置，其特征在于：所述壳体内部设有两个挡板，两个所述挡板沿所述滑块的滑动方向间隔布置，所述滑杆的两端分别与两个所述挡板连接，所述滑块能够在两个所述挡板之间滑动。
9.根据权利要求8所述的跷跷板式波浪能发电装置，其特征在于：所述弹性绝缘件的一端与所述滑块连接，另一端与所述挡板连接。
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