CN114039502B - 一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置及其发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置及其发电方法。该装置包括浮壳和发电模块。所述的发电模块包括摆动多联件、连接杆和空心筒。摆动多联件包括固定在一起的支撑杆、摆动重块和多根横杆。筒状空腔的底部均设置有定发电部。定发电部包括依次粘接在一起的支撑板、导电胶带和尼龙膜。空心筒的底部设置有动发电部。动发电部包括依次粘接在一起的支撑板、导电胶带和FEP膜。本发明通过浮壳内部的单个摆动多联件的转动，利用连杆结构带动多个纳米摩擦发电单元持续输出电流。此外，由于本发明采用接触分离式发电方式，摩擦力小，相较于滑动式摩擦发电方式，减少了膜材料的磨损，使装置的使用寿命得到提高。
Description
技术领域
本申请涉及水厂废弃能源收集和自驱动发电领域，特别是涉及一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置。
背景技术
在现代污水处理过程中，水处理构筑物会造成大量能源浪费，例如：在曝气过程中，由于曝气量不当而导致曝气量过大产生废气，以及在曝气过程中，所产生的水波动能的浪费。在搅拌池中，由于水流流态不稳定也会存在水波动能的浪费。因此，在污水处理过程中所产生的巨大能耗及其伴随的能源浪费对人类构成巨大挑战，成为全球紧迫的问题，同时对传统工艺进行升级改造来适应当前所面临的能源问题也亟待解决。为了减少电力供应所导致的化石燃料的燃烧，节能减排，开发可回收的绿色能源和低成本的废水处理工艺是十分紧迫的。如果这些废弃能源可以得到有效地收集并被应用到水处理过程中，则可以极大地减少水处理过程中能源的输入，同时达到水处理的目的。
如今，基于有机材料的纳米摩擦发电机得到广泛的研究。它的工作原理基于摩擦起电效应和静电感应效应的耦合。纳米摩擦发电机与目前广泛使用的发电设备有本质区别，它可以非常便捷地收集多种不同形式、不规则或者低频的机械能(如人体运动，振动，机械触发，轮胎转动，风能，水能等)并将其转换为电能，具有非常广泛的应用空间。为环境和能源领域的设计和应用提供有价值的设想。
发明内容
本发明的目的在于一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置，以期通过收集水厂处理过程中的水波能并将其转换为电能应用于水处理过程中，为水厂节能减排寻求解决方案提供基础理论。
为实现上述技术效果，本发明采用了以下技术方案：
本发明一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置，包括浮壳，以及安装在浮壳内的发电模块。所述的发电模块包括摆动多联件、连接杆和空心筒。摆动多联件包括固定在一起的支撑杆、摆动重块和多根横杆。支撑杆的一端与浮壳的内腔转动连接；支撑杆的另一端连接有摆动重块。各根横杆的内端均与支撑杆的连接。所述的浮壳内设置有环绕在摆动多联件周围的多个筒状空腔。筒状空腔数量与横杆的数量对应。各筒状空腔中均滑动连接有空心筒。多根横杆的外端与多根连接杆的一端转动连接；各连接杆的另一端与对应的空心筒转动连接。
每个筒状空腔的底部均设置有定发电部。定发电部包括依次粘接在一起的支撑板、导电胶带和尼龙膜。所述空心筒的底部设置有动发电部。动发电部包括依次粘接在一起的支撑板、导电胶带和FEP膜。定发电部上的尼龙膜与动发电部上的FEP膜相互正对。空心筒在筒状空腔内往复滑动的过程中。尼龙膜与FEP膜持续进行接触和分离。定发电部和动发电部上的导电胶带形成两个电极。每个筒状空腔和对应的空心筒形成一个发电单元。各发电单元的两个电极并联输出。
作为优选，所述的浮壳包括上半球壳和下半球基座。上半球壳与下半球基座通过防水胶布粘合在一起，形成内部留有密封安装空间的球形浮体。
作为优选，各根横杆位于支撑杆连接有配重块的端部位置，且沿支撑杆的周向均布。
作为优选，所述支撑杆与浮壳的内腔通过固定在支撑杆端部的连接球体构成球面副。
作为优选，所述支撑杆与浮壳的内腔通过二自由度万向节连接。
作为优选，所述的支撑板、FEP膜、尼龙膜和导电胶带均通过激光切割得到。
作为优选，所述支撑杆的中部与浮壳内侧面的多个不同位置通过多根弹簧连接。
该用于收集水波能的纳米摩擦发电装置的发电方法如下：
向将进行水处理的水体中投加一个或多个该球形纳米摩擦发电装置；浮壳在水体上产生的水波推动下发生运动；浮壳运动的过程中，摆动多联件相对于浮壳持续发生摆动；摆动多联件在摆动过程中带动各空心筒开始往复滑动，空心筒上的FEP膜与下半球基座上的尼龙膜不断接触和分离，各发电单元持续输出电流。
作为优选，多个球形纳米摩擦发电装置通过绳索连接在一起，且输出电信号并联在一起。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：
1.本发明通过浮壳内部的单个摆动多联件的转动，利用连杆结构带动多个纳米摩擦发电单元持续输出电流，具有结构新颖，成本低廉，无环境污染，同时具有较大的电能产出。此外，由于本发明采用接触分离式发电方式，摩擦力小，相较于滑动式摩擦发电方式，减少了膜材料的磨损，使装置的使用寿命得到提高。
2.本发明能够便捷地收集水厂中废弃的水波机械能，将其转换为水处理过程中所需要的电能，能够降低水处理成本，并达到节能减排的作用。
3.本发明通过根据水波能量的大小，水处理池体的尺寸，以及用电量需求，使用不同数量的球形纳米摩擦发电装置，并将多个球形纳米摩擦发电装置组网并联，提高电能输出。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的剖面示意图；
图3为本发明中摆动多联件的结构示意图；
图4为本发明中连接杆的结构示意图；
图5为本发明输出性能图，其中，a部分为不同发电单元并联电压输出性能图；b部分为不同发电单元并联电流输出性能图。
图中：1、上半球壳；2、下半球基座；3、筒状空腔；4矩形铰座；5、摆动多联件；6、横杆；7、支撑杆；8、连接球体；9、转动节；10、连接杆；11、挂环、12、空心筒；13、铰轴；14、定发电部；15、动发电部；16、摆动重块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明：
实施例1
如图1和2所示，一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置，包括浮壳和发电模块。浮壳包括上半球壳1和下半球基座2。上半球壳1与下半球基座2通过防水胶布粘合在一起，形成内部留有密封安装空间的球形浮体。
如图1、2和3所示，发电模块包括摆动多联件5、转动节9、连接杆10和空心筒12。摆动多联件5包括固定在一起的连接球体8、支撑杆7、摆动重块16和六根横杆6。连接球体8、摆动重块16与支撑杆7的顶端、底端分别连接。各横杆6的内端均连接在支撑杆7侧面的顶端，且沿支撑杆7轴线的周向均布。横杆6的轴线与支撑杆7的轴线垂直。连接球体8与下半球基座2内腔的中心位置构成球面副，从而使得摆动多联件5能够向任意方向摆动。
下半球基座2内开设有六个筒状空腔3。各筒状空腔3沿浮壳的一条过连接球体8圆心的直径的周向均布。每个筒状空腔3的底部均设置有定发电部14。定发电部14的直径为50mm，包括依次粘接在一起的支撑板、导电胶带和尼龙膜。每个筒状空腔3中均滑动连接有空心筒12。空心筒12的底部设置有动发电部15。动发电部15的直径为50mm，包括依次粘接在一起的支撑板、导电胶带和FEP膜。定发电部14上的尼龙膜与动发电部15上的FEP膜相互正对。空心筒12在筒状空腔3内往复滑动的过程中。尼龙膜与FEP膜持续进行接触和分离，从而产生电流。定发电部14和动发电部15上的导电胶带形成两个电极。FEP膜和尼龙膜为发电材料；支撑板、FEP膜、尼龙膜和导电胶带均通过激光切割得到。支撑板采用亚克力板。
六根横杆6的外端与六根连接杆10的一端转动连接；六根连接杆10的另一端与空心筒12的顶部转动连接；当摆动多联件5在水波作用下发生摆动时，将带动各空心筒12进行往复运动。摆动多联件5在水波的作用下沿四周晃动，使得空心筒12在连接杆10的传动下开始上下运动，使得空心筒12底端FEP膜与下半球基座上的尼龙膜不断接触和分离，从而产生电流。每个筒状空腔3和对应的空心筒12形成一个发电单元。各发电单元的两个电极并联后引出浮壳，连接至负载或蓄电池。
如图2和4所示，横杆6与对应的连接杆10之间设置有转动节9。横杆6的外端与转动节9的一端通过螺钉连接。连接杆10与转动节9通过销轴铰接；连接杆10连接空心筒12的端部设置有挂环11；空心筒12内壁顶部固定有铰轴13；铰轴13与对应连接杆10上的挂环11转动连接。筒状空腔3的直径为50mm、深度为50mm。下半球基座2平面中心位置安装有矩形铰座4。连接球体8安装在矩形铰座4上。为了减轻整体装置的重量，下半球基座采用空心结构。浮壳和发电模块的主体均通过3D打印技术制作，材料采用光固化树脂。
该用于收集水波能的纳米摩擦发电装置具体针对水厂处理构筑物中水波能浪费，现有发电设备不便于收集水波能等问题，其工作原理如下：
将该球形纳米摩擦发电装置投入进行水处理的水体中；浮壳在水体上产生的水波推动下发生运动；浮壳运动的过程中，摆动多联件5相对于浮壳持续发生摆动；摆动多联件5在摆动过程中带动各空心筒12开始往复滑动，空心筒12上的FEP膜与下半球基座上的尼龙膜不断接触和分离，各发电单元输出电流，实现水处理过程中的逸散能量回收。
该纳米摩擦发电装置在实测发电过程中的电压和电流输出情况如图4所示，可以看出，并联后各发电单元能够共同输出电流，提高输出功率，电流最高可达5μA，电压最高可达105V左右。在六个发电单元全部并联后，电压有所下降，下降到100V左右，这是因为发电单元所产出的电为交流电，在并联后，可能出现相位差，使得部分电压抵消，但此时输出功率得到了稳定。
实施例2
一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置，本实施例与实施例1的区别在于：使用二自由度万向节替代连接球体9，即支撑杆7的端部与下半球基座3通过二自由度万向节连接，避免支撑杆7绕自身轴线转动。
实施例3
一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置，本实施例与实施例2的区别在于：支撑杆7的中部与浮壳内侧面的多个不同位置通过多根弹簧连接，利用弹簧暂存水波能力，使得电流输出更平顺，发电效率更高。
Claims (9)
1.一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置，其特征在于：包括浮壳，以及安装在浮壳内的发电模块；所述的发电模块包括摆动多联件（5）、连接杆（10）和空心筒（12）；摆动多联件（5）包括固定在一起的支撑杆（7）、摆动重块和多根横杆（6）；支撑杆（7）的一端与浮壳的内腔转动连接；支撑杆（7）的另一端连接有摆动重块；各根横杆（6）的内端均与支撑杆（7）的连接；所述的浮壳内设置有环绕在摆动多联件（5）周围的多个筒状空腔（3）；筒状空腔（3）数量与横杆（6）的数量对应；各筒状空腔（3）中均滑动连接有空心筒（12）；多根横杆（6）的外端与多根连接杆（10）的一端转动连接；各连接杆（10）的另一端与对应的空心筒（12）转动连接；
每个筒状空腔（3）的底部均设置有定发电部；定发电部包括依次粘接在一起的支撑板、导电胶带和尼龙膜；所述空心筒（12）的底部设置有动发电部；动发电部包括依次粘接在一起的支撑板、导电胶带和FEP膜；定发电部上的尼龙膜与动发电部上的FEP膜相互正对；空心筒（12）在筒状空腔（3）内往复滑动的过程中；尼龙膜与FEP膜持续进行接触和分离；定发电部和动发电部上的导电胶带形成两个电极；每个筒状空腔（3）和对应的空心筒（12）形成一个发电单元；各发电单元的两个电极并联输出。
2.根据权利要求1所述的一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置，其特征在于：所述的浮壳包括上半球壳（1）和下半球基座（2）；上半球壳（1）与下半球基座（2）通过防水胶布粘合在一起，形成内部留有密封安装空间的球形浮体。
3.根据权利要求1所述的一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置，其特征在于：各根横杆（6）位于支撑杆（7）连接有摆动重块的端部位置，且沿支撑杆（7）的周向均布。
4.根据权利要求1所述的一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置，其特征在于：所述支撑杆（7）与浮壳的内腔通过固定在支撑杆（7）端部的连接球体（8）构成球面副。
5.根据权利要求1所述的一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置，其特征在于：所述支撑杆（7）与浮壳的内腔通过二自由度万向节连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置，其特征在于：所述的定发电部和动发电部上的支撑板、FEP膜、尼龙膜和导电胶带均通过激光切割得到。
7.根据权利要求1所述的一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置，其特征在于：所述支撑杆（7）的中部与浮壳内侧面的多个不同位置通过多根弹簧连接。
8.如权利要求2所述的一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置的发电方法，其特征在于：向将进行水处理的水体中投加一个或多个该球形纳米摩擦发电装置；浮壳在水体上产生的水波推动下发生运动；浮壳运动的过程中，摆动多联件（5）相对于浮壳持续发生摆动；摆动多联件（5）在摆动过程中带动各空心筒（12）开始往复滑动，空心筒（12）上的FEP膜与下半球基座上的尼龙膜不断接触和分离，各发电单元持续输出电流。
9.根据权利要求8所述的发电方法，其特征在于：多个球形纳米摩擦发电装置通过绳索连接在一起，且输出电信号并联在一起。
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| 摩擦纳米发电机研究可视化图谱分析;汪朋飞等;《科学技术与工程》;第20卷(第24期);第9716-9723页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114039502A (zh) | 2022-02-11 |
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