CN114374336B - 一种伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机，包括密闭的壳体，壳体内设置有支撑组件和发电组件；支撑组件包括与壳体固连的支架，支架通过虎克铰连接有连接座，发电组件包括至少一个发电单元，每个发电单元均包括与连接座固连的上基板和与支架固连的下基板，上基板的底面和下基板的顶面分别设置有一个电极，且上基板上的电极和下基板上的电极不同，两个电极为阳极和阴极，阳极能够与阴极相互接触并摩擦起电，阳极和阴极分别连接有一个电线，两个电线均穿出壳体并连接负载电路，两个电线均与壳体密封连接。本发明的伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机能够利用纳米摩擦发电收集两个不同方向来流的动能，能有效提升装置的发电能力。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集技术领域，特别是涉及一种伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机。
背景技术
人类自古以来就学会了利用地球上的能源，如煤炭、石油等。第二次工业革命以后，石油的使用开始爆炸式增长。近两百年来，人们使用的石油总量已是天文数字。虽然不断地有新石油井被发现，且各方对石油的剩余使用年限持不同意见，但是人们一致认为石油的剩余量不足以再使用百年。在这种情况下，可再生能源成了各国政府的研究重点。近年来，风能、太阳能的利用得到了较大的发展。不过，仅仅靠这两种能量不足以满足人们的日常生产生活需要。
海洋占地球总面积的71％，含有十三亿五千多万立方千米的水，约占地球上总水量的97％。海洋中蕴藏着大量未开发和利用的资源，据评估为7.66*1013W。潮汐能、波浪能、洋流能、温差能、盐度差能等是海洋能量的常见形式，潮汐能主要依靠潮汐电站通过电磁发电机(EMG)进行能量回收，不过这种发电机制造成本高，体积庞大安装困难，对海岸地形有较高的要求。而且，对于海浪的低频运动，电磁发电机无法做到有效的能量转换。
在这种情况下，摩擦纳米发电机(TENG)引起了人们的注意，这是一种基于麦克斯韦转移电荷的新型能量收集和传感技术，具有较低的工作频率和较高的能量密度。同时，摩擦纳米发电机的制造工艺、制造材料丰富、性价比高。利用摩擦纳米发电机获取波浪能成为人们研究的热点，但海洋的恶劣环境对发电机提出不小的挑战，如何在电极不被海水短路的前提下有效的收集能量是研究者们不得不解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机，以解决上述现有技术存在的问题，利用摩擦纳米发电进行波浪能量的有效收集，并保证电极不被海水短路。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机，包括密闭的壳体，所述壳体内设置有支撑组件和发电组件；所述支撑组件包括与所述壳体固连的支架，所述支架通过虎克铰连接有连接座，所述发电组件包括至少一个发电单元，每个所述发电单元均包括与所述连接座固连的上基板和与所述支架固连的下基板，所述上基板的底面和所述下基板的顶面分别设置有一个电极，且所述上基板上的电极和所述下基板上的电极不同，两个所述电极为阳极和阴极，所述阳极能够与所述阴极相互接触并摩擦起电，所述阳极和所述阴极分别连接有一个电线，两个所述电线均穿出所述壳体并连接负载电路，两个所述电线均与所述壳体密封连接。
优选的，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体与所述下壳体密封且可拆卸连接。
优选的，所述壳体呈球形，所述上壳体和所述下壳体均呈半球形，所述上壳体与所述下壳体螺纹连接。
优选的，所述阳极包括依次连接的第一连接层、第一导电层和第一摩擦层，所述阴极包括依次连接的第二连接层、第二导电层和第二摩擦层，所述第二摩擦层能够与所述第一摩擦层相互接触并摩擦起电；所述第一连接层与所述上基板或所述下基板连接，所述第二连接层与所述上基板或所述下基板连接。
优选的，所述第一连接层和所述第二连接层的材料均为聚酰亚胺，所述第一导电层和所述第二导电层的材料均为铜，所述第一摩擦层的材料为聚酰胺，所述第二摩擦层的材料为聚四氟乙烯。
优选的，所述支架包括底座，所述底座的底面通过至少一个第一连接杆与所述下壳体固连，所述底座的顶面与支撑杆的底端固连，所述虎克铰一端与所述支撑杆的顶端固连，所述支撑杆的中部固定套设有套筒，所述下基板通过第二连接杆与所述套筒固连；所述上基板与所述下基板均倾斜设置，所述上基板的一端通过角码与所述连接座固连。
优选的，所述发电单元的数量为四个，所述支撑杆、所述套筒及所述连接座均呈长方体形；四个所述上基板分别与所述连接座的四个侧边连接，四个所述下基板分别与所述套筒的四个侧壁连接。
优选的，所述上基板还与所述连接座铰接，拆除所述角码后，所述上基板能够相对所述连接座转动。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机能够利用摩擦纳米发电进行波浪能量的有效收集，并保证电极不被海水短路。本发明的伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机成本低廉、材料轻巧、易于安装制造。本发明的伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机固有频率较低，可以与波浪实现有效的共振，有较强的能量转换效率。本发明的伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机可以收集两个方向的波浪运动能量，可以大幅提高波浪的能量利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机的结构示意图；
图2为本发明伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机的部分结构示意图一；
图3为本发明伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机的部分结构示意图二；
其中：100、伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机；1、壳体；101、上壳体；102、下壳体；103、通孔；2、第一连接杆；3、支撑杆；4、套筒；5、第二连接杆；6、连接座；7、上基板；8、下基板；9、角码；10、底座；11、虎克铰。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的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伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机，以解决上述现有技术存在的问题，利用摩擦纳米发电进行波浪能量的有效收集，并保证电极不被海水短路。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图3所示：本实施例提供了一种伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机100，包括密闭的壳体1，壳体1内设置有支撑组件和发电组件；壳体1包括上壳体101和下壳体102，壳体1呈球形，上壳体101和下壳体102均呈半球形，原则上上壳体101与下壳体102需要密封且可拆卸连接，在本实施例中上壳体101与下壳体102螺纹连接。
支撑组件包括与壳体1固连的支架，支架包括底座10，底座10的底面通过至少四个第一连接杆2与下壳体102固连，第一连接杆2竖直，底座10为一水平的方形板；底座10的顶面与支撑杆3的底端固连(焊接或通过螺栓连接)，虎克铰11一端与支撑杆3的顶端固连(螺纹连接)，虎克铰11的另一端通过螺栓与连接座6固连，虎克铰11为具有两个转动自由度的现有成熟产品，故连接座6是能够通过虎克铰11相对支撑杆3向两个方向转动。
支撑杆3的中部固定套设有套筒4，支撑杆3、套筒4及连接座6均呈长方体形；在套筒4的四个侧壁上均设置有螺纹孔和连接板，每个螺纹孔上用于安装定位螺栓，定位螺栓与支撑杆3紧密接触从而实现套筒4在支撑杆3上的定位。
发电组件包括四个发电单元；每个发电单元均包括与连接座6固连的上基板7和与支架固连的下基板8，上基板7与下基板8均倾斜设置，下基板8通过第二连接杆5与套筒4固连；上基板7一端与连接座6铰接，同时上基板7还通过角码9与连接座6固连；拆除角码9后，上基板7能够相对连接座6转动，这样设置能够方便在安装时对上基板7的倾斜角度进行适应性地调整，在将上基板7的角度调节到位后再安装角码9将上基板7与连接座6固连。
上基板7的底面和下基板8的顶面分别设置有一个电极，且上基板7上的电极和下基板8上的电极不同，两个电极为阳极和阴极，在本实施例中阳极设置在下基板8的顶面，阴极设置在上基板7的底面。
阳极包括依次连接的第一连接层、第一导电层和第一摩擦层，阴极包括依次连接的第二连接层、第二导电层和第二摩擦层，第二摩擦层能够与第一摩擦层相互接触并摩擦起电；在本实施例中，第一连接层与下基板8连接，第二连接层与上基板7连接。第一连接层和第二连接层的材料均为聚酰亚胺，第一导电层和第二导电层的材料均为铜，第一摩擦层的材料为聚酰胺，第二摩擦层的材料为聚四氟乙烯。
阳极中的第一导电层和阴极中的第二导电层还分别连接有一个电线，两个电线均穿出上壳体101上的通孔103并连接外部的负载电路，两个电线均与通孔103密封连接。
需要说明的是，因为本实施例中设置有四个发电单元，而连接座6为一方形板，故四个上基板7分别与连接座6的四个侧边连接，而四个下基板8分别与套筒4的四个侧壁连接。
本实施例伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机100的工作原理如下：
伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机100可漂浮于水面上，水面静止时，整个装置不会有运动，没有感应电荷。当外部激励(波浪)来临时，由于支撑杆3固定在下球壳上，支撑杆3和壳体1会随波浪的运动而向同方向运动，连接座6和上基板7由于惯性的存在，运动响应会相对滞后，在虎克铰11的转动下，上基板7和下基板8会实现接触。当整个装置越过波浪的波峰时，会向反方向运动，此时上下基板8会分开。在波浪周期的来临过程中，和波浪方向正交的上基板7上的阳极与下基板8上的阴极便会周期性地接触分离，另一方向的上基板7的阳极和下基板8上的阴极不会有接触分离。因为虎克铰11有两个转动自由度，所以总有两对基板在接触分离带动发电机工作，即水面上波浪来流的方向不会影响伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机100的发电。在周期性的接触分离中，阳极和阴极会因为感应起电效应而产生电动势，此时电压差可通过连接线驱动外接负载。值得注意的是，由于高分子的绝缘性能很好，所以材料表面的电荷可以保持很长时间,长达几小时甚至几天。由于这些电荷只是局限在表面，而两种等量的相反电荷处在同一平面，这样两个电极之间依然没有电势差存在。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“竖直”、“水平”、“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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (1)
1.一种伞型四电极波浪能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：包括密闭的壳体，所述壳体内设置有支撑组件和发电组件；所述支撑组件包括与所述壳体固连的支架，所述支架通过虎克铰连接有连接座，所述发电组件包括至少一个发电单元，每个所述发电单元均包括与所述连接座固连的上基板和与所述支架固连的下基板，所述上基板的底面和所述下基板的顶面分别设置有一个电极，且所述上基板上的电极和所述下基板上的电极不同，两个所述电极为阳极和阴极，所述阳极能够与所述阴极相互接触并摩擦起电，所述阳极和所述阴极分别连接有一个电线，两个所述电线均穿出所述壳体并连接负载电路，两个所述电线均与所述壳体密封连接；
所述壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体与所述下壳体密封且可拆卸连接；所述壳体呈球形，所述上壳体和所述下壳体均呈半球形，所述上壳体与所述下壳体螺纹连接；
所述阳极包括依次连接的第一连接层、第一导电层和第一摩擦层，所述阴极包括依次连接的第二连接层、第二导电层和第二摩擦层，所述第二摩擦层能够与所述第一摩擦层相互接触并摩擦起电；所述第一连接层与所述上基板或所述下基板连接，所述第二连接层与所述上基板或所述下基板连接；所述第一连接层和所述第二连接层的材料均为聚酰亚胺，所述第一导电层和所述第二导电层的材料均为铜，所述第一摩擦层的材料为聚四氟乙烯，所述第二摩擦层的材料为聚酰胺；
所述支架包括底座，所述底座的底面通过至少一个第一连接杆与所述下壳体固连，所述底座的顶面与支撑杆的底端固连，所述虎克铰一端与所述支撑杆的顶端固连，所述支撑杆的中部固定套设有套筒，所述下基板通过第二连接杆与所述套筒固连；所述上基板与所述下基板均倾斜设置，所述上基板的一端通过角码与所述连接座固连；所述发电单元的数量为四个，所述支撑杆、所述套筒及所述连接座均呈长方体形；四个所述上基板分别与所述连接座的四个侧边连接，四个所述下基板分别与所述套筒的四个侧壁连接；所述上基板还与所述连接座铰接，拆除所述角码后，所述上基板能够相对所述连接座转动。
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