CN114483423A - 一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置，包括将强方向随机性的波浪运动转换成往复的旋转运动的波浪能俘获子系统以及基于摩擦纳米发电技术的能量输出子系统；能量输出子系统包括外筒两端外端盖之间固定设置的定子，定子的中心设置有动子，动子的中心固定连接有旋转轴，波浪能俘获子系统包括套设在两个旋转轴上的扭簧以及固定连接在两个旋转轴中部的绕线盘，扭簧的两端分别与定子和动子连接，两个绕线盘的中部设置有质量块，质量两端分别与两组绕线盘之间连接有连接线。本发明通过布置并联的弹簧‑质量系统，在通过俘获多方位波浪动能和势能提高装置发电性能的同时，还使其具有双稳态振动特性，提高其对波浪能的频率俘获宽度。

Description

一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及海浪发电设备技术领域，特别是涉及一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置。

背景技术

能源作为人类社会发展的物质基础，对于人类文明的向前跃进至关重要。但是随着世界人口爆炸式的增长，能源需求程度越来越多，不可再生能源的消耗逐步加大，全球温室效应及能源危机日益加重，在这一背景下，世界各国以全球协约的方式减排温室气体，我国由此提出了碳达峰、碳中和的目标，寻找一个可再生的清洁能源迫在眉睫。海洋波浪能作为一种新型、清洁、无污染的可再生能源，因其具有储量大、能量密度高、分布广泛、能量易于转化等优点。

海洋波浪能是海洋能源中储量巨大并且分布广泛的能源，是最具大规模应用前景的可再生能源之一。但是由于海洋波浪的低频率和高随机性的特点，传统的电磁发电机在收集低频的波浪能时往往存在较大的挑战，需要设计加速齿轮箱等设备进行提速处理，这也导致了如今的波浪能发电装置的结构庞大，造价昂贵，安装不便等问题，对波浪能俘获性能十分有限，存在低频低能的问题，制约着波浪能技术的发展。

新兴的摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator，简称TENG)可以把零散的波浪能转化为电能，并通过对材料的不断选择和优化，以及对能源采集、转换和存储及输出过程的不断改进，把功率密度低而熵较高、难以利用的波浪能，高效转化为功率密度较高、熵显著较低的电能，是一种提升功率密度和逆转熵“化无用为有用”的技术。但是当前TENG在波浪能俘获方面存在单一方向的动能或势能，且频率捕获宽度较窄等问题，且装置的摩擦起电面积小、受空气湿度影响大，耐久性低。所以，亟需提出一种兼顾性能、耐久性的波浪能俘获装置，用以实现高效俘获低频、高随机性的波浪能源。

发明内容

本发明的目的是提供一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置，包括密封壳体，所述密封壳体内部设置有将强方向随机性的波浪运动转换成往复的旋转运动的波浪能俘获子系统以及将往复的旋转运动高效的转换为电能输出的能量输出子系统。

所述能量输出子系统包括对称设置在密封壳体内部的两组外筒，两组所述外筒的上下两端分别可拆卸连接有连接板，每组所述外筒的上下两端可拆卸连接有外端盖；所述外筒两端的外端盖之间固定设置有定子，所述定子的中心设置有动子，所述动子的中心固定连接有旋转轴，所述旋转轴的两端均通过轴承与外端盖转动连接。

所述波浪能俘获子系统包括套设在两个旋转轴上的扭簧以及固定连接在两个旋转轴中部的绕线盘，所述扭簧的两端分别与定子和动子连接，两个绕线盘的中部设置有质量块，所述质量块的两端分别与两组所述绕线盘之间连接有连接线，所述连接线贯穿所述外筒。

优选的，两组所述连接板均设置在两组所述外端盖之间，且所述连接板与外端盖连接。

优选的，所述定子包括若干个交替布置的第一电极和第二电极，且所述第一电极和第二电极的数量相同，任意相邻所述第一电极和第二电极之间均设置有缝隙，所有所述第一电极的一端固定连接，所有所述第二电极的一端固定连接，且所述第一电极固定连接端与第二电极的固定连接端布置在所述定子的两端，所述定子内侧整体附着有FEP薄膜。

优选的，所述动子包括圆筒，所述圆筒的外壁上开设有若干个沿轴线方向布置的容纳凹槽，所述容纳凹槽内部设置有摩擦独立层，所述摩擦独立层靠近定子的一侧涂覆有碳涂层；所述圆筒的两端可拆卸连接有内端盖，所述内端盖与旋转轴固定连接。

优选的，所述圆筒为一体成型，所述容纳凹槽为梯形结构，任意相邻两组所述容纳凹槽之间设置有朝向相反减重凹槽，所述减重凹槽的底面上开设有减重孔。

优选的，所述圆筒最外圈上开设有若干个走线槽，所述走线槽布置在每个减重凹槽的底面上，每个走线槽内部均设置有弹性支撑绳，所述弹性支撑绳和与之相邻的若干个容纳凹槽相适配，所述摩擦独立层设置在弹性支撑绳的外侧。

优选的，所述摩擦独立层为拱形结构，所述摩擦独立层的材质为PET。

优选的，所述质量块为椭球体，所述连接线为尼龙线。

优选的，所述内端盖包括盖板，所述盖板朝向绕线盘的一侧设置有与所述圆筒内圈相适配的限位圈，所述限位圈的外侧上设置有与所述减重凹槽相配的凸起，所述内端盖与圆筒卡接。

本发明公开了以下技术效果：该发明由能量输出子系统和波浪能俘获子系统两部分组成，为一个整体结构，没有使用其他能量传输装置，在能量传输过程中极大地减小了对能量的损耗，也降低了装置的成本。该装置的能量输出子系统是由两个带有拱形独立层结构的圆筒形摩擦纳米发电机组成，通过支撑绳结构，不仅降低了独立层之间的摩擦力还提高了装置的接触面积和稳定性，同时创新性地提出了碳涂材料的独立层，在降低了摩擦系数的同时提高了装置的耐久性。此外，波浪能俘获系统是由两个扭簧和一个质量块组成的双稳态系统，可以实现多方位、双倍频地俘获波浪能源。本发明通过布置并联的弹簧-质量系统，在通过俘获多方位波浪动能和势能提高装置发电性能的同时，还使其具有双稳态振动特性，从而提高其对波浪能的频率俘获宽度。

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为本发明隐藏定子和动子的发电装置结构示意图；

图2为本发明隐藏密封壳体的发电装置结构示意图；

图3为本发明发电装置内部剖视图；

图4为本发明质量块与绕线盘连接结构示意图；

图5为本发明定子结构示意图；

图6为本发明圆筒结构示意图；

图7为本发明弹性支撑绳结构示意图；

图8为本发明内端盖结构示意图

图9为本发明工作原理图。

其中，1为外筒，2为连接板，3为外端盖，4为定子，41为第一电极，42为第二电极，5为动子，51为圆筒，52为凹槽，53为摩擦独立层，54为内端盖，55为减重凹槽，56为减重孔，57为走线槽，58为定位盘，541为盖板，542为限位圈，543为凸起，6为旋转轴，7为轴承，8为扭簧，9为绕线盘，10为质量块，11为连接线，12为弹性支撑绳，13为密封壳体。

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。

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。

参照图1-8，本发明提供了一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置，包括密封壳体13，密封壳体13内部设置有将强方向随机性的波浪运动转换成往复的旋转运动的波浪能俘获子系统以及将往复的旋转运动高效地转换为电能输出的能量输出子系统。

能量输出子系统包括对称设置在密封壳体13内部的两组外筒1，外筒1与密封壳体可拆卸连接。两组外筒1的上下两端分别可拆卸连接有连接板2，每组外筒1的上下两端可拆卸连接有外端盖3；外筒1两端的外端盖3之间固定设置有定子4，定子4的中心设置有动子5，动子5的中心固定连接有旋转轴6，旋转轴6的两端均通过轴承7与外端盖3转动连接；

波浪能俘获子系统包括套设在两个旋转轴6上的扭簧8以及固定连接在两个旋转轴6中部的绕线盘9，扭簧8的两端分别与定子4和动子5连接，起到复位和储存能量的功能，两个绕线盘9的中部设置有质量块10，质量块10的两端分别与两组绕线盘9之间连接有连接线11，连接线11贯穿外筒1。旋转轴6在绕线盘9的一端套设有定位盘58，定位盘58包括与绕线盘9平行设置的固定部以及套设在旋转轴6外侧的纤维部，固定部和限位部固定连接，固定部与绕线盘9通过螺栓可拆卸连接，限位部与旋转轴6通过螺钉可拆卸连接，定位盘58实现了绕线盘9定位。绕线盘9增大连接线拉力的力臂从而达到增大连接线作用于动子力矩的效果。

波浪能俘获子系统采用了双稳态系统，与传统的系统相比有如下优势：首先，双稳态系统可以实现双倍频的效果，增加了能量频率的捕获宽度，更好地适应了波浪能频率的随机性。其次，双稳态系统通过质量块10与外筒1发生相对运动来捕获波浪能，能够捕获多方位的波浪能，更好地适应波浪能方向的随机性。最后，波浪能俘获子系统为整体结构，不需要其他的能量传输装置，不仅更好地实现全密封性，而且减小了能量多次传递过程中的能量损失。

波浪能俘获子系统属于浮式结构波浪能发电装置，主要靠波浪作用下的浮动结构来驱动装置发电，当装置不受外部激励时，扭簧8、质量块10和连接线11处于一个稳定状态的初始位置。当波浪激励发电装置时，在惯性的作用下，质量块10较定子4运动滞后，因此与质量块10连接的动子5与定子4发生相对运动，当质量块10拉紧连接线11并且连接线11作用到旋转轴6上的力矩大于此时扭簧8的力矩与波浪能俘获子系统存在的摩擦力矩之和时，连接线11带动旋转轴6相对于定子4发生旋转运动，从而实现固定在旋转轴6上的动子5与定子4发生相对旋转；当质量块10与连接线11处于松弛状态或者连接线11作用到旋转轴6上的力矩与波浪能俘获子系统存在的摩擦力矩之和小于此时扭簧8的力矩时，扭簧8带动动子5回到初始位置，实现动子5相对于定子4发生反向旋转；随着波浪的不断激励，该过程往复循环。

进一步优化方案，两组连接板2均设置在两组外端盖3之间，且连接板2与外端盖3通过螺栓连接，或者通过密封胶密封连接。

进一步优化方案，定子4包括若干组交叉布置的第一电极41和第二电极42，任意相邻第一电极41和第二电极42之间均设置有缝隙，且任意相邻第一电极41和第二电极42头尾相连，第一电极41和第二电极42上附着有FEP薄膜。

进一步优化方案，定子4包括若干个交替布置的第一电极41和第二电极42，且第一电极41和第二电极42的数量相同，任意相邻第一电极41和第二电极42之间均设置有缝隙，所有第一电极41的一端固定连接，所有第二电极42的一端固定连接，且第一电极41固定连接端与第二电极42的固定连接端布置在定子4的两端，定子4内侧整体附着有FEP薄膜。定子4直径为110mm，长为200mm的亚克力筒作为支撑结构，栅状结构的电极可以更好地增加电荷转移率从而增大开路电流，栅状第一电极41和第二电极42上再附着一层厚为0.1mm的FEP薄膜，FEP薄膜具有良好的得电子能力，可以作为摩擦起电部分。

进一步优化方案，动子5包括圆筒51，圆筒51的外壁上开设有若干个沿轴线方向布置的容纳凹槽52，容纳凹槽52内部设置有摩擦独立层53，摩擦独立层53靠近定子4的一侧涂覆有碳涂层；圆筒51的两端可拆卸连接有内端盖54，内端盖54与旋转轴6固定连接。未设置扭簧8一侧的内端盖54也通过定位盘58与旋转轴6连接。

进一步优化方案，圆筒51为一体成型，容纳凹槽52为梯形结构，任意相邻两组容纳凹槽52之间设置有朝向相反减重凹槽55，减重凹槽55的底面上开设有减重孔56，从而形成镂空的结构，镂空的圆筒由3D打印制作而成，并且具有较低的质量，减少转动惯量。

进一步优化方案，圆筒51最外圈上开设有若干个走线槽57，走线槽57布置在每个减重凹槽55的底面上，每个走线槽57内部均设置有弹性支撑绳12，弹性支撑绳12和与之相邻的若干个容纳凹槽52相适配，摩擦独立层53设置在弹性支撑绳12的外侧。

更优选的，圆筒51最外圈上开设有三个沿轴向均匀分布的走线槽57，走线槽57布置在减重凹槽55底面所在的圆周面上，每个走线槽57内部均设置有一根弹性支撑绳12，弹性支撑绳12穿过若干个容纳凹槽52，并对容纳凹槽52内的摩擦独立层53起支撑作用。摩擦独立层53设置在弹性支撑绳12的上方。弹性支撑绳12的直径为0.2mm，弹性支撑绳12均匀分布在圆筒上，起到支撑作用，并将附着碳涂层的拱形摩擦独立层53放置在弹性支撑绳12之上，在不提高摩擦阻力的同时提高了摩擦独立层53之间的接触面积。拱形摩擦独立层53与FEP摩擦层是依靠支撑绳的弹力相接触，与传统的硬—硬接触可以大大较小摩擦力，与软—软接触可以更好的增加接触面积，所以支撑绳结构更适合采集波浪能等低强度的激励能量。第二，摩擦独立层53采用了拱形结构，与方形结构相对，可以更好的增加摩擦层直接的接触面积。第三，该结构可以实现双向运动，可以更加广泛的适应不同的环境和装置。

进一步优化方案，摩擦独立层53为拱形结构，摩擦独立层53为PET。摩擦独立层53是以PET为基板，PET具有较好的依附性和较为中和的得失电子能力，将其制作成拱形材料，增大摩擦独立层53的接触面积；并将碳涂材料均匀的涂抹在拱形摩擦独立层53上，作为摩擦层，使用碳涂材料的原因是该材料具有较强的失电子能力、较低的摩擦系数和良好的耐磨性，不仅可以提高装置的电输出性能，还能增加装置的耐久性。

进一步优化方案，质量块10为椭球体，连接线11为尼龙线。质量块10为铅块，利用铅材料较高的质量密度，在同一质量下大大减小了质量块的体积，质量块可以更好地在有限的空间内运动，同时铅材料具有较低的熔点方便加工。

进一步优化方案，内端盖54包括盖板541，盖板541朝向绕线盘9的一侧设置有与圆筒51内圈相适配的限位圈542，限位圈542的外侧上设置有与减重凹槽55相配的凸起543，内端盖54与圆筒51卡接。

新兴的摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator，简称TENG)对于低频能源俘获表现优异，本发明提供一种高性能、高耐久的基于双稳态系统的摩擦纳米波浪能发电装置(An Omnidirectional Bistable Triboelectric Nanogenerator-based waveenergy harvester)，实现多方位、双倍频的特性，更好地捕获低频、高随机性的波浪能源。

图9详细的展示了摩擦纳米发电部分在滑动独立模式下的工作机制。OBS-TENG的工作原理是基于接触起电和静电感应原理。在支撑绳的支撑下，拱形碳涂层与FEP薄膜充分接触，由于碳涂材料在摩擦电序列中的位置高于FEP，碳涂材料容易失去电子，FEP容易得到电子，两者的电极性不同，碳涂层表面的电子将会流向FEP薄膜表面，从而导致拱形PET带正电，FEP薄膜带负电。初始状态指定为碳涂层与电极I重叠的状态。在这一阶段，由于接触起电作用，以及两接触材料的电极性不同，两种摩擦电材料表面上分布着等量的相反电荷，在静电感应作用下，两个电极之间达到静电平衡，不发生电荷转移(状态I)。然后，随着转子的转动，由于电极之间的电势减小，在静电感应作用下，负电荷从电极1流向电极2，从而通过外部电路感应电流(状态II)。当电极2完全重叠时，电流停止，新的平衡建立(状态III)。由于对称结构，转子的进一步旋转引起反向的电位差，因此反向的电流(状态IV)。结果，两组电极之间感应的周期性转移电荷产生交流电(AC)输出。因此，在外电路中，通过带有拱形PET的周期性旋转，产生交变变化的电流。图9简单地说明了TENG基于接触起电和静电感应的工作原理，只有拱形PET将一个电极从一侧摆向另一侧，事实上，拱形PET在外部激励下可以同时在多个电极上摆动。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置，其特征在于：包括密封壳体(13)，所述密封壳体(13)内部设置有将强方向随机性的波浪运动转换成往复的旋转运动的波浪能俘获子系统以及将往复的旋转运动高效的转换为电能输出的能量输出子系统；

所述能量输出子系统包括对称设置在密封壳体(13)内的两组外筒(1)，两组所述外筒(1)的上下两端分别可拆卸连接有连接板(2)，每组所述外筒(1)的上下两端可拆卸连接有外端盖(3)；所述外筒(1)两端的外端盖(3)之间固定设置有定子(4)，所述定子(4)的中心设置有动子(5)，所述动子(5)的中心固定连接有旋转轴(6)，所述旋转轴(6)的两端均通过轴承(7)与外端盖(3)转动连接；

所述波浪能俘获子系统包括套设在两个旋转轴(6)上的扭簧(8)以及固定连接在两个旋转轴(6)中部的绕线盘(9)，所述扭簧(8)的两端分别与定子(4)和动子(5)连接，两个绕线盘(9)的中部设置有质量块(10)，所述质量块(10)的两端分别与两组所述绕线盘(9)之间连接有连接线(11)，所述连接线(11)贯穿所述外筒(1)。

2.根据权利要求1所述的一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置，其特征在于：两组所述连接板(2)均设置在两组所述外端盖(3)之间，且所述连接板(2)与外端盖(3)连接。

3.根据权利要求1所述的一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置，其特征在于：所述定子(4)包括若干个交替布置的第一电极(41)和第二电极(42)，且所述第一电极(41)和第二电极(42)的数量相同，任意相邻所述第一电极(41)和第二电极(42)之间均设置有缝隙，所有所述第一电极(41)的一端固定连接，所有所述第二电极(42)的一端固定连接，且所述第一电极(41)固定连接端与第二电极(42)的固定连接端布置在所述定子(4)的两端，所述定子(4)内侧整体附着有FEP薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置，其特征在于：所述动子(5)包括圆筒(51)，所述圆筒(51)的外壁上开设有若干个沿轴线方向布置的容纳凹槽(52)，所述容纳凹槽(52)内部设置有摩擦独立层(53)，所述摩擦独立层(53)靠近定子(4)的一侧涂覆有碳涂层；所述圆筒(51)的两端可拆卸连接有内端盖(54)，所述内端盖(54)与旋转轴(6)固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置，其特征在于：所述圆筒(51)为一体成型，所述容纳凹槽(52)为梯形结构，任意相邻两组所述容纳凹槽(52)之间设置有朝向相反的减重凹槽(55)，所述减重凹槽(55)的底面上开设有减重孔(56)。

6.根据权利要求5所述的一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置，其特征在于：所述圆筒(51)最外圈上开设有若干个走线槽(57)，所述走线槽(57)布置在每个减重凹槽(55)的底面上，每个走线槽(57)内部均设置有弹性支撑绳(12)，所述弹性支撑绳(12)和与之相邻的若干个容纳凹槽(52)相适配，所述摩擦独立层(53)设置在弹性支撑绳(12)的外侧。

7.根据权利要求4所述的一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置，其特征在于：所述摩擦独立层(53)为拱形结构，所述摩擦独立层(53)的材质为PET。

8.根据权利要求1所述的一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置，其特征在于：所述质量块(10)为椭球体，所述连接线(11)为尼龙线。

9.根据权利要求5所述的一种双稳态摩擦起电波浪能发电装置，其特征在于：所述内端盖(54)包括盖板(541)，所述盖板(541)朝向绕线盘(9)的一侧设置有与所述圆筒(51)内圈相适配的限位圈(542)，所述限位圈(542)的外侧上设置有与所述减重凹槽(55)相配的凸起(543)，所述内端盖(54)与圆筒(51)卡接。

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