CN115276462B - 一种基于摩擦发电、电磁发电的收集波浪能的复合发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源收集技术领域，特别是涉及一种基于摩擦发电、电磁发电的收集波浪能的复合发电机。本发明包括外壳，为上轻下重的不倒翁结构、用于漂浮在液面上；弹性取力器，用于吸收存储波浪能、并缓慢释放出机械能；以及发电单元，通过弹性取力器悬挂在外壳内。本发明外壳采用不倒翁结构，使得本发明不容易发生倾覆，保证了使用的稳定性。本发明采用了弹性取力器，将电磁发电单元和摩擦发电单元通过弹性取力器悬挂在外壳内，利用弹性取力器收集横向和纵向的波浪能，还可延长发电单元的工作时间，这样增强了发电单元的工作效果，并使本发明能够在一个宽频率的范围内均能收集波浪能。

Description

一种基于摩擦发电、电磁发电的收集波浪能的复合发电机

技术领域

本发明涉及新能源收集技术领域，特别是涉及一种复合发电机，其基于摩擦发电、电磁发电的收集波浪能。

背景技术

摩擦纳米发电是基于摩擦起电和静电感应相耦合的发电技术，用于收集各种形式的机械能转化为电能，如海洋波浪能、振动能等。摩擦纳米发电技术具有发电电压高、体积小、质量轻、柔性及形状灵活多变且兼容性高等优点。

目前已有的具有单摆结构的摩擦纳米发电装置，置于海面上较常出现不能发电的情况。发明人经过研究发现，是其结构设计存在弊端：1、整体结构抗倾覆性差，这样一旦波浪过大，装置很可能发生倾覆从而导致装置无法继续工作发电，2、装置在收集横向方向的能量具有很大的优势，但在纵向方向上、收集性能欠佳。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于摩擦发电、电磁发电的收集波浪能的复合发电机。

本发明采用以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于摩擦发电、电磁发电的收集波浪能的复合发电机，包括：

外壳，为上轻下重的不倒翁结构、用于漂浮在液面上；

弹性取力器，为弹性取力器，用于吸收存储波浪能、并缓慢释放出机械能；以及

发电单元，通过弹性取力器悬挂在外壳内；发电单元包括摩擦发电部，摩擦发电部包括：

空心筒件，空心筒件悬挂在外壳内顶部，空心筒件包括依次贴合并构成三层复合的摩擦层一、绝缘层及电极层一；以及

摇杆，摇杆一端活动式悬挂在空心筒件内，以使另一端能够进行单摆运动；当空心筒件由内而外依次为摩擦层一、绝缘层及电极层一时，摇杆外表面另设置有电极层二；当空心筒件由外而内依次为摩擦层一、绝缘层及电极层一时，摇杆外表面另设置有摩擦层二；摇杆用于通过晃动与空心筒件内壁摩擦发电；

发电单元还包括电磁发电部，电磁发电部包括：

摆锤，摆锤设置在摇杆底端、并设置有放置槽，放置槽内设置有磁体；以及

至少一个线圈，设置在外壳内底部；线圈用于在摆锤随着摇杆晃动时切割磁体产生的磁场进行电磁发电。

作为本发明再进一步的方案：外壳包括上半部分和下半部分，上半部分为空心壳体，下半部分为半球体、其顶部与上半部分连接；

复合发电机的整体重心位于半球体，半球体的重心偏向其底部。

作为本发明再进一步的方案：空心壳体和半球体之间设置有密封圈；空心壳体和半球体通过锁紧螺钉可拆卸固定。

作为本发明再进一步的方案：空心筒件的电极层一面积大于摩擦层一、绝缘层，电极层一多出的一端作为空心筒件的顶端；

空心筒件的顶端通过弹性取力器与空心壳体内顶连接。

作为本发明再进一步的方案：摩擦发电部还包括条形件；

条形件设置在空心筒件外围；条形件包括摩擦层三和电极层三，摩擦层三贴在电极层三上；

当条形件面向空心筒件外壁的一侧为摩擦层三时，空心筒件外壁为电极层一；当条形件面向空心筒件外壁的一侧为电极层三时，空心筒件外壁为摩擦层三；条形件用于通过晃动与空心筒件外壁摩擦发电。

作为本发明再进一步的方案：条形件绕空心筒件周向设置了若干个。更进一步的，条形件绕空心筒件周向均匀设置了4个。

作为本发明再进一步的方案：条形件的摩擦层三和电极层三宽度相同、电极层三长度大于摩擦层三，电极层三多出的一端作为条形件的顶端；

条形件的顶端也通过弹性取力器与空心壳体内顶连接。

作为本发明再进一步的方案：弹性取力器包括弹性件，弹性件顶端与空心壳体内顶连接、底端连接有安装台；

空心筒件的顶端、条形件的顶端均与安装台连接；摇杆顶端通过吊绳与安装台连接。

作为本发明再进一步的方案：弹性件为伸缩弹簧；伸缩弹簧两端分别通过一号螺栓和二号螺栓固定；一号螺栓贯穿空心壳体顶部，一号螺栓通过与其对应的螺母与外壳固定；二号螺杆贯穿安装台，二号螺栓通过与其对应的螺母与安装台固定。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

1，本发明应用于海洋波浪能的收集转化，本发明外壳为上轻下重的不倒翁结构，这种特殊的结构使得本发明在海洋中不容易发生倾覆，保证了本发明使用的稳定性。

2，本发明采用了弹性取力器，将电磁发电单元和摩擦发电单元通过弹性取力器悬挂在外壳内，利用弹性取力器收集横向和纵向的波浪能，还可延长发电单元的工作时间，这样增强了发电单元的工作效果，并使本发明能够在一个宽频率的范围内均能收集波浪能。

3，本发明在外壳内设置了基于单摆设计的电磁发电单元和摩擦发电单元，利用海浪使内部的摇杆产生晃动，通过摇杆带着磁体移动，使线圈与切割磁体产生的磁场进行电磁发电；摇杆与空心筒件也进行相对晃动，两者通过设置对应的电极层和摩擦层进行摩擦发电；电磁发电和摩擦发电进行耦合，可以产生更多的电量，显著增加了本发明的发电性能。

4，本发明中摩擦发电单元还在空心筒体外围增设了条形件，条形件也与空心筒件进行相对晃动，两者也通过设置对应的电极层和摩擦层进行摩擦发电，这样可进一步增强摩擦发电单元的发电性能。

附图说明

图1为本发明较佳实施例中一种基于摩擦发电、电磁发电的收集波浪能的复合发电机的结构图；

图2为图1中弹性取力器的结构图；

图3为图1中摇杆与弹性取力器的连接图；

图4为图1中发电单元的内部结构图；

图5为图4中发电单元去除空心筒件的内部结构。

图6为图4中空心筒件的侧视图；

图7为图4中空心筒件的仰视图；

图8为图4中空心筒件的展开图；

图9为图4中电磁发电部的结构图；

图10为图4中摆锤的结构图；

图11为图4中条形件的结构图；

图12为图1中对空心壳体进行剖视后的结构图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

101、半球体；102、空心壳体；103、密封圈；104、安装座；105、锁紧螺钉；106、配重块；201、空心筒件；202、安装台；203、条形件；2011、电极层一；2012、绝缘层；2013、摩擦层一；2031、电极层三；2032、摩擦层三；301、摇杆；302、摆锤；303、线圈；304、吊绳；305、电极层二；401、伸缩弹簧；402、一号螺栓；403、二号螺栓。

以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

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。

需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参看图1，为本发明较佳实施例中一种基于摩擦发电、电磁发电的收集波浪能的复合发电机。另外参看图12，为图1中对空心壳体进行剖视后的结构图。

本实施例公开了一种基于摩擦发电、电磁发电的收集波浪能的复合发电机，包括外壳、弹性取力器及发电单元；参看图1，外壳为上轻下重的不倒翁结构、用于漂浮在液面上。外壳包括上半部分和下半部分，上半部分为空心壳体102，下半部分为半球体101、其顶部与上半部分连接。

其中，空心壳体102建议采用透明材料(例如亚克力材料)制作，方便观察内部结构工作情况；空心壳体102的形状不局限，可以是圆柱形、也可以是立方体或锥体等。半球体101可采用木材制作成实心结构、也可采用铁、钢材料等制作层空心结构，只要保证其可浮在液面上即可。需要强调的是，本实施例的复合发电机的整体重心位于半球体101，这样避免由于上部部件重量过大导致整体倾覆的情况；半球体101的重心偏向其底部，可采用在半球体101内或底部装配重块106的方式实现，这样可进一步保证外壳在海浪作用下能实现不倒。

空心壳体102和半球体101的连接方式，可以采用胶水连接，目的在于避免了海水进入内部，干扰发电机的正常运行。当然，空心壳体102和半球体101也可以采用可拆卸的方式连接。参看图1，在空心壳体102外壁加工出安装座104，安装座104与半球体101顶面对应加工出安装孔、并通过锁紧螺钉105将空心壳体102、半球体101可拆卸固定，并且在空心壳体102和半球体101装上密封圈103(例如环形橡胶圈)、通过锁紧螺钉105配合密封圈103实现密封。

请参看图2、图3为弹性取力器的结构图。弹性取力器用于吸收存储波浪能、并缓慢释放出机械能；弹性取力器包括弹性件，弹性件顶端与空心壳体102内顶连接、底端连接有安装台202；

本实施例中，弹性件为伸缩弹簧401；伸缩弹簧401两端分别通过一号螺栓402和二号螺栓403固定；一号螺栓402贯穿空心壳体102顶部，一号螺栓402通过与其对应的螺母与外壳固定；二号螺杆贯穿安装台202，二号螺栓403通过与其对应的螺母与安装台202固定。其中，一号螺栓402、二号螺栓403的头部直径略大于伸缩弹簧401外径，便于一号螺栓402将伸缩弹簧401顶端压在空心壳体102内顶、一号螺栓402将伸缩弹簧401底端压在安装台202顶面，从而实现伸缩弹簧401端部固定。

请参看图4、图5，发电单元包括摩擦发电部和电磁发电部。发电单元通过弹性取力器悬挂在外壳内。

摩擦发电部包括空心筒件201、摇杆301，空心筒件201悬挂在外壳内顶部，摇杆301一端活动式悬挂在空心筒件201内，以使另一端能够进行单摆运动。摇杆301用于通过晃动与空心筒件201内壁摩擦发电。

参看图6、图7，空心筒件201包括依次贴合并构成三层复合的摩擦层一2013、绝缘层2012及电极层一2011；而摇杆301外表面也另贴有电极层二305或摩擦层二，具体设置包括以下两种情况：

当空心筒件201由内而外依次为摩擦层一2013、绝缘层2012及电极层一2011时，摇杆301外表面另贴有电极层二305。

当空心筒件201由外而内依次为摩擦层一2013、绝缘层2012及电极层一2011时，摇杆301外表面另贴有摩擦层二。

请参看图8，本实施例中空心筒件201是由扇形围绕而形成的圆锥体结构；当然，空心筒件201也可以由长方形围绕的圆柱体结构，或三角形围成的方锥体结构，只要其内部可悬挂摇杆301实现晃动摩擦发电即可。请参看图9，摇杆301可采用亚克力棒，其形状可以是圆柱型、也可以是长方体。

对于空心筒件201而言，将其顶端通过弹性取力器与空心壳体102内顶连接；具体的，空心筒件201的电极层一2011面积大于摩擦层一2013、绝缘层A2012，电极层一2011多出的一端作为空心筒件201的顶端；空心筒件201的顶端与安装台202之间可采用双面胶实现粘连固定、也可采用螺钉进行固定。

对于摇杆301而言，其悬挂方式就是为了保证能够进行单摆运动；具体的，摇杆301顶部可直接通过吊绳304与安装台202连接；参看图3，可在安装台202底部和摇杆301顶部均加工出系绳环，吊绳304采用尼龙线，两端分别系在对应的系绳环上。尼龙线具有一定的拉升力、拉力较强，耐久性好。

参看图1、图9、图10，电磁发电部包括摆锤302、线圈303，摆锤302连接在摇杆301底端、并开有放置槽，放置槽内放置有磁体；线圈303至少设置了一个，装在外壳内底部。需保证线圈303位于磁体产生的磁场内，本实施例中，线圈303按照3*3的分布，通过胶水均匀贴在半球体101顶部。线圈303用于在摆锤302随着摇杆301晃动时切割磁体产生的磁场进行电磁发电。

本实施例提供的复合发电机发电原理如下：

将本实施例的复合发电机置于海面上，采用不倒翁设计的外壳可保证本复合发电机浮在海面上、并不出现倾覆；当出现海浪时，海浪作用于外壳、使外壳产生摆动，同时伸缩弹簧401产生形变，弹性取力器即相当于收集、存储波浪能，这里就包括横向、纵向的波浪能；伸缩弹簧401也伴随着形变恢复，这样可增加发电单元的晃动幅度。内部的摇杆301进行单摆运动，这样摇杆301的外表面和空心筒件201的内壁产生相互接触、分离，实现摩擦发电；并且当摇杆301进行单摆时，其底部的摆锤302也带着磁体摆动，这样磁体产生的磁场也实时变化，但由于线圈303是固定位置，这样也相当于线圈303对磁场磁感线进行切割，实现电磁发电。通过摩擦发电部和电磁发电部进行耦合，保证并提高复合发电机的发电效果。即使波浪突然停止，伸缩弹簧401也会在恢复形变时释放出机械能，保证下方的发电单元继续晃动，使发电单元继续工作，这样即延长了发电单元的晃动时间，也就延长了发电单元工作时间。

需要说明的是，本实施例的伸缩弹簧401并未只限制在其轴向方向上进行形变，因此，伸缩弹簧401感应并反馈的形变灵活且迅速，使本实施例的复合发电机能够在一个宽频率的范围内均能收集波浪能，并延长发电单元的工作时间。并且，可采用合适弹性系数的伸缩弹簧401，匹配外部海浪的频率产生共振效应，一方面可提高收集波浪能的能力，另一方面可显著增强发电单元的晃动幅度、进一步延长发电单元的晃动时间。

此外，上述的摩擦层一2011、摩擦层二，采用相同或性质相似的摩擦材料，使用效果较优的有聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)等。上述的绝缘层2012采用绝缘材料，例如聚酰亚胺(Kapton)。上述的电极层一2011建议铜导电胶带，其电离子自由度高，实验也证实，其与摩擦材料摩擦发电效果好；磁体可采用磁铁，形状上可采用长方体、圆柱型、三角柱等，数量上可根据磁场强度需求进行增减调整，但不易过多、以保证摇杆301正常进行单摆运动。

应当说明的是，本复合发电机的发电单元通过连接后端整流电路后再进行输出，后端整流电路装在外壳内，后端整流电路输出可给电容或其他设备进行充电。

实施例2

本实施例公开了一种基于摩擦发电、电磁发电的收集波浪能的复合发电机，与实施例1公开的复合发电机结构形式存在差异，具体体现在摩擦发电部。

参看图4、5，本实施例的摩擦发电部还包括条形件203，条形件203设置在空心筒件201外围。参图11为条形件203的结构图；条形件203包括摩擦层三2032和电极层三2031，摩擦层三2032贴在电极层三2031上。

当条形件203面向空心筒件201外壁的一侧为摩擦层三2032时，空心筒件201外壁为电极层一2011；当条形件203面向空心筒件201外壁的一侧为电极层三2031时，空心筒件201外壁为摩擦层三2032；条形件203用于通过晃动与空心筒件201外壁摩擦发电。

对于条形件203而言，其安装方式要能够保证其进行晃动；本实施例中，条形件203的摩擦层三2032和电极层三2031宽度相同、电极层三2031长度大于摩擦层三2032，电极层三2031多出的一端作为条形件203的顶端；

条形件203的顶端也通过弹性取力器与空心壳体102内顶连接；与空心筒件201相同，条形件203的顶端与安装台202之间可采用双面胶实现粘连固定、也可采用螺钉进行固定。

摩擦层三2032与摩擦层一2011、摩擦层二采用相同或性质相似的摩擦材料，使用效果较优的有聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)等。电极层三2031和电极层一2011材料相同，采用铜导电胶带。由于铜导电胶带具有一定的柔韧度，这样对于条形件203来说，其顶端被固定、但主体是具有晃动自由度的。

这样，将本实施例的复合发电机置于海面上，采用不倒翁设计的外壳可保证本符合发电机浮在海面上、并不出现倾覆；当出现海浪时，海浪作用于外壳、使外壳产生摆动，内部部件工作方式大致与实施例1相同，但摩擦发电部的工作方式与实施例1存在不同：具体的，摇杆301产生单摆运动，摇杆301的外表面和空心筒件201的内壁产生相互接触、分离，实现摩擦发电；条形件203也产生晃动，条形件203面向空心筒件201外壁的一侧和空心筒件201外壁产生相互接触、分离，也实现摩擦发电，这样即增强了本实施例的摩擦发电部的发电效果。

对于条形件203而言，条形件203绕空心筒件201周向设置了若干个；建议设置多个以保证使用效果，比如本实施例中即周向均匀设置了4个，参看图4。这样设置的好处在于，虽然海浪对外壳的作用方向不定，但其中至少一个条形件203可产生晃动，并且在弹性取力器作用下，更多情况下4个条形件都会摆起、落下，拍打空心筒件201，与空心筒件201外壁产生相互接触、分离，保证该部分摩擦发电的正常实现。

实施例3

请参看图1，为本发明较佳实施例中一种基于摩擦发电、电磁发电的收集波浪能的复合发电机。

本实施例公开了一种基于摩擦发电、电磁发电的收集波浪能的复合发电机，与实施例2公开的复合发电机结构形式存在差异，具体体现在弹性取力器。

本实施例中弹性取力器采用弹簧伸缩杆，一端连接空心壳体102内顶，另一端连接安装台202。弹簧伸缩杆也基于其内部的弹簧形变实现伸缩，与实施例1相似的，可延长发电单元的工作时间，增强发电单元的工作效果。但相较于实施例1直接采用伸缩弹簧401，采用弹簧伸缩杆限制了其内部弹簧的形变方向，相对缩小了可收集海浪能的方向、因此使用效果稍差一些。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于摩擦发电和电磁发电的收集波浪能的复合发电机，其特征在于，包括：

外壳，为上轻下重的不倒翁结构，用于漂浮在液面上；

弹性取力器，用于吸收存储波浪能，并缓慢释放出机械能；以及

发电单元，通过所述弹性取力器悬挂在所述外壳内；所述发电单元包括摩擦发电部和电磁发电部；

其中，所述摩擦发电部包括：

空心筒件(201)，所述空心筒件(201)悬挂在外壳内顶部，所述空心筒件(201)包括依次贴合并构成三层复合的摩擦层一(2013)、绝缘层(2012)及电极层一(2011)；以及

摇杆(301)，所述摇杆(301)一端活动式悬挂在所述空心筒件(201)内，以使另一端能够进行单摆运动；当所述空心筒件(201)由内而外依次为摩擦层一(2013)、绝缘层(2012)及电极层一(2011)时，所述摇杆(301)外表面设置有电极层二(305)；当所述空心筒件(201)由外而内依次为摩擦层一(2013)、绝缘层(2012)及电极层一(2011)时，所述摇杆(301)外表面设置有摩擦层二；所述摇杆(301)用于通过晃动与所述空心筒件(201)内壁摩擦发电；

所述电磁发电部包括：

摆锤(302)，所述摆锤(302)设置在摇杆(301)另一端的底部且设置有放置槽，所述放置槽内设置有磁体；以及

至少一个线圈(303)，设置在所述外壳内底部；所述线圈(303)用于在所述摆锤(302)随着所述摇杆(301)晃动时切割所述磁体产生的磁场进行电磁发电。

2.根据权利要求1所述的复合发电机，其特征在于，所述外壳包括上半部分和下半部分，上半部分为空心壳体(102)，下半部分为半球体(101)且其顶部与上半部分连接；

所述复合发电机的整体重心位于半球体(101)，半球体(101)的重心偏向其底部。

3.根据权利要求2所述的复合发电机，其特征在于，所述空心壳体(102)和半球体(101)之间设置有密封圈(103)；所述空心壳体(102)和半球体(101)通过锁紧螺钉(105)可拆卸固定。

4.根据权利要求2所述的复合发电机，其特征在于，所述空心筒件(201)的电极层一(2011)面积大于摩擦层一(2013)和绝缘层(2012)，电极层一(2011)多出的一端作为空心筒件(201)的顶端；

所述空心筒件(201)的顶端通过所述弹性取力器与空心壳体(102)内顶连接。

5.根据权利要求2或4所述的复合发电机，其特征在于，所述摩擦发电部还包括条形件(203)；

所述条形件(203)设置在空心筒件(201)外围；所述条形件(203)包括摩擦层三(2032)和电极层三(2031)，摩擦层三(2032)贴在电极层三(2031)上；

当条形件(203)面向空心筒件(201)外壁的一侧为摩擦层三(2032)时，空心筒件(201)外壁为电极层一(2011)；当条形件(203)面向空心筒件(201)外壁的一侧为电极层三(2031)时，空心筒件(201)外壁为摩擦层三(2032)；所述条形件(203)用于通过晃动与所述空心筒件(201)外壁摩擦发电。

6.根据权利要求5所述的复合发电机，其特征在于，所述条形件(203)绕空心筒件(201)周向设置了若干个。

7.根据权利要求6所述的复合发电机，其特征在于，所述条形件(203)绕空心筒件(201)周向均匀设置了4个。

8.根据权利要求5所述的复合发电机，其特征在于，所述条形件(203)的摩擦层三(2032)和电极层三(2031)宽度相同，电极层三(2031)长度大于摩擦层三(2032)，电极层三(2031)多出的一端作为条形件(203)的顶端；

所述条形件(203)的顶端也通过所述弹性取力器与空心壳体(102)内顶连接。

9.根据权利要求8所述的复合发电机，其特征在于，所述弹性取力器包括弹性件，弹性件顶端与空心壳体(102)内顶连接，底端连接有安装台(202)；

所述空心筒件(201)的顶端和条形件(203)的顶端均与安装台(202)连接；所述摇杆(301)顶端通过吊绳(304)与安装台(202)连接。

10.根据权利要求9所述的复合发电机，其特征在于，所述弹性件为伸缩弹簧(401)；所述伸缩弹簧(401)两端分别通过一号螺栓(402)和二号螺栓(403)固定；所述一号螺栓(402)贯穿空心壳体(102)顶部，一号螺栓(402)通过与其对应的螺母与外壳固定；所述二号螺杆贯穿安装台(202)，二号螺栓(403)通过与其对应的螺母与安装台(202)固定。