CN115290151A - 一种摩擦纳米发电装置以及自供能流量传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种摩擦纳米发电装置以及自供能流量传感系统。该装置包括顶盖、多层外壳、底座、FEP拨片、铜贴片电极、尼龙膜、铝轴及叶轮；顶盖的上方与铝轴通过螺母连接；顶盖的竖条结构中固定FEP拨片；铝轴穿过叶轮的中心；轴承固定在底座上；轴承对铝轴进行导向；每层外壳都贴有铜贴片电极及尼龙膜；尼龙膜与FEP拨片进行摩擦；多层外壳均固定在底座的凹槽内；叶轮带动铝轴转动；铝轴带动顶盖转动；顶盖带动FEP拨片转动，进而与尼龙膜摩擦。本发明能够提升了单位体积的输出功率密度，电容单位时间可以存储更多能量，可长时间保证LED信号灯的运行以反馈流量等级也可通过静电计、变送器、DAQ采集卡与Labview模块的处理准确得到瞬时流量的大小。

Description

一种摩擦纳米发电装置以及自供能流量传感系统
技术领域
本发明涉及测量水流量领域，特别是涉及一种摩擦纳米发电装置以及自供能流量传感系统。
背景技术
目前摩擦纳米发电传感应用在大力推广，但与物联网所需要的自供能传感器相比，无论是种类还是数量都还远远不够。
摩擦纳米发电机是在2012年提出的新型能量收集技术。摩擦纳米发电机(TENG)的基本原理是摩擦起电和静电感应的耦合，是继电磁感应式、压电式和静电式发电机后被公认的第4种高效环境机械能收集发电技术。近年来，环境能量收集方法被认为是可行的方法。从周围环境中实时地采集能量并将能量转换成电能进行存储或供电。这种方法更绿色、不占空间、有较长的寿命，同时可以保证系统的稳定性。它能够收集各种形式的机械能来转化为电能，如风能、海洋能、震动能、人体运动能等。相较于其他发电方式，TENG具有结构简单、易于安装、发电效率较高、成本较低等优势。且TENG在各类随机环境下都有很好的表现，尤其是在方向随机、低频环境下，有着不可替代的表现。
摩擦纳米发电机的一般输出功率都是在微瓦与毫瓦之间，这对能量的存储来说并不算很高，所以提高输出功率是摩擦纳米发电机能更广泛推广的重中之重。摩擦纳米发电机的特性是大电压、小电流。一般的摩擦纳米发电机可以达到几十伏的电压和几微安的电流。几十伏的电压对于电信号来说已经可以满足，但几微安的电流确实较小，导致总输出功率也不是很高，所以对功率消耗大的器件来说，很难支撑运行。
现有的电磁流量传感器的应用有一定局限性，它只能测量导电介质的液体流量，不能测量非导电介质的流量，例如酒精等不导电液体。用来测量带有污垢的粘性液体时，粘性物或沉淀物附着在测量管内壁或电极上，使变送器输出电势变化，带来测量误差，电极上污垢物达到一定厚度，可能导致仪表无法测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种摩擦纳米发电装置以及自供能流量传感系统，能够提升单位体积的输出功率密度，因此可以单位时间将更多能量进行存储，并用来驱动LED信号灯以反馈流量的等级，并根据摩擦纳米发电装置输出电信号实时监测管道流量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种摩擦纳米发电装置，包括：顶盖、多层外壳、底座、FEP拨片、铜贴片电极、尼龙膜、铝轴以及叶轮；
所述顶盖的上方与所述铝轴通过螺母连接；所述顶盖的竖条结构中固定所述FEP拨片；
所述铝轴穿过所述叶轮的中心；所述轴承固定在底座上；所述轴承用于对所述铝轴进行导向；
每层外壳均贴有所述铜贴片电极以及所述尼龙膜；尼龙膜用于与所述FEP拨片进行摩擦；
多层外壳均固定在所述底座的凹槽内；
所述叶轮用于带动所述铝轴转动；所述铝轴用于带动所述顶盖转动；所述顶盖用于带动所述FEP拨片转动，进而与所述尼龙膜摩擦。
可选地，所述铝轴多段阶梯轴。
可选地，还包括：叶轮外壳；
所述叶轮外壳与所述底座进行固定。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种摩擦纳米发电装置中所述叶轮带动所述铝轴转动；所述铝轴带动所述顶盖转动；所述顶盖带动所述FEP拨片转动，FEP拨片与各层的尼龙膜进行摩擦，然后根据摩擦纳米发电机发电原理，尼龙膜下的两个铜电极之间电荷进行转移，两个电极之间产生电势差，驱动外电路电子的移动，对外输出。由于拨片的双面摩擦、单位体积内多层结构、电极的数量和位置的布置以及将多层进行并联输出，进而大幅度提升了单位体积的输出功率密度。
一种自供能流量传感系统，所述系统包括所述的一种摩擦纳米发电装置；所述叶轮外壳两端接上水管；所述叶轮利用液体进行转动；所述系统还包括：能源管理电路、LED信号灯、静电计、变送器、DAQ采集卡以及Labview模块；
所述摩擦纳米发电装置通过静电计、变送器、DAQ采集卡以及Labview模块连接；
所述摩擦纳米发电装置还通过所述能源管理电路与LED信号灯连接。
可选地，所述能源管理电路包括：整流器、电容以及多个LED驱动单元；每个所述LED驱动单元的驱动电压不同；
所述整流器用于将所述一种摩擦纳米发电装置输出的交流电进行整流；
所述电容用于将整流后的电进行存储；
所述LED驱动单元用于根据摩擦纳米发电装置的输出电与设定好的电压值比较，进而根据比较结果驱动相应的LED信号灯。
可选地，所述LED驱动单元包括：单稳态触发器。
可选地，所述能源管理电路还包括：稳压芯片；
所述稳压芯片设置在所述电容与所述LED驱动单元之间。
可选地，还包括：显示设备；
所述显示设备与所述Labview模块连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种自供能流量传感系统，包括所述的一种摩擦纳米发电装置；所述叶轮外壳两端接上水管；所述叶轮利用液体流动进行转动，这样可以避免现有的电磁流量传感器的局限性，可以测量非导电介质的流量，粘性物或沉淀物也不会附着在测量管内壁或电极上；摩擦纳米发电装置的电流是随流量线性变化的，可做电信号，且摩擦纳米发电装置的输出功率经过存储和处理可以长时间支撑LED信号灯工作。因为摩擦纳米发电装置的结构特点以及连接方式，输出功率较高，将能量通过电路进行存储后，可长时间对LED信号灯供电，其LED信号灯反应管道流量的等级。同时，摩擦纳米发电机也作传感器，将输出的交流电信号处理后传输到DAQ信号采集卡，再通过Labview模块将结果显示在设备上。这相较于现有管道流量传感系统是很大的创新，不仅采用摩擦纳米发电机省去现有流量传感器所需的电源；并且可以测量非导电介质以及粘性液体；除此之外，还根据设计的摩擦纳米发电机结构以及连接方式提高输出功率，实现LED信号灯的自供电，达到直观且准确的监测管道流量。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种摩擦纳米发电装置内部结构图；
图2为一种摩擦纳米发电装置整体结构图；
图3为外壳内外壁结构图；
图4为摩擦纳米发电机的电极分配图；
图5为多个摩擦纳米发电机并联输出电压图
图6为一种基于摩擦纳米发电的自供能流量传感系统流程图；
图7为一种基于摩擦纳米发电的自供能流量传感系统发电原理图；
图8为一种基于摩擦纳米发电的自供能流量传感系统电路图；
图9为摩擦纳米发电机转速与电流关系图；
图10为Labview显示图。
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。
本发明的目的是提供一种摩擦纳米发电装置以及自供能流量传感系统。根据摩擦纳米发电机双面摩擦、单位体积内多层结构、电极的数量和位置的布置以及将多层进行并联输出的设计能够提升单位体积的输出功率密度，可以单位时间内将更多能量进行存储，并用来驱动LED信号灯以反馈流量的等级，并根据摩擦纳米发电装置输出电信号实时监测管道流量。
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。
图1为一种摩擦纳米发电装置内部结构图，图2为一种摩擦纳米发电装置整体结构图，如图1和图2所示，本发明所提供的一种摩擦纳米发电装置，包括：顶盖2、四层多层外壳(第一层外壳8、第二层外壳9、第三层外壳10、第外壳11)、底座7、FEP拨片(FEP拨片3、FEP拨片4、FEP拨片5以及FEP拨片6)、铜贴片电极20、尼龙膜19、铝轴13以及叶轮12；
所述顶盖2的上方与所述铝轴13通过螺母1连接；所述顶盖2的竖条结构中固定所述FEP拨片；
所述铝轴13穿过所述叶轮12的中心；所述轴承14固定在底座7上；所述轴承14用于对所述铝轴13进行导向；
每层外壳均贴有所述铜贴片电极20以及所述尼龙膜19；尼龙膜19用于与所述FEP拨片进行摩擦；
多层外壳均固定在所述底座7的凹槽内；
所述叶轮12用于带动所述铝轴13转动；所述铝轴13用于带动所述顶盖2转动；所述顶盖2用于带动所述FEP拨片转动，进而与所述尼龙膜19摩擦。
顶盖2、第一层外壳8、第二层外壳9、第三层外壳10、第四层外壳11和底座7是3D打印出来的零件。顶盖2由上方一个圆盘以及下方垂下16个竖条结构组成。顶盖2上方与铝轴13通过螺母1连接。顶盖2的竖条结构中间是有缝隙的，用于固定FEP拨片。FEP拨片因为每层电极尺寸不同，它们的尺寸也不相同，最外层的FEP拨片最大，最内层的FEP拨片最小。铝轴13为多段阶梯轴，其最上端与最下端都是带有螺纹的。底座7上有多层的凹槽，第一层外壳8、第二层外壳9、第三层外壳10、第四层外壳11和轴承14都固定在底座7上。第一层外壳8、第二层外壳9、第三层外壳10、第四层外壳11下方都有两个半圆孔用来引出导线。第一层外壳8内部贴有铜贴片电极20及尼龙膜19，第二层外壳9、第三层外壳10、第四层外壳11内外都贴有铜贴片电极20及尼龙膜19。轴承14可以保证铝轴13的垂直度，起到导向的作用，使得每层的FEP拨片分别与各层尼龙膜19均匀摩擦。在摩擦纳米发电机的下方是一个叶轮12。叶轮12在铝轴13上铝轴13因为是阶梯轴卡住叶轮12的上部，用螺母15固定住叶轮12的下部从而固定住叶轮12。这样叶轮12旋转就可以带动铝轴13，铝轴13上方与顶盖2卡紧，从而带动顶盖2及固定在顶盖2上的四组FEP拨片旋转。
如图2所示，本发明所提供的一种摩擦纳米发电装置还包括：叶轮外壳18；将叶轮12放入叶轮外壳18中，再用螺母17与螺栓16将叶轮外壳18与底座7固定在一起。将叶轮外壳18两端接上水管，即可通过水流带动叶轮12以及FEP拨片旋转，从而通过摩擦纳米发电实现高效输出。
如图3所示，第一层外壳8是最外层，只有内侧是摩擦层。第二层外壳9、第三层外壳10、第四层外壳11都是两侧都为摩擦层，内外都贴有铜贴片电极20。FEP拨片可以直接与铜贴片电极20接触，但为了保护铜电极不被氧化，以及考虑不同材料得失电子的能力，选择在铜贴片电极20的外侧贴了一层尼龙膜19用来与FEP拨片进行摩擦。
如图4所示，图中为单层外壳的一半，有8个电极。实际每层外壳单侧贴的电极数量都是16个。其中有8个为电极一，8个为电极二。根据图6可将每相隔一个的电极作为同类型电极。然后将内外两侧相同类型电极在上方通过贴片铜电极连接在一起，再将相同类型的电极聚集在一起连接到外壳下端，这样外壳内外两层的下端分别是两个不同的总电极一和总电极二，然后将4个外壳的下端的两个总电极都用导线穿过外壳下方的孔将其引出并联后对外输出。
如图7所示，基于两种不同电介质的摩擦起电作用，FEP拨片作为独立层，尼龙膜19作为中间隔离层完全覆盖住一圈固定的电极,当FEP拨片在尼龙薄膜表面滑动时，负电荷将会从尼龙表面进入FEP表面。对于在尼龙表面的正电荷，由于其一直处于静止状态，其在两电极间所感应岀的电势恒定不变，其不为电荷在外接负载上的流动提供任何驱动力，驱动电荷定向移动的动力来自带负电荷的FEP拨片的滑动，所以拨片的滑动会引起电极之间电荷的转移，从而驱动外电路的电荷流动，对外输出。
如图6所示，本发明所提供的一种自供能流量传感系统，所述系统包括所述的一种摩擦纳米发电装置；所述叶轮外壳18两端接上水管；所述叶轮12利用水流进行转动；所述系统还包括：能源管理电路、LED信号灯、DAQ采集卡以及Labview模块；
所述摩擦纳米发电装置通过静电计、变送器、DAQ采集卡以及Labview模块连接；
所述摩擦纳米发电装置还通过所述能源管理电路与LED信号灯连接。
所述能源管理电路包括：整流器、电容以及多个LED驱动单元；每个所述LED驱动单元的驱动电压不同；
所述整流器用于将所述一种摩擦纳米发电装置输出的交流电进行整流；
所述电容用于将整流后的电进行存储；
所述LED驱动单元用于根据摩擦纳米发电装置的输出电流经电阻后的电压与设定的电压值比较，进而根据比较结果驱动相应的LED信号灯。
所述LED驱动单元包括：单稳态触发器。
如图5所示，多层摩擦纳米发电机并联后，输出电压是随着摩擦纳米发电机数量的增加而增大的，图中Uoc1、Uoc2、Uoc3...Uocn分别代表各层的电压，UBoc代表多层并联后的输出电压，其并联后的输出电压为公式(1)。并联输出电压UBoc越大，根据公式(2)可知，电容C在其单位时间内可存储更多的电荷Q。
Figure BDA0003472711550000071
Figure BDA0003472711550000081
如图6所示，装置的推广主要面向管道中的液体能，可以通过管道中的液体带动叶轮12旋转，进而带动顶盖2及顶盖2上的FEP拨片旋转，拨片与各层的尼龙膜19进行摩擦，然后根据摩擦纳米发电装置发电原理，尼龙膜19下的两个铜电极之间电荷进行转移，两个电极之间产生电势差，驱动外电路电子的移动，对外输出。其中对外输出的电即作为电信号采集也做为能量收集。输出的电信号经过处理后传输到DAQ采集卡，再通过Labview对信号进行计算后连接到显示设备进行显示。同时，输出的电能通过整流电路将摩擦纳米发电设备输出的交流电转化成直流存储到电容，电容后接入一个稳压芯片，输出恒定的电压为单稳态触发器供电，进而通过单稳态触发器对LED信号灯进行控制。从而即可以在设备显示具体的流量值，也可以通过LED信号灯去了解流量的等级，对管道水流量控制以及防洪灾害等有着重要意义。
所述能源管理电路还包括：稳压芯片；
所述稳压芯片设置在所述电容与所述LED驱动单元之间。
如图8所示，摩擦纳米发电装置TENG输出的电信号经过处理传输到DAQ数据采集卡中，再通过Labview模块，将算得的数据在显示设备上显示。同时，摩擦纳米发电装置也将电量进行存储。因为TENG输出的是交流电，所以要先通过整流器进行整流，然后存储到电容C当中。存储的电量是为了提供给单稳态触发器进而驱动LED信号灯。但因为单稳态触发器需要恒定的电压供电，所以引进稳压芯片将电容中的能量以恒定电压输出。其中有三个单稳态触发器的作用是根据TENG输出的大小，进而控制三个LED信号灯。在这里选择单稳态触发器而不是比较电路是因为TENG输出的是交流电，若要用比较电路，当频率较低时，看不到LED信号灯亮，所以用来单稳态触发器控制LED信号灯。TENG的电流通过R1电阻和R2电阻进行分压，将分压后的电压分别传输到三个单稳态触发器上。稳压芯片输出的恒定电压通过电阻R3、R4进行分压，然后传输到单稳态触发器1上，是恒定值1，TENG进行分压后的电压与这个恒定值进行比较，进而确定LED信号灯1的亮或不亮。同理，稳压芯片输出的恒定电压通过电阻R5、R6进行分压，然后传输到单稳态触发器2上，是恒定值2，TENG进行分压后的电压与这个恒定值进行比较，进而确定LED信号灯2的亮或不亮；稳压芯片输出的恒定电压通过电阻R7、R8进行分压，然后传输到单稳态触发器3上，是恒定值3，TENG进行分压后的电压与这个恒定值进行比较，进而确定LED信号灯3的亮或不亮。
本发明所提供的一种自供能流量传感系统，还包括：显示设备；
所述显示设备与所述Labview模块连接。
如图9所示，叶轮的转速与流量成正比，而转速与电流之间的关系如图，它们的关系公式如公式(3)，其中y代表电流，x代表转速。可以看出不同转速下电流的是不同的，根据其输出电流即可得到对应的转速及对应的流量。
y＝0.05549x+2.50549 (3)
如图10所示，DAQ采集卡采集到的TENG输出电信号通过计算，得到对应的实时管道水流量，在量表和下方的flow rate处显示，左侧的波形图表显示水流量的变化，当水流量超过特定值时，指示灯亮。
本发明所提供的一种自供能流量传感系统的工作过程为：
先用螺母与螺栓将叶轮外壳18与底座7固定在一起，再将叶轮外壳18两端接上水管，当有水流流经管道时，即可带动叶轮12以及FEP拨片旋转。根据旋转的FEP拨片与尼龙膜19相接触摩擦，根据摩擦纳米发电装置独立层模式发电原理，尼龙膜19下层的铜电极之间进行电荷转移，从而驱动外电路的电荷流动，对外输出。摩擦纳米发电装置输出后，输出电信号被DAQ数据采集卡采集，再通过Labview模块计算，得出结果在显示设备上显示。同时，摩擦纳米发电装置将能量通过整流器将交流电转成直流存储到电容中，再通过稳压芯片输出恒定的电压给单稳态触发器。TENG的输出电流经电阻将其电压与设定好的参考电压进行比较从而控制对应的LED信号灯亮，以反映此时的水流量等级。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文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 (8)

1.一种摩擦纳米发电装置，其特征在于，包括：顶盖、多层外壳、底座、FEP拨片、铜贴片电极、尼龙膜、铝轴以及叶轮；
所述顶盖的上方与所述铝轴通过螺母连接；所述顶盖的竖条结构中固定所述FEP拨片；
所述铝轴穿过所述叶轮的中心；轴承固定在底座上；所述轴承用于对所述铝轴进行导向；
每层外壳均贴有所述铜贴片电极以及所述尼龙膜；尼龙膜用于与所述FEP拨片进行摩擦；
多层外壳均固定在所述底座的凹槽内；
所述叶轮用于带动所述铝轴转动；所述铝轴用于带动所述顶盖转动；所述顶盖用于带动所述FEP拨片转动，进而与所述尼龙膜摩擦。
2.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述铝轴多段阶梯轴。
3.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电装置，其特征在于，还包括：叶轮外壳；
所述叶轮外壳与所述底座进行固定。
4.一种自供能流量传感系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1-3任意一项所述的一种摩擦纳米发电装置；所述叶轮外壳两端接上水管；所述叶轮利用液体进行转动；所述系统还包括：能源管理电路、LED信号灯、静电计、变送器、DAQ采集卡以及Labview模块；
所述摩擦纳米发电装置通过静电计、变送器、DAQ采集卡以及Labview模块连接；
所述摩擦纳米发电装置还通过所述能源管理电路与LED信号灯连接。
5.根据权利要求4所述的一种自供能流量传感系统，其特征在于，所述能源管理电路包括：整流器、电容以及多个LED驱动单元；每个所述LED驱动单元的驱动电压不同；
所述整流器用于将所述一种摩擦纳米发电装置输出的交流电进行整流；
所述电容用于将整流后的电进行存储；
所述LED驱动单元用于根据摩擦纳米发电装置的输出电与设定好的电压值比较，进而根据比较结果驱动相应的LED信号灯。
6.根据权利要求5所述的一种自供能流量传感系统，其特征在于，所述LED驱动单元包括：单稳态触发器。
7.根据权利要求5所述的一种自供能流量传感系统，其特征在于，所述能源管理电路还包括：稳压芯片；
所述稳压芯片设置在所述电容与所述LED驱动单元之间。
8.根据权利要求5所述的一种自供能流量传感系统，其特征在于，还包括：显示设备；
所述显示设备与所述Labview模块连接。
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