CN209948993U - 一种斜坡感应式摩擦纳米发电组件、发电机及船舶 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种斜坡感应式摩擦纳米发电组件、发电机及船舶，涉及机械能收集技术领域，解决了现有电磁发电机在船舶摇晃机械能的收集上不够高效的技术问题。该发电组件包括动子、定子和滑动结构，动子具有第一摩擦极，定子具有第二摩擦极，且动子通过滑动结构可滑动设置于定子内腔；动子周期性地往复滑移，使第一摩擦极与第二摩擦极周期性地接触分离而产生电能。动子随着船舶的周期性倾斜而周期性地往复滑移，使动子的第一摩擦极与定子的第二摩擦极周期性地接触摩擦和分离而产生电能，与传统的电磁发电机相比能更高效地利用船舶摇晃产生的机械能；采用斜坡感应式结构成功实现了将摩擦纳米发电机技术应用于船舶摇晃机械能回收领域。

Description

一种斜坡感应式摩擦纳米发电组件、发电机及船舶

技术领域

本实用新型涉及机械能收集技术领域，尤其是涉及一种斜坡感应式摩擦纳米发电组件、发电机及船舶。

背景技术

社会的发展对于能源供应提出了更高的要求，开拓新能源和变废为宝是能源研发的重要方向。机械能作为一种广泛分布于环境中的能量形式，很多却因为难以被有效收集利用而处于废弃状态，船舶的摇晃就是其中一种。船舶的摇晃被人们认为是给航行带来危险和影响乘船舒适性的能量，然而这也是一种可观的、低频率、低振幅的机械能，而传统的电磁发电机在低频率和低振幅机械能的收集上不够高效，且电磁发电机自身还具有笨重、造价昂贵和难以广泛分布等缺点，所以要将船舶摇晃的能量变废为宝，我们就需要一种全新的、更高效、更经济的能量收集方式。

2012年提出的摩擦纳米发电机技术，革新了人们对于能量收集的方式与理念。该技术的基本原理是利用摩擦(接触)在两表面(其中至少一个为绝缘材料)生成静电荷，当接触表面分离时，静电荷的分离产生电势差，驱动绝缘表面下感应电极中的自由电荷定向移动形成电流，从而驱动用电器的工作或充入电容器存储下来。摩擦纳米发电技术尤其适用于收集低频率、低振幅的机械能，且具有结构简单、成本低、材料选择丰富等优势。将其应用于船舶摇晃能量的收集，将会产生很大的实用前景。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种斜坡感应式摩擦纳米发电组件、发电机及船舶，以解决现有技术中存在的电磁发电机在船舶摇晃机械能的收集上不够高效的技术问题。本实用新型提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：

本实用新型提供的一种斜坡感应式摩擦纳米发电组件，包括动子、定子和滑动结构，所述动子具有第一摩擦极，所述定子具有第二摩擦极，且所述动子通过所述滑动结构可滑动设置于所述定子内腔；当船舶摇晃产生周期性倾斜时，所述动子周期性地往复滑移，使所述第一摩擦极与第二摩擦极周期性地接触分离而产生电能。

可选地，所述滑动结构包括轨道和滑块，所述轨道固接于所述定子，所述动子设置于所述滑块上。

可选地，所述第一摩擦极包括多个间隔设置的第一叶片，所述第二摩擦极包括多个间隔设置的第二叶片，所述第一叶片与所述第二叶片沿所述动子滑动方向交替布设。

可选地，所有所述第二叶片均采用导电材料制造而成，且所有所述第一叶片均采用绝缘材料制造而成。

可选地，所述第一叶片包括第一承载片、第一电极材料和介电薄膜，所述第一电极材料包覆于所述第一承载片上，所述介电薄膜包覆于所述第一电极材料上；所述第二叶片包括第二电极材料和第二承载片，所述第二电极材料包覆于所述第二承载片上，所述介电薄膜与所述第二电极材料之间接触摩擦产生静电荷。

可选地，所述动子上设置有配重体。

可选地，所述定子包括支撑架，所述支撑架的底面开设有安装孔。

本实用新型提供的一种发电机，包括以上任一所述的斜坡感应式摩擦纳米发电组件。

可选地，所述发电机包括多个所述发电组件，且多个所述发电组件以阵列形式排布。

本实用新型提供的一种船舶，所述船舶上设置有以上任一所述的发电机。本实用新型提供的一种斜坡感应式摩擦纳米发电组件、发电机及船舶，斜坡感应式摩擦纳米发电组件的动子随着船舶的周期性倾斜而周期性地往复滑移，使动子的第一摩擦极与定子的第二摩擦极周期性地接触摩擦和分离而产生电能，与传统的电磁发电机相比能更高效地利用船舶摇晃产生的可观的、低频率、低振幅的机械能；采用斜坡感应式结构成功地将摩擦纳米发电机技术应用于船舶摇晃机械能回收领域，回收利用率高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，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是本实用新型具体实施方式提供的一种斜坡感应式摩擦纳米发电机的爆炸结构示意图；

图2是本实用新型具体实施方式提供的一种斜坡感应式摩擦纳米发电机的纵向剖视图；

图3是本实用新型具体实施方式提供的一种斜坡感应式摩擦纳米发电机的横向剖视图；

图4是本实用新型具体实施方式提供的一种斜坡感应式摩擦纳米发电组件第一叶片与第二叶片连接关系的俯视结构示意；

图5是本实用新型具体实施方式提供的一种斜坡感应式摩擦纳米发电机的结构示意图，图中发电机由多个发电组件阵列而成；

图中1100、封装外壳本体；1200、封装外壳上盖；2000、发电组件；2100、支撑架；2110、矩形孔；2121、支撑架底面；2122、支撑架的第一侧面；2123、支撑架的第二侧面；2200、轨道滑块；2300、多叶片PTFE极；2310、第一叶片；2311、第一承载片；2312、第一电极材料；2313、介电薄膜；2320、第一集成板；2330、第一固定板；2410、第一配重体；2420、第二配重体；2500、多叶片A1极；2510、第二叶片；2511、第二承载片；2512、第二电极材料；2520、第二集成板；2530、第二固定板；2600、动子；

图6是本实用新型具体实施方式提供的一种摩擦纳米发电机的电源管理电路。

图中1、左侧发电机单元集合；2、右侧发电机单元集合；3、第一整流桥；4、第二整流桥；5、电压调理模块；6、电容或电池。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

本实用新型提供了一种斜坡感应式摩擦纳米发电组件2000，包括动子2600、定子和滑动结构，动子2600具有第一摩擦极，定子具有第二摩擦极，且动子2600通过滑动结构可滑动设置于定子内腔；当船舶摇晃产生周期性倾斜时，动子2600周期性地往复滑移，使第一摩擦极与第二摩擦极周期性地接触分离而产生电能。

动子2600随着船舶的周期性倾斜而周期性地往复滑移，使动子2600的第一摩擦极与定子的第二摩擦极周期性地接触摩擦和分离而产生电能，与传统的电磁发电机相比能更高效地利用船舶摇晃产生的可观的、低频率、低振幅的机械能；采用斜坡感应式结构成功实现了将摩擦纳米发电机技术应用于船舶摇晃机械能回收领域，回收利用率高。

作为可选地实施方式，滑动结构包括轨道和滑块，轨道固接于定子，动子2600设置于滑块上。

滑块与轨道相适配连接，滑块能沿轨道滑动。滑块与轨道相配合形成轨道滑块2200，将动子2600可滑动设置于定子内腔，滑动灵活性和可靠性高。

作为可选地实施方式，第一摩擦极包括多个间隔设置的第一叶片2310，第二摩擦极包括多个间隔设置的第二叶片2510，第一叶片2310与第二叶片2510沿动子2600滑动方向交替布设。

第一摩擦极和第二摩擦极均包括多个叶片，相邻的第一叶片2310与第二叶片2510之间作为一个摩擦纳米发电机单元，因此多叶片形式实现了多个摩擦纳米发电机单元共同收集能量；即增加了摩擦纳米发电机单元的数量，从而增大了整个器件中两种介电材料的接触分离面积，使得输出增大。

多个摩擦纳米发电机单元的高密度集成，使单位体积内的摩擦接触面面积得到了大幅度提高，且集成数量能随摩擦纳米发电机内部空间的增大而增长，使输出功率得到很大提高。

第一叶片2310材料与第二叶片2510材料的得失电子能力不同，当第一叶片2310与第二叶片2510接触分离时静电荷的分离才能产生电势差，才能驱动自由电荷定向移动形成电流。

作为可选地实施方式，所有第二叶片2510均采用导电材料制造而成，且所有第一叶片2310均采用绝缘材料制造而成。

第二叶片2510既作为摩擦材料又作为电极，所以其材料需是导电的，而用绝缘材料制造第一叶片2310后提高了发电量。

作为可选地实施方式，如图4所示，第一叶片2310包括第一承载片2311、第一电极材料2312和介电薄膜2313，第一电极材料2312包覆于第一承载片2311上，介电薄膜2313包覆于第一电极材料2312上；第二叶片2510包括第二电极材料2512和第二承载片2511，第二电极材料2512包覆于第二承载片2511上，介电薄膜2313与第二电极材料2512之间接触摩擦产生静电荷。

介电薄膜2313和第二电极材料2512接触摩擦，产生静电荷，当两者分离时，静电荷会在第一电极材料2312和第二电极材料2512中产生感应电势，如接上外负载电路，自由电荷会在两电极间发生流动，从而输出电能，持续地接触分离会产生持续的交流电。

作为可选地实施方式，动子2600上设置有配重体。

配重体能增加动子2600滑动的冲击力，来加强第一摩擦极与第二摩擦极的接触摩擦作用，从而提高机械能转化率。

作为可选地实施方式，定子包括支撑架2100，支撑架2100的底面开设有安装孔。

支撑架2100的底面开设有安装孔，配重块能方便地由安装孔进行安装，也便于更换不同的配重体，以配合器件响应船舶不同频率和振幅大小的波动。

本实用新型提供的一种发电机，包括以上任一的斜坡感应式摩擦纳米发电组件2000。

利用船舶摇晃时所产生的周期性船体倾斜，实现将低频的船舶摇晃能量高效耦合转化为滑动结构的低频滑动，第一摩擦极周期性地与第二摩擦极摩擦分离产生电能，从而将机械能转化为电能。

这种低振幅的斜坡感应式摩擦纳米发电机，能很好的响应低振幅内的船舶摇晃，在不同振幅的船舶摇晃下，多叶片以不同的速度左右滑动，促使众多摩擦纳米发电机单元接触分离，生成电能。

作为可选地实施方式，发电机包括多个发电组件2000，且多个发电组件2000以阵列形式排布。

硬链接阵列化的摩擦纳米发电机，减少阵列时软绳的使用，增强了阵列的稳健性，降低了阵列的空间成本，使器件能够大量地阵列，提高了阵列的输出功率。

阵列中的各个摩擦纳米发组件中相邻第二叶片之间的间距可设计为不同值，例如发电机包括三个摩擦纳米发电组件，设第一发电组件中第二叶片间距为L1，第二发电组件中第二叶片间距为L2，第三发电组件中第二叶片间距为L3，而L1≠L2≠L3，从而各个发电组件分别能适配于不同的摇晃振幅，达到了更充分高效地利用船舶摇晃机械能的目的。

如图1所示，本实用新型具体实施方式提供了一种斜坡感应式摩擦纳米发电机，该发电机总体分为两部分，一部分是作为封装外壳的封装外壳本体1100和封装外壳上盖1200，另一部分是斜坡感应式摩擦纳米发电组件2000。发电组件2000作为整个结构的核心部件，由支撑架2100、动子2600和定子2700等部分构成。动子2600主要分为轨道滑块2200、作为第一摩擦极的多叶片PTFE极2300、第一配重体2410和第二配重体2420等几个部分，动子2600安装于支撑架2100的底面上，可以左右往返滑动。将作为第二摩擦极的多叶片Al极2500固定于支撑架2100的两个侧面上即成为定子2700。同时，支撑架2100包含作为安装孔的矩形孔2110，第一配重体2410可以通过矩形孔2110装载于多叶片PTFE极2300的底部，第二配重体2420则装载于多叶片PTFE极2300的顶部。

图2和图3给出了本实用新型的纵向和横向剖视图，可以看到各个机构的安装位置。在多叶片PTFE极2300的结构图中，多个第一叶片2310两端等距的板载于两块第一集成板2320上，第一集成板2320的两端分别用第一固定板2330束缚成方框状；同样在多叶片Al极2500中，多个第二叶片2510两端等距的板载于第二集成板2520上，第二集成板2520两端也分别用第二固定板2530加以束缚。将轨道2210固定于支撑架的底面2121上，滑块2220能在轨道2210上左右往返滑动，多叶片PTFE极2300安装在滑块2220上，并与其相固定，最后再将第一配重体2410和第二配重体2420分别装载于组件2300的底部和顶部而组成动子2600，其中第一配重体2410和第二配重体2420的作用是增大动子往返滑动时的冲击力。此后，将多叶片Al极2500一侧的固定板和集成板分别固定于支撑架2100的两个侧面第一侧面2123和第二侧面2122上成为定子2700。其中，第一叶片2310和第二叶片2510具有左右两个表面，第一叶片2310和第二叶片2510相邻表面之间组成一个摩擦纳米发电机单元，动子中多叶片PTFE极2300和定子中多叶片Al极2500的叶片相互交替设置，形成多个摩擦纳米发电机单元的集成。当发电机随船舶晃动时，动子2600发生左右往返滑动，将船舶摇晃的能量转化为动子2600自身周期性左右往返滑动的机械能。在这个过程中，轨道滑块2200起承载多叶片PTFE极2300和第一配重体2410、第二配重体2420左右往返滑动的作用。通过调整轨道2210与滑块2220之间的摩擦系数以及第一配重体2410和第二配重体2420质量的大小，可以调节船体倾斜下动子2600对定子2700的冲击能力，从而增强第一叶片2310和第二叶片2510的接触效果，并使器件响应不同频率和振幅大小的波动。相邻的第一叶片2310和第二叶片2510之间作为一个摩擦纳米发电机单元，动子的连续滑动会使得相邻第一叶片2310和第二叶片2510不停地接触分离，产生电能。具体而言，当2600滑向右侧时，右侧的发电机各单元处于接触状态，左侧的发电机各单元处于分离状态；当2600滑向左侧时，则接触分离状态反转，从而实现通过众多摩擦纳米发电机单元将滑动子2600滑动的机械能转化为电能，实现能量收集。封装外壳本体1100与封装外壳上盖1200形成一个密闭的腔室，保护发电机不受外部环境的干扰。

第一配重体2410和第二配重体2420的设置使动子滑动时的冲击力就会增加，从而动子对定子的撞击会更大，使各摩擦纳米发电机单元的接触越充分，输出能力就会越好。

图4给出了相邻的第一叶片2310和第二2510的俯视图，详细说明了叶片的结构和工作原理。该结构为典型的接触分离式摩擦纳米发电机结构。第一叶片2310主要包含第一承载片2311、第一电极材料2312和介电薄膜2313等重要部件，第一介电材料薄膜2313覆盖在第一电极材料2312上，第一电极材料2312直接覆盖在第一承载片2311上。第二叶片2510主要包含第二电极材料2512和第二承载片2511等重要部件，第二电极材料2512直接覆盖在第二承载片2511上。在多叶片PTFE极2300随滑块2220的左右往返滑动中，相邻的第一叶片2310和第二叶片2510发生接触分离，介电材料薄膜2313和第二电极材料2512接触摩擦，产生静电荷，当两者分离时，静电荷会在第一电极材料2312和第二电极材料2512中产生感应电势，如接上外负载电路，自由电荷会在两电极间发生流动，从而输出电能，持续的接触分离会产生持续的交流电。

图5给出了斜坡感应式摩擦纳米发电机的阵列示意图，用多个同样的斜坡感应式摩擦纳米发电组件2000横向阵列而成，但本实施例中阵列方向不局限于横向，阵列也可由多个组件2000于纵向阵列或上下堆叠阵列。封装外壳本体1100和封装外壳上盖1200用于封装阵列后的斜坡感应式摩擦纳米发电机组，使摩擦纳米发电机组工作时免于受到海水的侵蚀和外部环境的干扰。

图6给出了摩擦纳米发电机的电源管理电路，由于左侧发电机单元集合1和右侧发电机单元集合2在同一时间处于不同的接触分离状态，输出的电能相位不同步，需要分别通过整流桥3和4整流，整流后将两路单向的脉动电流并联，由电压调理模块5调理后，给电容或电池6充电，稳定的电压经端口7输出给负载。

在本实施例中，第一介电材料薄膜2313可以是聚合物薄膜、无机氧化物等各种绝缘材料。第一电极材料2312和第二电极材料2512可以是石墨、ITO、金属等各种导电材料。第一承载片2311和第二承载片2511可以是聚合物薄片、橡胶、碳素钢片等柔性材料或聚合物、金属等刚性材料。第一固定板2330、第二固定板2530以及第一集成板2320和第二集成板2520可以是金属、聚合物等各种刚性材料。第一配重体2410和第二配重体2420可以是金属、陶瓷等高密度材料。轨道滑块2200可以是滚动导轨、双轴心导轨或其它可替代的滑动方式。

本实用新型提供的一种船舶，船舶上设置有以上任一的发电机。

本实用新型具体实施方式提供了一种斜坡感应式结构。当船舶摇晃使船体产生周期性的倾斜时，船载发电机中的滑动结构也随之产生周期性的往复滑动，致使摩擦材料Al和PTFE周期性的接触分离从而产生电能。该斜坡感应式结构空间利用率较高且灵活开放，既能纵向扩展，使器件内摩擦纳米发电机单元的集成数量随着器件内部空间的增大而增多；也可以多个发电组件阵列，并且这种阵列不需要在器件之间使用软绳链接，能降低阵列的空间成本和船舶摇晃对阵列的破坏作用。该装置可以将船舶不同频率和振幅摇晃的能量转化为滑动结构滑动的机械能，并最终转化为电能，具有结构简单、成本低、可扩展、输出大、易于阵列、低频低振幅响应等优点。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种斜坡感应式摩擦纳米发电组件，其特征在于，包括动子、定子和滑动结构，所述动子具有第一摩擦极，所述定子具有第二摩擦极，且所述动子通过所述滑动结构可滑动设置于所述定子内腔；当船舶摇晃产生周期性倾斜时，所述动子周期性地往复滑移，使所述第一摩擦极与第二摩擦极周期性地接触分离而产生电能。

2.根据权利要求1所述的斜坡感应式摩擦纳米发电组件，其特征在于，所述滑动结构包括轨道和滑块，所述轨道固接于所述定子，所述动子设置于所述滑块上。

3.根据权利要求1所述的斜坡感应式摩擦纳米发电组件，其特征在于，所述第一摩擦极包括多个间隔设置的第一叶片，所述第二摩擦极包括多个间隔设置的第二叶片，所述第一叶片与所述第二叶片沿所述动子滑动方向交替布设。

4.根据权利要求3所述的斜坡感应式摩擦纳米发电组件，其特征在于，所有所述第二叶片均采用导电材料制造而成，且所有所述第一叶片均采用绝缘材料制造而成。

5.根据权利要求3所述的斜坡感应式摩擦纳米发电组件，其特征在于，所述第一叶片包括第一承载片、第一电极材料和介电薄膜，所述第一电极材料包覆于所述第一承载片上，所述介电薄膜包覆于所述第一电极材料上；所述第二叶片包括第二电极材料和第二承载片，所述第二电极材料包覆于所述第二承载片上，所述介电薄膜与所述第二电极材料之间接触摩擦产生静电荷。

6.根据权利要求1所述的斜坡感应式摩擦纳米发电组件，其特征在于，所述动子上设置有配重体。

7.根据权利要求6所述的斜坡感应式摩擦纳米发电组件，其特征在于，所述定子包括支撑架，所述支撑架的底面开设有安装孔。

8.一种发电机，其特征在于，包括权利要求1-7任一所述的斜坡感应式摩擦纳米发电组件。

9.根据权利要求8所述的发电机，其特征在于，包括多个所述发电组件，且多个所述发电组件以阵列形式排布。

10.一种船舶，其特征在于，所述船舶上设置有如权利要求8或9所述的发电机。

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