CN214256156U - 一种多环-直动-点吸收式纳米摩擦发电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种多环‑直动‑点吸收式纳米摩擦发电机，包括交替式分布的环形电极和外摩擦电极、与外摩擦电极内侧面活动接触的环形内摩擦电极，环形电极与外摩擦电极共同构成圆筒状结构，可上下往复运动的内摩擦电极与外摩擦电极之间形成交变电流，内摩擦电极还连接有驱动组件；环形电极和外摩擦电极外侧面设置有外壳，外壳顶端设置有浮子且底端设置有底盖，驱动组件可相对运动的与外壳连接。本实用新型提供的多环‑直动‑点吸收式纳米摩擦发电机，能够利用海水能量长期为设备提供能量，减少了维护成本，同时降低了环境的压力。
Description
技术领域
本实用新型涉及摩擦发电技术领域，尤其涉及一种多环-直动-点吸收式纳米摩擦发电机。
背景技术
绿色，可持续的能源获取方式是当代社会的主题。尤其是低功率设备的能量供应方式主要以电池为主，这也就意味着定期的更换，不仅费时、费力，废旧的电池同样也给环境带来了巨大的压力。
地球上的水资源丰富，海洋覆盖了地球表面的70%以上。海洋能量是一种重要的可再生清洁能源，目前海水能量主要有潮汐能、海浪能、洋流能、温差能和盐差能，海浪能作为海洋能量开发的一个重要方向，由于缺乏经济的能量转换技术而很少被利用。目前，主要采用电磁发电技术来收集海水波动能量，但是对于较低的海水波动频率和运动模式，其转换效率很低。
摩擦纳米发电机是最近发明的一种新型的将机械能转化为电能的方式，利用得失电子能力不同的两种材料之间的互相摩擦，发生表面电荷转移。摩擦纳米发电机能够将广泛存在的机械能，如海浪、风能、各种运动物体的动能、以及人体活动如步行、跑步、跳动等形式的能量转变为电能，为小型电子器件如便携设备等提供电源。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种多环-直动-点吸收式纳米摩擦发电机，解决了如何利用海水能量长期为设备提供能量的技术问题，减少了维护成本，同时降低了环境的压力。
一种多环-直动-点吸收式纳米摩擦发电机，包括交替式分布的环形电极和外摩擦电极、与所述外摩擦电极内侧面活动接触的环形内摩擦电极，所述环形电极与所述外摩擦电极共同构成圆筒状结构，可上下往复运动的所述内摩擦电极与所述外摩擦电极之间形成交变电流，所述内摩擦电极还连接有驱动组件；
所述环形电极和所述外摩擦电极外侧面设置有外壳，所述外壳顶端设置有浮子且底端设置有底盖，所述驱动组件可相对运动的与所述外壳连接。
外壳：容纳内部的摩擦电极，传递浮子的动能，保护内部结构不受外部的海水侵蚀，内壁有一轴向的小槽以供布置导线；
环形电极：接收与发送来自外摩擦电极的感应电荷，通过导线在环形电极与外摩擦电极之间形成交变电流，与外摩擦电极交替的安装在外壳内壁上，材料选择为铜，以保证导电性；
外摩擦电极：由环形支撑材料与粘贴于内壁上的外摩擦材料，环形的外摩擦材料既作为摩擦电介质，又作为其中一个电极，外摩擦材料选择为对电子吸引力相对较弱的铝，通过与内摩擦材料的摩擦接触，将会带上正电荷，环形支撑材料选为与外壳相同的亚克力，其轴向尺寸略大于作为摩擦材料的铝环，径向厚度略大于环形电极，每一个环形支撑材料有个径向细孔，以为铝电极接出导线；
底盖：密封外壳，通过内沿与外壳的孔肩配合固定住交替排列的环形电极与外摩擦电极，为下回复弹簧提供支撑，选择为与外壳相同的材料，与外壳可采用胶接；
浮子：安装在整个结构的最上方，与外壳直接连接，利用其浮力使整个结构不至于完全下沉，并且捕获波浪纵向上的机械能，通过与沉子的惯性配合，使外壳与动子往复的轴向运动。
所述驱动组件包括与所述内摩擦电极连接的动子、上复位弹簧、下复位弹簧以及沉子，所述上复位弹簧安装到所述外壳的安装孔内，所述动子上端的外凸轴插入到所述安装孔内，并使上复位弹簧略预压缩；
所述动子的底端设置有安装环槽，所述安装环槽上设置有外伸轴，所述下复位弹簧套设在所述外伸轴上，所述外伸轴穿过所述底盖中间的底盖通孔并与所述沉子连接。
动子：传递沉子、浮子所产生的动能，安装并带动内摩擦电极轴向往复运动，动子与外壳的材料选为亚克力；
上、下复位弹簧：为沉子、浮子的相对往复运动提供恢复力，保证往复运动的持续性，材料选择为65Mn弹簧钢；
沉子：装在整个结构的最下端，与动子直接连接，利用其重力，与浮子配合，确保整个发电机结构轴线的垂直性，使整个结构不至于完全浮在水面。
所述内摩擦电极包括设置在所述动子外侧面的环状凸起、贴附在所述环状凸起外侧面的内摩擦材料，所述内摩擦材料与所述外摩擦电极的内侧面接触；所述内摩擦材料为PTFE。
内摩擦材料：贴附于呈动子环状凸起上，材料选为有对电子较强吸引力的PTFE，以更容易剥夺外摩擦材料铝中的电子，形成较大的摩擦电势。
所述外壳的内壁上设置有轴向槽，所述轴向槽的内部布置有导线。
所述环形电极的外径与支撑环的外径相同，所述外摩擦电极通过支撑环设置在所述外壳内壁上，所述环形电极的内径比所述支撑环的内径略大。
所述外摩擦电极的轴向长度比所述支撑环略小，且粘附在所述支撑环轴线的中间位置。
所述外摩擦电极的环数比所述内摩擦电极和所述环形电极多一环。
所述浮子的顶端为球面结构。
本实用新型达成以下显著效果：
本专利利用多环结构，即具有外摩擦电极、环形电极的多个环状结构，在360°范围内都能实现对海水能量的吸收，提升了摩擦发电的效率，采用直动，即工作时沿轴向往复运动，延长了使用的生命周期，采用点吸收的方式，即漂浮水面上，能够吸收波浪垂直方向能量的形式，垂直方向上的波浪具有较大的能量，保证了较大的发电量，因此，本摩擦发电装置能够使得海水能量长期为设备提供能量，减少了维护成本，同时降低了环境的压力。
附图说明
图1为本实用新型摩擦发电机的装配示意图。
图2为本实用新型摩擦发电机的外壳示意图。
图3为本实用新型摩擦发电机的动子示意图。
图4为本实用新型摩擦发电机的环形电极示意图。
图5为本实用新型摩擦发电机的内摩擦电极示意图。
图6为本实用新型摩擦发电机的底盖示意图。
图7为本实用新型摩擦发电机的沉子示意图。
图8为本实用新型摩擦发电机的浮子示意图。
图9为本实用新型摩擦发电机的电路布置示意图。
其中，附图标记为：1、外壳孔肩；2、安装孔；3、内摩擦材料；4、安装环槽；5、螺栓孔；6、支撑环；7、外摩擦电极；8、导线孔；9、支撑孔；10、底盖通孔；11、凸沿；12、沉子沉孔；13、沉子通孔；14、浮子凸缘；15、浮子结合环面；16、浮子；17、外壳；18、上复位弹簧；19、动子；20、环形电极；21、下复位弹簧；22、底盖；23、沉子；24、连接螺栓；25、全波整流桥；26、储能电容。
具体实施方式
为了能更加清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
参见图1、图2、图4，将外摩擦电极的第一环贴着外壳17的内壁，轴线重合的方向装入外壳内，使第一环摩擦电极顶到外壳的孔肩1上，再将环形电极20的第一环按上述的方式装入外壳内，使其接触到第一环摩擦电极的外侧，接下来将外摩擦电极与环形电极交替的装入外壳内，由于外摩擦电极与环形电极的环数分别为6、5，则最下面一环为外摩擦电极；
将上复位弹簧18装到外壳17的上复位弹簧安装孔2内，再将动子19上端的外凸轴插入到外壳17底部的安装孔2内，并使上复位弹簧略预压缩；
参见图6，将下复位弹簧21通过动子19下端装到动子的下弹簧安装环槽4中，然后将底盖装到外壳上，装配过程中应使动子19下端的外伸轴穿过底盖22中间的底盖通孔10，使底盖22正面（安装的一侧）的凸沿11装入外壳下沿的内部，底盖22正面的下弹簧支撑孔9位于下复位弹簧的内部，底盖凸沿11与外壳17的连接可采用胶结；
参见图3，在动子19下端的外伸轴与底盖22中间的底盖通孔10的配合区可以装配密封圈，以阻止外部海水的进入；
参见图7，将沉子23装到动子19下端的螺栓孔5处，并且以沉子23带有沉子沉孔12的一面背离螺栓孔5，沉子通孔13靠近螺栓孔5，然后用连接螺栓24固定好；
将浮子16的装配到外壳17的上端，结合区域为浮子结合环面15，并通过浮子凸缘14进行轴向定位，此处可用接。
本实用新型专利的工作过程：
将上述组装好的摩擦发电机投入到海水中，在沉子23与浮子16的作用下，发电机的轴线将会在沿竖直方向附近摆动，当海浪的波峰冲击到位于水面以上的浮子16时，浮子16将会在海浪的浮力与冲击力的作用下上升，而沉子23位于水下，由于水体对其的阻碍作用，以及沉子23本身质量的惯性效果，以上作用会使沉子23与浮子16的轴向距离增大；
参见图8，沉子23与浮子16的相对远离，会使动子19相对外壳17沿轴线向下运动，使内摩擦材料3相对于外摩擦电极7向下运动，在这一过程中下复位弹簧21会被压缩；
当海浪的波峰过后，波浪对浮子16的抬升作用逐渐消失，而后动子19会在下复位弹簧21的作用下沿轴线相对外壳17上移，浮子16被拉向平衡位置；
当下一个波浪的波峰再次作用到浮子16上时，上述过程会被再次重复；
浮在海面上的摩擦发电机在持续的海浪作用下，会使内部的内、外摩擦电极3、7有往复的切向摩擦接触；
参见图5和图9，摩擦发电的工作原理：由于PTFE对电子的吸附力强于Al，当内摩擦材料3（PTFE）与外摩擦电极7（Al）经过几次的摩擦接触后，外摩擦电极7（Al）上的电子会转移到内摩擦材料3（PTFE）上，使内、外摩擦电极3、7上各自积攒出一定的负、正电荷；
当内摩擦材料3处于最高位置（内、外摩擦电极3、7近似平齐），内、外摩擦电极3、7正对，二者正负电荷产生的电场线就近闭合，对周围几乎无影响；
当内摩擦材料3沿轴线向下移动、逐渐靠向环形电极20的过程中，由于静电感应作用，外摩擦电极7（Al）中的正电荷会被向下吸引，但是外摩擦电极7（Al）与铜质的环形电极20之间整体上是绝缘的，因而电子只能通过导线由铜质的环形电极20流向外摩擦电极7（Al），此时电流由外摩擦电极7（Al）流向环形电极20，其中，导线穿过支撑环6上设置的导线孔8；
当内摩擦材料3继续向下移动，就会吸引铜质的上的正电荷向下移动，第二环上的电子会沿导线移动到铜质的环形电极20，此时电流由环形电极20流向第二环外摩擦电极，此时内摩擦材料3基本到达自身运动行程的最低位置。内摩擦电极3的另外四个环工作与此相同；
当内摩擦材料3的第一环从最低位置（其第一环与外摩擦电极7的第二环接近平齐）向上移动到第一环环形电极20时，电流外摩擦电极7的第二环流到铜质的环形电极20的第一环上，即每个1号全波整流桥工作，继续向上运动，直到内摩擦电极3的第一环与外摩擦电极7的第一环正对，此过程中电流由环形电极20的第一环流到外摩擦电极7的第一环上；
当内摩擦电极3随着动子19往复轴向运动时，在内摩擦材料7与环形电极20之间就会形成交变电流；
如图9所示，在环形电极20与外摩擦电极7之间各自接入一个全波整流桥25，并将正负极输出并联到一个储能电容26上，储能电容26作为摩擦发电机的能量暂存容器；
当整个装置放置在海面上时，在波浪的不断作用下，摩擦电极往复的相对运动，就可以持续的为储能电容26持续充电，为负载持续供能；
在本摩擦发电机结构中，全波整流桥可以与负载一起安装在浮子内，负载的类型可以是LED，此时整个结构可以用作海边照明、观赏装置，负载的类型也可以是检测用传感器，例如水文监测系统的传感器；
原则上讲，整个装置的尺寸没有严格要求，本文中外壳的尺寸是参考的易拉罐尺寸；另外，此装置的沉子23也可以连接小绳索，下端接到锚上，起相对固定作用。
本实用新型未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种多环-直动-点吸收式纳米摩擦发电机，其特征在于，包括交替式分布的环形电极和外摩擦电极、与所述外摩擦电极内侧面活动接触的环形内摩擦电极，所述环形电极与所述外摩擦电极共同构成圆筒状结构，可上下往复运动的所述内摩擦电极与所述外摩擦电极之间形成交变电流，所述内摩擦电极还连接有驱动组件；
所述环形电极和所述外摩擦电极外侧面设置有外壳，所述外壳顶端设置有浮子且底端设置有底盖，所述驱动组件可相对运动的与所述外壳连接。
2.根据权利要求1所述的多环-直动-点吸收式纳米摩擦发电机，其特征在于，所述驱动组件包括与所述内摩擦电极连接的动子、上复位弹簧、下复位弹簧以及沉子，所述上复位弹簧安装到所述外壳的安装孔内，所述动子上端的外凸轴插入到所述安装孔内，并使上复位弹簧略预压缩；
所述动子的底端设置有安装环槽，所述安装环槽上设置有外伸轴，所述下复位弹簧套设在所述外伸轴上，所述外伸轴穿过所述底盖中间的底盖通孔并与所述沉子连接。
3.根据权利要求2所述的多环-直动-点吸收式纳米摩擦发电机，其特征在于，所述内摩擦电极包括设置在所述动子外侧面的环状凸起、贴附在所述环状凸起外侧面的内摩擦材料，所述内摩擦材料与所述外摩擦电极的内侧面接触；所述内摩擦材料为PTFE。
4.根据权利要求3所述的多环-直动-点吸收式纳米摩擦发电机，其特征在于，所述外壳的内壁上设置有轴向槽，所述轴向槽的内部布置有导线。
5.根据权利要求4所述的多环-直动-点吸收式纳米摩擦发电机，其特征在于，所述环形电极的外径与支撑环的外径相同，所述外摩擦电极通过支撑环设置在所述外壳内壁上，所述环形电极的内径比所述支撑环的内径略大。
6.根据权利要求5所述的多环-直动-点吸收式纳米摩擦发电机，其特征在于，所述外摩擦电极的轴向长度比所述支撑环略小，且粘附在所述支撑环轴线的中间位置。
7.根据权利要求6所述的多环-直动-点吸收式纳米摩擦发电机，其特征在于，所述外摩擦电极的环数比所述内摩擦电极和所述环形电极多一环。
8.根据权利要求7所述的多环-直动-点吸收式纳米摩擦发电机，其特征在于，所述浮子的顶端为球面结构。
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Granted publication date: 20210921 |