一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置及其俘能方法

1.本发明涉及纳米能源、利用波浪能发电技术领域，具体指一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置及其俘能方法。

背景技术：

2.海洋约占地球总面积的71％，蕴藏着极为丰富的能源。我国拥有极长的海岸线和广阔海洋。其中，因为海洋波浪能的能量密度较大，成为科学家们解决能源问题的聚焦点。虽然电磁式发电机在收集波浪能方面已经取得较大发展，但是其存在结构复杂，发电成本高等问题。由于海浪波动频率较低，电磁发电机输出电压和功率低，而摩擦纳米发电机能够在一个较宽的频率范围内输出较高电压和功率，因此非常适合用于收集波浪能。因此，制造一种能够高效收集波浪能量的发电机显得尤为重要。

技术实现要素：

3.为了实现上述目的，本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置及其俘能方法，利用内部结构间的摩擦产生电能，并供给负载。
4.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
5.一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，包括壳体、安装盘和发电机构，所述安装盘设置在壳体内，所述发电机构设置在安装盘上，所述发电机构包括弹簧钢片、扇形舱室、整流桥和发电组件，所述弹簧钢片竖直设置，两个所述扇形舱室呈对称结构固定在弹簧钢片顶部的两侧，且所述扇形舱室的外侧面粘贴有金属电极，所述整流桥设置在扇形舱室内，两组所述发电组件呈对称结构设置在弹簧钢片的两侧，所述发电组件包括若干呈发射状结构排列的金属基板，所述金属基板的上表面由下往上依次贴合有绝缘胶带、金属电极和介电薄膜，所述金属基板的下表面由上往下依次贴合有绝缘胶带和金属电极，两组所述发电组件的发射端相互连接。
6.优选的，2个扇形舱室组成一个中央舱室，2个扇形舱室粘贴在弹簧钢片两侧，舱室挡板固定在扇形舱室外侧。弹簧钢片硬度适中，保证中央舱室可在一定角度范围内摆动。作为优选，所述安装盘的中心处设有通孔，所述安装盘的下表面固定有滑环座，所述滑环座沿通孔的边缘处设置，所述滑环座内设置有导电滑环，所述发电机构设置在导电滑环上。
7.作为优选，所述安装盘的上方设置有塑料基板，所述塑料基板的中心处设有环形插接座，所述环形插接座插接至导电滑环的顶部，所述两组所述发电组件的发射端固定设置有塑料基板的中心处，所述弹簧钢片的底端固定设置在塑料基板的中心处。
8.具体的，发电组件通过塑料基板下方的白中轴与导电滑环过盈配合，导电滑环由滑环座固定连接在安装盘上。中央舱室受重力作用引起导电滑环转动，结合外部激励作用，中央舱室向重力势能低的一侧摆动，通过挤压一侧金属基板贴紧，另一侧金属基板分离而发生接触摩擦起电，将任意方向的波浪能转换成电能。
9.作为优选，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述安装盘的边缘处设置有环形的连
接板，所述上壳体的底端套接至连接板顶侧，所述下壳体的顶端套接至连接板的底侧。
10.优选地，中央舱室、塑料基板、安装盘和滑环座，选择具备精确和耐久性的类abs立体光造型树脂材料制成。
11.作为优选，所述连接板的上下两侧的连接处均设有环形槽，所述环形槽内设置有密封圈。
12.作为优选，所述滑环座的底侧固定有顶针座，所述顶针座上安装有弹簧顶针，所述弹簧顶针的底端抵接至下壳体的内壁。
13.作为优选，所述金属基板和绝缘胶带呈半圆形结构，其上的金属电极及介电薄膜呈非半圆形状，使得金属电极与金属基板之间绝缘。
14.优选地，球壳选择亚克力材料或防腐绝缘材料制成。介电薄膜选择聚四氟乙烯薄膜，表面带有微纳米凹凸结构，促进摩擦发电效果。金属电极选择铜薄膜，通过刻蚀等微加工手段形成高密度薄膜，促进摩擦发电效果。金属基板采用阳极氧化铝板，质量轻且刚度大，可保证金属基板之间的碰撞贴合度，进而增强金属电极与介电薄膜之间的摩擦带电效果，提高发电效率。
15.作为优选，两片所述金属基板之间的夹角为5
°
，两个所述扇形舱室外壁之间的夹角为80
°
。
16.作为优选，左右两侧所述发电组件中，外表面无介电薄膜的金属电极通过导线连接作为输出端a，外表面粘贴有介电薄膜的金属电极通过导线连接作为输出端b，左右两侧的发电组件分别并联连接。
17.优选地，还包括整流及调压的电源管理电路。
18.优选地，多个基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置通过导线并联连接组成网络状波浪能发电系统，以提高海洋波浪能转换率。
19.本发明还提供了一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置的俘能方法，初始状态无外力作用时，由两个扇形舱室组成的中央舱室处于中立位置，金属基板彼此分离，没有电荷产生，分属两个输出端的金属电极之间没有电势差；
20.受外力作用时，中央舱室向一侧摆动过程中挤压金属基板，输出端a的金属电极与介电薄膜接触，由于摩擦起电效应，该金属电极带正电荷，介电薄膜带负电荷；
21.当中央舱室重回中立位置时，被压紧一侧的金属基板彼此分离，带动该侧金属电极与介电薄膜分离，分属两个输出端的金属电极之间形成电势差；
22.开路状态下，电势差随基板间角度增大而增大，当中央舱室向对侧摆动过程中挤压对侧金属基板，该侧间距达到最大时，电势差达到最大饱和值，如果将两个输出端连接构成闭合回路，电势差会驱动电子从输出端b的金属电极流入输出端a的金属电极，形成瞬时电流；
23.当中央舱室重新向该侧摆动时，该侧金属基板再次被挤压，该侧分属两个输出端的金属电极之间电势差逐渐减小，电子从输出端a的金属电极流入输出端b的金属电极，形成反向电流；
24.当输出端a的金属电极与介电薄膜再次接触时，感应电动势完全平衡，至此完成一个发电周期。
25.本发明具有以下的特点和有益效果：
26.1、发电组件充分填充上壳体空间，提高了发电效率和能量密度；
27.2、发电组件固定连接在导电滑环上，在波浪起伏作用下，中央舱室带动导电滑环转动，向重力势能低的一侧摆动，使金属基板一侧压紧另一侧分离，实现波浪方向自适应，有效收集多个方向的波浪能，大幅提高发电效率；
28.3、金属基板使得金属电极与介电薄膜充分贴合，保证了有效接触摩擦面积，有利于增加材料之间的摩擦带电量，提高发电效率。
29.4、通过调节中央舱室质量与弹簧钢片刚度，可调节中央舱室的摆动频率和幅度，从而实现不同频率波浪激励下的高效发电。
30.5、将多个发电装置通过导线并联连接组成网络状波浪能发电系统，大大提高输出电流和输出功率，进而提高海洋波浪能转换效率；
31.6、本发明产生的电能经过电路处理后可存储于超级电容器或可充电电池组，持续不断地为海洋设备或无线传感器供电。
附图说明
32.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。
33.图1为本发明实施例中的第一个静平衡位置时的剖面图。
34.图2为本发明的第一个静平衡位置时的爆炸示意图。
35.图3本发明的中央舱室结构示意图。
36.图4为本发明的发电组件示意图及放大示意图。
37.图5为本发明金属基板不同位置示意图。
38.图6为本发明发电原理图。
39.图7为本发明实施例中整流桥与基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置的连接电路图。
40.图8为本发明实施多个基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置组成的网络状波浪能发电系统的二维示意图。
41.图中，1、上壳体，2、扇形舱室，3、舱室挡板，4、整流桥，5、金属基板，6、密封圈，7、塑料基板，8、安装盘，9、下壳体，10、导电滑环，11、滑环座，12、顶针座，13、弹簧顶针，14、介电薄膜，15、金属电极，16、绝缘胶带，17、弹簧钢片，18、基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，19、外部负载，20、海面，21、导线。
具体实施方式
42.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
43.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.实施例1
46.本实施例提供了一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，如图1所示，壳体包括上壳体1、安装盘8、下壳体9，球壳采用亚克力透明球壳或防腐绝缘材料，球壳内径135mm，外径140mm。球壳直径大小视波浪运动而定，波浪起伏小，可加工小直径；波浪起伏大，可加工大直径。安装盘8优选具备精确和耐久性的类abs立体光造型树脂材料。上下球壳通过安装盘8连接构成密封腔体，并用密封圈密封；腔体内部安装发电组件和中央舱室结构。
47.如图2所示，球壳内部安装有两组发电组件和1个中央舱室结构。
48.如图3所示，所述的中央舱室结构主要包括扇形舱室2，舱室挡板3，弹簧钢片17。两个扇形舱室粘贴在弹簧钢片17侧面，舱室挡板通过螺栓固定在两扇形舱室外侧，弹簧钢片下方穿过塑料基板中轴处的孔洞并由螺栓固定连接。
49.如图4所示，所述发电组件中由外表面粘贴有介电薄膜的金属电极，与相邻的外表面无介电薄膜的金属电极构成发电单元。自上而下，舱室挡板3外表面粘贴一层金属电极15；金属基板5上下表面均粘贴绝缘胶带16，金属基板5上表面的绝缘胶带16的外表面先粘贴金属电极15，金属电极15的外表面再粘贴介电薄膜14；金属基板5下表面的绝缘胶带16的外表面均只粘贴金属电极15；塑料基板7的上表面先粘贴金属电极15，金属电极15的外表面再粘贴介电薄膜14。20组发电单元均以中央舱室为基准，对称分布在弹簧钢片17左右两侧。所有金属电极15优选铜薄膜，所有介电薄膜14优选聚四氟乙烯薄膜，以提高电能输出和电荷密度。直接粘贴在绝缘胶带16外表面的金属电极15通过导线连接作为输出端a，外表面粘贴有介电薄膜14的金属电极15通过导线连接作为输出端b。
50.实施例2
51.本实施例还提供了一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置的俘能方法，具体如下：
52.如图5所示，静平衡状态下的中央舱室处于中立状态，金属基板5呈分离状态，见图中《i》；中央舱室受海面20的波浪作用获得动能，左右往复摆动。当向左摆动时，挤压金属基板5左侧，使金属电极15与介电薄膜14摩擦起电，金属基板5右侧完全分离，见图中《ii》；中央舱室向左摆动到最大角度后开始反向运动，途径中立位置，见图中《iii》；当向右摆动时，挤压金属基板5右侧，使金属电极15与介电薄膜14摩擦起电，金属基板5左侧完全分离，见图中《iv》；中央舱室向右摆动到最大角度后开始反向运动，途径中立位置，完成一个运动周期，见图中《i》。
53.如图6所示，本发明利用摩擦起电和静电感应产生电流。初始状态无外力作用时，金属基板5呈分离状态，没有电荷产生，分属两个输出端的金属电极15之间没有电势差，见图中《i》；受外力作用时，中央舱室摆动过程中挤压金属基板5一侧，输出端a的金属电极15与介电薄膜14接触。由于摩擦起电效应，金属电极15带正电，介电薄膜14带负电，见图中《ii》；当中央舱室向中立位置摆动时，金属基板5彼此分离，金属电极15与介电薄膜14分离，分属两个输出端的金属电极15之间形成电势差，驱动电子从输出端b的金属电极15流入输出端a的金属电极15，形成瞬时电流，见图中《iii》；当金属基板5分离达到最大角度时，电势差达到最大值，电荷转移达到饱和，见图中《iv》；当金属基板5一侧再次受中央舱室挤压彼此靠近时，分属两个输出端的金属电极15之间的电势差逐渐减下，电子从输出端a的金属电极15流入输出端b的金属电极15，形成反向电流，见图中《v》；当输出端a的金属电极15与介电薄膜14再次接触时，感应电荷被中和，见图中《ii》，至此完成一个发电周期。
54.本发明利用两种材料互相接触摩擦带电以及静电感应的原理，介电薄膜14的材料与金属电极15的材料的摩擦电序列存在差异，本实施例中介电薄膜14的材料选择聚四氟乙烯薄膜，或其他介电材料例如聚酰亚胺薄膜，这里不做限定。相应的，金属电极15为导电材料薄膜，本实施例选择铜膜片，或其他金属薄膜，如铝膜，这里不做限定。
55.为了提高发电效率，在所有介电薄膜的表面的部分或者全部表面分布有微结构。该微结构优选为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球或微米球状结构，可以是通过光刻蚀、等离子刻蚀等方法制备。微结构的尺寸在微米到次微米量级，只要不影响介电薄膜的机械强度，具体微结构的尺寸、形状不应该限制本发明的范围。同样，在所有金属电极的外表面也可以分布有上述的微米到次微米量级的微结构，进一步提高发电效率。
56.实施例3
57.本实施例提供了一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置的应用系统，如图7所示，波浪能发电系统中，左侧所有基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置18并联，再与其自身的整流桥4串联构成一个发电组，再与右侧发电组并联，然后与外部负载19连接。本发明产生的电能经过电路处理后也可存储于超级电容器或可充电电池组，持续不断地为海洋设备或无线传感器供电。
58.如图8所示，基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置18的输出电压较高电流较低，将多个基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置18通过导线21并联连接组成网络状波浪能发电系统，可以有效提高输出电流和输出功率。
59.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，其特征在于，包括壳体、安装盘(8)和发电机构，所述安装盘(8)设置在壳体内，所述发电机构设置在安装盘上，所述发电机构包括弹簧钢片(17)、扇形舱室(2)、整流桥(4)和发电组件，所述弹簧钢片(17)竖直设置，两个所述扇形舱室(2)呈对称结构固定在弹簧钢片(17)顶部的两侧，且所述扇形舱室(2)的外侧面粘贴有金属电极(15)，所述整流桥(4)设置在扇形舱室(2)内，两组所述发电组件呈对称结构设置在弹簧钢片(17)的两侧，所述发电组件包括若干呈发射状结构排列的金属基板(5)，所述金属基板(5)的上表面由下往上依次贴合有绝缘胶带(16)、金属电极(15)和介电薄膜(14)，所述金属基板(5)的下表面由上往下依次贴合有绝缘胶带(16)和金属电极(15)，两组所述发电组件的发射端相互连接。2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，其特征在于，所述安装盘(8)的中心处设有通孔，所述安装盘(8)的下表面固定有滑环座(11)，所述滑环座(11)沿通孔的边缘处设置，所述滑环座(11)内设置有导电滑环(10)，所述发电机构设置在导电滑环(10)上。3.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，其特征在于，所述安装盘(8)的上方设置有塑料基板(7)，所述塑料基板(7)的中心处设有环形插接座，所述环形插接座插接至导电滑环(10)的顶部，所述两组所述发电组件的发射端固定设置有塑料基板(7)的中心处，所述弹簧钢片(17)的底端固定设置在塑料基板(7)的中心处。4.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，其特征在于，所述壳体包括上壳体(1)和下壳体(9)，所述安装盘(8)的边缘处设置有环形的连接板，所述上壳体(1)的底端套接至连接板顶侧，所述下壳体(9)的顶端套接至连接板的底侧。5.根据权利要求4所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，其特征在于，所述连接板的上下两侧的连接处均设有环形槽，所述环形槽内设置有密封圈(6)。6.根据权利要求4所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，其特征在于，所述滑环座(11)的底侧固定有顶针座(12)，所述顶针座(12)上安装有弹簧顶针(13)，所述弹簧顶针(13)的底端抵接至下壳体(9)的内壁。7.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，其特征在于，所述金属基板(5)和绝缘胶带呈半圆形结构，所述介电薄膜(14)选择聚四氟乙烯薄膜，表面带有微纳米凹凸结构，两片所述金属基板(5)之间的夹角为5
°
，两个所述扇形舱室(2)外壁之间的夹角为80
°
。8.根据权利要求1-7所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，其特征在于，左右两侧所述发电组件中，外表面无介电薄膜的金属电极通过导线连接作为输出端a，外表面粘贴有介电薄膜的金属电极通过导线连接作为输出端b，左右两侧的发电组件分别并联连接。9.一种根据权利要求8所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置的俘能方法，其特征在于，初始状态无外力作用时，由两个扇形舱室(2)组成的中央舱室处于中立位置，金属基板(5)彼此分离，没有电荷产生，分属两个输出端的金属电极(15)之间没有电势差；受外力作用时，中央舱室向一侧摆动过程中挤压金属基板(5)，输出端a的金属电极(15)与介电薄膜(14)接触，由于摩擦起电效应，该金属电极(15)带正电荷，介电薄膜(14)带负电荷；当中央舱室重回中立位置时，被压紧一侧的金属基板(5)彼此分离，带动该侧金属电极
(15)与介电薄膜(14)分离，分属两个输出端的金属电极(15)之间形成电势差；开路状态下，电势差随基板间角度增大而增大，当中央舱室向对侧摆动过程中挤压对侧金属基板，该侧间距达到最大时，电势差达到最大饱和值，如果将两个输出端连接构成闭合回路，电势差会驱动电子从输出端b的金属电极流入输出端a的金属电极，形成瞬时电流；当中央舱室重新向该侧摆动时，该侧金属基板再次被挤压，该侧分属两个输出端的金属电极之间电势差逐渐减小，电子从输出端a的金属电极流入输出端b的金属电极，形成反向电流；当输出端a的金属电极与介电薄膜再次接触时，感应电动势完全平衡，至此完成一个发电周期。10.一种根据权利要求8所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置的应用，其特征在于，左侧所有发电基板(15)并联，再与其自身的整流桥(4)串联构成一个发电组，再与右侧发电组并联，然后连接外部负载(19)。

技术总结

本发明公开了一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，包括壳体、安装盘和发电机构，所述安装盘设置在壳体内，所述发电机构设置在安装盘上，所述发电机构包括弹簧钢片、扇形舱室、整流桥和发电组件，所述弹簧钢片竖直设置，两个所述扇形舱室呈对称结构固定在弹簧钢片顶部的两侧，且所述扇形舱室的外侧面粘贴有金属电极，所述整流桥设置在扇形舱室内，两组所述发电组件呈对称结构设置在弹簧钢片的两侧，所述发电组件包括若干呈发射状结构排列的金属基板，该装置的发电组件固定连接在导电滑环上，在波浪起伏作用下，中央舱室带动导电滑环转动，向重力势能低的一侧摆动，使金属基板一侧压紧另一侧分离，实现波浪方向自适应，大幅提高发电效率。提高发电效率。提高发电效率。