一种收集波浪能的单摆式摩擦纳米发电机的制作方法

1.本发明涉及能源收集技术领域，特别是涉及一种收集波浪能的单摆式摩擦纳米发电机。


背景技术：

2.波浪能被认为是一种重要的可再生能源和清洁能源，但由于目前主要依靠电磁发电，加上各种技术的局限性，特别是它在不规则环境和低频(《5hz)下的运行，开发的很少。一般现有的也只是采用利用波浪能推动电磁发电转动产生转子和定子的相对运动而进行发电，发电效率较低。
3.目前有摩擦纳米发电机(teng)的技术，可以用来从低频水波中获取能量，现有技术中也存在部分利用纳米摩擦发电的手段，例如，申请公布号为cn111628673a的中国专利公开了一种多点式纳米摩擦发电单元及装置，该方案包括振动浮子、三棱柱式纳米摩擦发电装置，三棱柱式纳米摩擦发电装置主要包括一个内置隔板的三棱柱状箱体、四个插入箱体的实心三棱柱质量体、四组纳米摩擦发电机组。质量体分别插入被隔板分割的箱体空间且可自由滑动，同时在箱体与质量体摩擦部分安装纳米摩擦薄膜。该方案能够利用波浪的竖直运动，使箱体与质量体之间产生相对运动，将纳米材料之间的摩擦动能转化为电能，再由电能储存装置储存或直接输送给用电器。但是，该方案结构较为复杂，成本较高，且摩擦面的接触面积有限，导致发电效率较低。
4.由于海洋中的波浪频率极低，有时仅有0.01hz，且波浪能具有不稳定的性质，收集这种能量非常困难。发电机在工作时，十分依赖于所捕获波浪能的频率，因此在通常情况下，发电机的平均输出功率较低。现有技术中，也有利用摆动的方式获得波浪能量的技术，例如，申请公布号为cn 111865133 a的中国专利公开了一种摆式摩擦纳米发电机及能量采集器，包括封闭的壳体和位于其内部的摆动结构，摆动结构包含摆杆以及自由摆动摩擦层，摆动结构由于外界激励在外壳内部摆动时，该摆动结构的自由摆动摩擦层随之摆动，通过与分布式摩擦层发生摩擦带电，对应在电极层上产生电学输出。该方案的摆动过程主要依赖于单一摆动摩擦层或相对设置的摆动摩擦层，采用单一摆动摩擦层时摩擦接触面积较小，发电效率较低，而采用相对设置的摆动摩擦层时，虽然增大了摩擦面积，但该结构并不利于摆动的动作形成，发电效率同样较低。
5.因此，如何提高现有的摩擦纳米发电机在收集超低频波浪能时的输出性能是亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种收集波浪能的单摆式摩擦纳米发电机，以解决上述现有技术存在的问题，通过随摆摩擦单元与固定摩擦单元形成发电组并通过二者之间的摩擦运动进行发电，摩擦面为圆弧面，同一发电组中的圆弧面圆心重合并与摆杆的摆动中心重合，能够使得随摆摩擦单元与固定摩擦单元始终处在大面积接触的状态，能够提高摩擦面积的
大小，进而提高单次摆动的发电量，提高发电效率。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供一种收集波浪能的单摆式摩擦纳米发电机，包括漂浮于水面的壳体以及设置在所述壳体内的摆动摩擦发电组件和固定摩擦发电组件，所述摆动摩擦发电组件包括摆杆和轴向分布并连接在所述摆杆上的随摆摩擦单元，所述固定摩擦发电组件包括与所述随摆摩擦单元形成发电组的固定摩擦单元；所述随摆摩擦单元与所述固定摩擦单元的摩擦面均为圆弧面，且同一发电组中的所述圆弧面的圆心重合，并与所述摆杆的摆动中心重合。
9.优选地，设置有多组发电组，同一发电组中，所述随摆摩擦单元的外凸圆弧面与所述固定摩擦单元的内凹圆弧面摩擦，所述固定摩擦单元中部沿所述摆杆摆动方向设置有第一条形孔。
10.优选地，所述随摆摩擦单元包括由所述摆动中心向远离所述摆动中心依次设置的随摆电极层和随摆摩擦层，所述固定摩擦单元包括由所述摆动中心向远离所述摆动中心依次设置的固定摩擦层和固定电极层。
11.优选地，所述发电组设置有三组，所述随摆摩擦层与所述固定摩擦层之间存在间隙，该间隙为0.2mm-1mm，所述随摆电极层和所述固定电极层的厚度为50nm-1mm。
12.优选地，所述摆杆的自由端延伸出所述壳体，且在所述自由端连接有摆锤。
13.优选地，所述壳体包括底座和设置在所述底座上的长方体外壳，所述固定摩擦单元的两端分别连接在所述长方体外壳长度方向上相对的两侧壁上。
14.优选地，所述摆杆的摆动中心处设置有轴承，所述长方体外壳宽度方向上相对的两侧壁上设置有支撑轴，所述轴承转动设置在所述支撑轴上。
15.优选地，所述底座为五边形板状结构，所述五边形板状结构中部沿所述摆杆摆动方向设置有第二条形孔。
16.优选地，所述五边形板状结构的每一侧边均设置有浮体。
17.优选地，所述摆杆和所述底座均采用亚克力材料，所述随摆摩擦层采用聚酰胺材料，所述固定摩擦层采用聚四氟乙烯材料。
18.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
19.(1)本发明通过随摆摩擦单元与固定摩擦单元形成发电组并通过二者之间的摩擦运动进行发电，摩擦面为圆弧面，同一发电组中的圆弧面圆心重合并与摆杆的摆动中心重合，能够使得随摆摩擦单元与固定摩擦单元始终处在大面积接触的状态，能够提高摩擦面积的大小，进而提高单次摆动的发电量，提高发电效率；
20.(2)本发明通过将外界波浪激励转化为单摆形式的摆动摩擦发电组件的摆动机械能，并结合滑动式摩擦将摆动机械能转化为电能进行输出，能够采集水平方向的波浪能量，不局限于一维的激励形式，并且通过摆动形式的设置，能在低频作用下实现高频输出，将大部分外界波浪激励转化为单摆运动机械能，大大提高了能量转换效率，具有较高的能量采集效率；
21.(3)本发明通过设置壳体，将摆动摩擦发电组件和固定摩擦发电组件均设置在壳体内，能够适应各种环境，具有高稳定性和高可靠性，并且能够响应水平方向指定角度的外部激励，具有广泛的应用前景；
22.(4)本发明通过在随摆摩擦层和固定摩擦层之间设置间隙，使得摩擦阻力减小，摆动过程中的损耗降至最低，同时，由于包含多个摩擦层，增加了随摆摩擦层在摆动过程中与多个固定摩擦层的接触面积，有助于提高低频作用下的能量收集效率。
附图说明
23.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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明去除长方体外壳后一侧板后的立体结构示意图；
25.图2为图1另一角度结构示意图；
26.图3为本发明去掉整个长方体外壳后的结构示意图；
27.图4为本发明固定摩擦单元结构示意图；
28.图5为本发明随摆摩擦单元和固定摩擦单元的内部结构示意图。
29.其中，1、长方体外壳；2、底座；21、第二条形孔；3、浮体；4、摆杆；41、摆锤；42、轴承；5、随摆摩擦单元；51、随摆电极层；52、随摆摩擦层；6、固定摩擦单元；61、固定电极层；62、固定摩擦层；63、第一条形孔；7、支撑轴。
具体实施方式
30.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。
31.本发明的目的是提供一种收集波浪能的单摆式摩擦纳米发电机，以解决现有技术存在的问题，通过随摆摩擦单元与固定摩擦单元形成发电组并通过二者之间的摩擦运动进行发电，摩擦面为圆弧面，同一发电组中的圆弧面圆心重合并与摆杆的摆动中心重合，能够使得随摆摩擦单元与固定摩擦单元始终处在大面积接触的状态，能够提高摩擦面积的大小，进而提高单次摆动的发电量，提高发电效率。
32.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。
33.如图1～5所示，本发明提供一种收集波浪能的单摆式摩擦纳米发电机，包括漂浮于水面的壳体以及设置在壳体内的摆动摩擦发电组件和固定摩擦发电组件，其中，壳体能够对摆动摩擦发电组件和固定摩擦发电组件进行保护，避免外界环境的侵害，同时，能够提供一定的浮力，使得整个装置漂浮水面，壳体本身可以采用轻质材料制作，或连接有若干浮体3提供浮力，壳体内在摆动摩擦发电组件的摆动方向具有相应的摆动空间。摆动摩擦发电组件和固定摩擦发电组件之间能够相对摩擦，通过所设置的纳米摩擦材料获得电能，再连接到电能储存单元或者供给用电设备。具体的，摆动摩擦发电组件包括摆杆4和轴向分布并连接在摆杆4上的随摆摩擦单元5，随摆摩擦单元5能够随着摆杆4的摆动而摆动，随摆摩擦单元5相当于摆杆4的摆锤41，摆杆4的端部还可以连接有独立的摆锤41。固定摩擦发电组件
包括与随摆摩擦单元5形成发电组的固定摩擦单元6，固定摩擦单元6可以安装固定在壳体上以进行相对位置的固定；实际上，当壳体受到波浪冲击而运动时，也会相对于摆杆4及其连接的随摆摩擦单元5发生运动，会提高摩擦的效率。随摆摩擦单元5与固定摩擦单元6的摩擦面均为圆弧面，在具体设置时，可以将随摆摩擦单元5的外凸圆弧面与固定摩擦单元6的内凹圆弧面摩擦，此时，可以认为，随摆摩擦单元5位于固定摩擦单元6的上部(竖向摆动)；也可以将随摆摩擦单元5的内凹圆弧面与固定摩擦单元6的外凸圆弧面摩擦，此时，可以认为，随摆摩擦单元5位于固定摩擦单元6的下部(竖向摆动)。无论采用哪种摩擦设置方式，同一发电组中的圆弧面的圆心重合，并与摆杆4的摆动中心重合；能够使得随摆摩擦单元5与固定摩擦单元6始终处在大面积接触的状态，能够提高摩擦面积的大小，进而提高单次摆动的发电量，提高发电效率。本发明通过将外界波浪激励转化为单摆形式的摆动摩擦发电组件的摆动机械能，并结合滑动式摩擦将摆动机械能转化为电能进行输出，能够采集水平方向的波浪能量，不局限于一维的激励形式，并且通过摆动形式的设置，能在低频作用下实现高频输出，将大部分外界波浪激励转化为单摆运动机械能，大大提高了能量转换效率，具有较高的能量采集效率。
34.在壳体内可以设置有多组发电组，进一步的，同一发电组中，可以设置成随摆摩擦单元5的外凸圆弧面与固定摩擦单元6的内凹圆弧面摩擦，也就是说，按照摆杆4的摆动中心位于摆杆4的上部的设置方式，此时，随摆摩擦单元5位于固定摩擦单元6的上部，即便在摆动过程中随摆摩擦单元5可能会受力不稳或向远离摆动中心的方向滑落，均会保持与固定摩擦单元6良好的摩擦效果。如图4所示，固定摩擦单元6中部沿摆杆4摆动方向设置有第一条形孔63，摆杆4在摆动过程中不会受到固定摩擦单元6的干涉和限制，能够自由进行摆动，保证摆动摩擦的效果。
35.如图5所示，随摆摩擦单元5包括由摆动中心向远离摆动中心依次设置的随摆电极层51和随摆摩擦层52，固定摩擦单元6包括由摆动中心向远离摆动中心依次设置的固定摩擦层62和固定电极层61。随着摆杆4的摆动，随摆摩擦层52随之摆动，通过与固定摩擦层62发生摩擦带电，在随摆摩擦层52摆动过程中，对应在随摆电极层51和固定电极层61上产生电学输出。
36.如图1～3所示，发电组可以设置有三组，也就是说，包含三个随摆摩擦层52和固定摩擦层62的组合，增加了随摆摩擦层52在摆动过程中与多个固定摩擦层62的摩擦面积，有助于提高低频作用下的能量收集效率。随摆摩擦层52与固定摩擦层62之间存在间隙，该间隙为0.2mm-1mm，通过设置间隙，使得摩擦阻力减小，摆动过程中的损耗降至最低。随摆电极层51和固定电极层61的厚度为50nm-1mm，与摆动过程产生的电能相匹配，保证输出效率。
37.如图2～3所示，摆杆4的自由端可以位于壳体内部，使得整个壳体为全封闭结构，该结构对于装置的整体密封性有好处。摆杆4的自由端也可以延伸出壳体，且在自由端连接有摆锤41，此时，摆锤41位于壳体外部，一般的，摆杆4为竖向摆动方式，即摆锤41在摆杆4的下部，摆动中心在摆杆4的上部，且由于摆锤41具有一定的质量，能够对于整个装置的竖向稳定性提供帮助，避免装置的倾倒影响摆动发电过程。
38.如图1～2所示，壳体包括底座2和设置在底座2上的长方体外壳1，其中，长方体外壳1可以为包括顶面、各侧面和底面的整体长方体结构，也可以为只包括顶面和各侧面的无底面的长方体结构，此时利用底座2作为其底面。长方体外壳1具有长度相对较长的长度方
向和长度相对较窄的宽度方向，其中，固定摩擦单元6的两端分别连接在长方体外壳1长度方向上相对的两侧壁上，此时，在同样的长方体外壳1条件下，相对于安装在宽度方向上，能够增长固定摩擦单元6的长度，进而，能够提高随摆摩擦单元5与固定摩擦单元6的摩擦面积，进而提高单次摆动过程的发电效率。
39.如图2～3所述，摆杆4的摆动中心处可以设置有轴承42，轴承42可以通过焊接等方式连接在摆杆4的端头，摆杆4能够绕轴承42摆动，长方体外壳1宽度方向上相对的两侧壁上设置有支撑轴7，轴承42转动设置在支撑轴7上，此时，摆杆4能够绕支撑轴7进行摆动，即摆杆4带动随摆摩擦单元5沿长方体外壳1的长度方向摆动。
40.如图1～2所示，底座2可以为五边形板状结构，五边形板状结构中部沿摆杆4摆动方向设置有第二条形孔21，摆杆4的自由端贯穿第二条形孔21延伸到水面下，在摆动的同时，对装置整体的稳定性具有好处。五边形板状结构的底座2相对圆形结构更能够节省材料，且相比四边形可以多安装一个浮体3，在同等情况下能够增大浮力。
41.如图1～3所示，浮体3可以采用泡沫材料制作成圆柱体形状，在五边形板状结构的每一侧边均设置有浮体3，圆柱体形状的圆心与底座2位于同一水平面，更加稳定。底座2材料选用亚克力或浮体材料均可，此处浮体材料不局限于泡沫，可以为其他材料轻但具有一定的强度的材料。
42.摆杆4可以采用亚克力材料。随摆摩擦层52可以采用聚酰胺等容易失去电子的材料，固定摩擦层62可以采用聚四氟乙烯等容易得到电子的材料。
43.本发明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。