一种基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置

1.本发明涉及波浪能的收集以及波浪能发电系统技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置。


背景技术：

2.随着化石能源的大量使用，化石能源的储量不断减少，能源危机和使用化石能源带来的环境污染问题亟待解决，从自然界获取可再生能源是解决能源危机和环境问题的最有前景的途径。
3.海洋的面积约为3.6亿平方千米，覆盖了地球表面约四分之三的面积，蕴含着巨大的能量，“蓝色能源”一种优质的清洁能源。目前收集“蓝色能源”的方式大多采用电磁感应的方式，难以直接收集低频的波浪能，波浪能作为“蓝色能源”的重要组成部分很难被利用起来。如果能将波浪能充分利用起来，则未来能源的前景会相当广阔和光明。


技术实现要素：

4.针对目前利用波浪能发电的需求，本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置，该装置基于摩擦纳米发电机进行构建，用以收集低频的波浪能，可实现在海面上随着波浪来回起伏，实现对波浪能的高效转换，提高发电效率；同时可充分利用波浪能，实现清洁能源的收集利用。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置，包括：第一发电单元、第二发电单元和储能单元；其中：
7.第一发电单元，包括挡板和铜棒，挡板上表面被均匀划分为六部分，其中，间隔排布的三部分粘贴第一铜箔，第一铜箔上面粘贴第一ptfe膜；铜棒设置在粘贴有第一铜箔和第一ptfe膜的挡板上，铜棒作为摩擦层材料，第一铜箔作为第一金属电极，第一ptfe膜作为介电薄膜和摩擦层材料；
8.第二发电单元，包括滚筒和设置在滚筒内的转子，滚筒内壁被均匀划分为六部分，其中，间隔排布的三部分粘贴第二铜箔，第二铜箔上面粘贴第二ptfe膜；转子包括均匀间隔分布的三个凸起部分和三个凹陷部分，其中，三个凸起部分的外表面粘贴有兔毛，兔毛作为摩擦层的摩擦层材料，第二铜箔作为第二金属电极，第二ptfe膜作为介电薄膜和摩擦层材料；挡板镶嵌在转子内壁，挡板通过法兰与盖板固定，滚筒采用玻璃胶进行密封；
9.储能单元，包括整流桥和储能电池，第一发电单元、第二发电单元和整流桥串联形成一个发电组，再与储能电池串联，储存电能。
10.进一步地，所述挡板上的铜棒和挡板上的第一ptfe膜接触过程中，由于摩擦起电效应，挡板上的第一ptfe膜能够获得电子，使得挡板上的第一ptfe膜带有负电荷，由于ptfe膜是非金属材料，当两个摩擦层分离后，能够束缚电子很长一段时间，当挡板上的铜棒再次与挡板上的下一部分第一ptfe膜接触时，由于电荷平衡能够使得电子在两个第一金属电极
之间转移，产生与电子转移方向相反的且等量的电流。
11.进一步地，所述滚筒上的第二ptfe膜和转子上的兔毛接触过程中，由于摩擦起电效应，滚筒上的第二ptfe膜能够获得电子，使得滚筒上的第二ptfe膜带有负电荷，由于ptfe膜是非金属材料，当两个摩擦层分离后，能够束缚电子很长一段时间，当转子上的兔毛再次与滚筒上的下一部分第二ptfe膜接触时，由于电荷平衡能够使得电子在两个第二金属电极之间转移，产生与电子转移方向相反的且等量的电流。
12.进一步地，所述挡板的长度为90mm、宽度为34mm；第一ptfe膜长度为90mm、宽度为5mm，铜棒7的长度为90mm、半径为6mm。
13.进一步地，挡板上表面间隔粘贴有三个第一ptfe膜，且挡板上表面与每个第一ptfe膜之间的间隔为5mm，挡板表面的三个第一ptfe膜与铜棒之间存在3个电极层。
14.进一步地，所述滚筒的长度为100mm、内半径为48mm；第二ptfe膜长度为90mm、宽度为50mm；转子的长度为90mm、凹陷处外半径为37mm、凸起处外半径为45mm。
15.进一步地，在滚筒内壁间隔粘贴有三个第二ptfe膜，且滚筒内壁与每个第二ptfe膜之间的间隔为50mm；转子的三个凸起处粘贴有兔毛，此时在滚筒内壁和转子外壁之间存在3个电极层。
16.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
17.1、本发明提供的波浪能收集装置，基于摩擦纳米发电机进行构建，用以收集低频的波浪能，可实现在海面上随着波浪来回起伏，实现对波浪能的高效转换，提高发电效率；同时可充分利用波浪能，实现清洁能源的收集利用。
18.2、本发明提供的基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置，其电压较高电流较低，可以将多个基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置进行并联，能够大幅度的提高基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置的输出电流和输出功率。
19.基于上述理由本发明可在波浪能的收集以及波浪能发电系统等领域广泛推广。
附图说明
20.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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
21.图1为本发明波浪能收集装置中发电单元整体结构示意图。
22.图2为本发明波浪能收集装置中发电单元整体整体结构剖视图。
23.图3为本发明第一发电单元结构示意图。
24.图4为本发明第二发电单元结构示意图。
25.图5为本发明发电单元发电原理示意图。
26.图6为本发明储能部分的整流电路示意图。
27.图7为本发明发电单元整体结构尺寸图。
28.图8为本发明发电单元内部结构尺寸图。
29.图9为本发明铜棒结构尺寸图。
30.图10为本发明挡板结构尺寸图。
31.图中：1、滚筒；2、第一ptfe膜；3、转子；4、兔毛；5、挡板；6、螺纹；7、铜棒；8、储能电池；9、盖板；10、法兰；11、整流桥；12、基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置；13、外部用电器；14、电容器、15、第一金属电极；16、导线；17、第二ptfe膜；18、第二金属电极。
具体实施方式
32.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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
34.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
35.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
37.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
38.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于
对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
39.如图1-4所示，本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置，包括：第一发电单元、第二发电单元和储能单元；其中：
40.如图3所示，第一发电单元，包括挡板5和铜棒7，挡板5上表面被均匀划分为六部分，其中，间隔排布的三部分粘贴第一铜箔，第一铜箔上面粘贴第一ptfe膜2；铜棒7设置在粘贴有第一铜箔和第一ptfe膜2的挡板5上，铜棒5作为摩擦层材料，第一铜箔作为第一金属电极15，第一ptfe膜2作为介电薄膜和摩擦层材料；所述挡板5上的铜棒7和挡板5上的第一ptfe膜2接触过程中，由于摩擦起电效应，挡板5上的第一ptfe膜2能够获得电子，使得挡板5上的第一ptfe膜2带有负电荷，由于ptfe膜是非金属材料，当两个摩擦层分离后，能够束缚电子很长一段时间，当挡板5上的铜棒7再次与挡板上的下一部分第一ptfe膜2接触时，由于电荷平衡能够使得电子在两个第一金属电极15之间转移，产生与电子转移方向相反的且等量的电流。
41.如图4所示，第二发电单元，包括滚筒1和设置在滚筒1内的转子3，滚筒1内壁被均匀划分为六部分，其中，间隔排布的三部分粘贴第二铜箔，第二铜箔上面粘贴第二ptfe膜17；转子3包括均匀间隔分布的三个凸起部分和三个凹陷部分，其中，三个凸起部分的外表面粘贴有兔毛4，兔毛4作为摩擦层的摩擦层材料，第二铜箔作为第二金属电极18，第二ptfe膜17作为介电薄膜和摩擦层材料；挡板5镶嵌在转子3内壁，挡板5通过法兰10与盖板9固定，滚筒1采用玻璃胶进行密封；所述滚筒1上的第二ptfe膜17和转子3上的兔毛4接触过程中，由于摩擦起电效应，滚筒1上的第二ptfe膜17能够获得电子，使得滚筒1上的第二ptfe膜17带有负电荷，由于ptfe膜是非金属材料，当两个摩擦层分离后，能够束缚电子很长一段时间，当转子3上的兔毛4再次与滚筒1上的下一部分第二ptfe膜17接触时，由于电荷平衡能够使得电子在两个第二金属电极18之间转移，产生与电子转移方向相反的且等量的电流。
42.储能单元，包括整流桥和储能电池，第一发电单元、第二发电单元和整流桥11串联形成一个发电组，再与储能电池8串联，储存电能。由于发电装置在发电过程中受波浪的起伏幅度、频率等其他外界因素影响，电压极其不稳定，故需要整流桥以及稳压电容对转换的电能进行处理再进行储存。为使得该装置在适应海上复杂的环境，防止收集波浪能过程中发生颠覆，特地将挡板5重心降低。
43.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图7-10所示，所述挡板5的长度为90mm、宽度为34mm；第一ptfe膜2长度为90mm、宽度为5mm，铜棒7的长度为90mm、半径为6mm。挡板5上表面间隔粘贴有三个第一ptfe膜2，且挡板5上表面与每个第一ptfe膜2之间的间隔为5mm，挡板5表面的三个第一ptfe膜2与铜棒7之间存在3个电极层。当基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置12海浪的冲击时，铜棒7在挡板5表面发生滑动，铜棒7与档板5表面和第一ptfe膜2发生滑动摩擦。档板5表面上第一ptfe膜2，在发电过程中起到摩擦层材料和介电薄膜的作用，铜棒7起摩擦层材料的作用，第一ptfe膜2与铜棒7相比具有极高的电负性，在与铜棒7接触过程中，由于摩擦起电效应，第一ptfe膜2获得电子，使得第一ptfe膜2带有负电荷，当两个摩擦层分离后，由于其是非金属材料，能够束缚电子很长一段时间，当下一部分的第一ptfe膜2再次与铜棒7接触时，由于电荷平衡能够使得电子在两个第一金属电极15之间转移，产生与电子转移方向相反的且等量的电流。
44.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图7-10所示，所述滚筒的长度为100mm、内半径为48mm；第二ptfe膜长度为90mm、宽度为50mm；转子的长度为90mm、凹陷处外半径为37mm、凸起处外半径为45mm。在滚筒内壁间隔粘贴有三个第二ptfe膜，且滚筒内壁与每个第二ptfe膜之间的间隔为50mm；转子的三个凸起处粘贴有兔毛,此时在滚筒内壁和转子外壁之间存在3个电极层。当转子3转动时，滚筒1与转子3发生滑动摩擦。滚筒1内壁第二ptfe膜17，在发电过程中起到摩擦层材料和介电薄膜的作用，兔毛4起摩擦层材料的作用，第二ptfe膜17与兔毛4相比具有极高的电负性，与兔毛4接触过程中，由于摩擦起电效应，ptfe膜2获得电子，使得第二ptfe膜17带有负电荷，当两个摩擦层分离后，由于其是非金属材料，能够束缚电子很长一段时间，当下一部分的第二ptfe膜17再次与兔毛4接触时，由于电荷平衡能够使得电子在两个第二金属电极18之间转移，产生与电子转移方向相反的且等量的电流。
45.如图5所示，为本发明基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置的发电原理图，在一个完整的发电周期内，共可分为4个阶段，电子在这个周期内通过摩擦生电以及电荷平衡两个原理来实现电子在第二ptfe膜17(第一ptfe膜2)与兔毛4(铜棒7)，由于电荷平衡能够使得电子在两个第一金属电极15(第二金属电极18)之间转移，产生与电子转移方向相反的且等量的电流，产生电压，实现波浪能与电能之间的转换。
46.如图6所示，本装置的储能单元由整流桥、储能电池组成。由于发电装置在发电过程中受波浪的起伏幅度、频率以及易受风能等其他外界因素影响，电压极其不稳定，故需要整流桥以及稳压电容对转换的电能进行处理再进行储存。在基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置系统中，第一发电单元、第发电单元和整流桥11串联形成一个发电组，然后与储能电池8串联，储存电能。此外，基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置12的电压较高电流较低，如果将多个基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置12进行并联，可以大幅度的提高基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置12的输出电流和输出功率。
47.综上所述，对本发明基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置12的发电过程进行阐述，当基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置12受到海浪的冲击时，铜棒7在挡板5表面发生滑动，铜棒7与档板5表面上的第一ptfe膜2发生滑动摩擦，此时转子3发生转动，滚筒1与转子3发生滑动摩擦。通过摩擦生电来实现电子在第二ptfe膜17(第一ptfe膜2)与兔毛4(铜棒7)转移，通过电荷平衡原理，两个第一金属电极15(第二金属电极18)有电荷转移，最终形成电流，产生电压，实现波浪能与电能之间的转换，由于潮起潮落是不断地发生，基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置12会一直把波浪能转换为电能。波浪能的存在不规则性与低频性，基于摩擦纳米发电机的波浪能收集装置12产生的电压不稳定，需要整流处理，通过整流桥11整流后，输出电压是单向脉动电压，这样的电压强度变化波动很大，会对储能电池8造成冲击，需要一个电容器14将单向波脉动电压变成均匀电压，经过转换的电能利用储能电池8进行储存，以备外部用电器13使用。
48.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。