全向风能收集的摩擦纳米发电机及海洋装备的制作方法

本发明涉及新能源发电领域，特别是涉及一种全向风能收集的摩擦纳米发电机及海洋装备。

背景技术：

1、在能源危机日益严峻的形式下，对于可再生能源的探索成为能源可持续发展的重要挑战之一。传统的能源如石油、煤炭、天然气等高质量的低熵能源已经不能满足人类对能源的使用需求，因此，迫切需要一些可替代的能源如自然界中的风能、海洋能等绿色能源。当下全球海洋覆盖率约为70.8％，收集和利用海洋风能也是人类奋斗的目标。目前海洋能与风能的混合收集主要是在海洋中建立水电站，通过收集潮涨潮落时的势能，推动叶轮，使叶轮进行旋转，进而驱动电磁发电机进行工作，将机械能转化为电能，或是直接在建立海洋风能收集站，但其地点受到很大的限制，仅适合于近海岸地带收集，并且成本昂贵，对环境不友好，低频能量的收集电磁发电机无法达到最大的工作效率。

2、王中林团队发明的摩擦纳米发电机(teng)提供了一种利用机械能发电的新型发电机，该发电机采用摩擦发电的原理产生电能，可将环境中存在的众多分布式高熵低频能量转化为有效电能，进而可以补充低频能源的收集短板。为了有效利用海上风能发电，技术人员将风杯连接在摩擦纳米发电机的转子部分，通过风杯收集风能进而驱动teng运转发电。这种发电机虽然可以产生电能；但是在海洋平台上等装备上实际应用时，仍存在低频风能收集效率较低的问题。造成这一问题的原因主要包括两点，一方面，现有风力摩擦纳米发电机在海上固定物上随波浪摇摆时，风杯的迎风面无法与风向持续保持正对，这会显著降低此类发电机的风能收集效率。另一方面，传统的风杯和teng的耦合方式不合理，因而存在较大的无效摩擦，这也降低了teng的发电效率。

技术实现思路

1、为了解决传统基于teng的海上风力发电机存在的风能利用率较低的问题，本发明提供一种全向风能收集的摩擦纳米发电机及海洋装备。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、一种全向风能收集的摩擦纳米发电机，其包括：风杯、摩擦发电单元、配重块和平衡架。其中，配重块固定连接在摩擦发电单元的底部。平衡架与摩擦发电单元可转动连接，该平衡架与摩擦发电单元的组合体构成类似陀螺仪的结构，进而使得风杯和摩擦发电单元的组合体在运行过程中保持竖直。

4、本发明的摩擦发电单元包括转轴以及至少一组转子和定子。转子和风杯同轴连接在转轴的两端，转子中靠近定子的一侧设有摩擦层；定子中靠近转子的一侧设有电极层；转子在风杯的驱动下相对定子转动时，摩擦层与电极层接触分离过程中发生电荷转移而发电。

5、平衡架包括底座、第一平衡环和第二平衡环，三者构成陀螺仪的支架结构；摩擦发电单元可转动连接在第二平衡环上。在平衡架中，第一平衡环为外环，其用于对摩擦发电单元、配重块、第二平衡环和风杯构成的组合体进行垂直度矫正。第二平衡环为内环，其用于对由摩擦发电单元、配重块和风杯构成的组合体进行水平度矫正。

6、作为本发明进一步的改进，摩擦发电单元包括转轴、壳体，上轴承、下轴承、锁轴器、以及至少一组转子和定子。上轴承与下轴承安装在壳体中不同高度处的壳壁上。转轴贯穿壳体的并与上轴承和下轴承可转动连接。锁轴器连接在转轴上用于限制转轴沿轴向的移动。转子和所述定子位于壳体内部，定子与壳体的内壁固定连接。

7、作为本发明进一步的改进，壳体内包括一个水平的隔板，隔板将壳体的内腔分隔为上腔体和下腔体；壳体的上盖中央设置第一通孔；隔板中央设置第二通孔。

8、作为本发明进一步的改进，上轴承采用带挡边的法兰杯轴承；法兰杯轴承中口径较小的一端的外径与第一通孔的口径相匹配。法兰杯轴承中口径较小一侧朝向壳体，并沿第一通孔处插接到壳体中的上腔体内。

9、作为本发明进一步的改进，下轴承包括外环、内环和多颗滚珠。外环的底部设有挡环，以使得外环的上口的口径大于下口的口径。内环的外径与下口的孔径匹配，并沿下口向上插接到外环中；且内环的上沿低于外环的上沿，内环的下沿低于外环的下沿。滚珠均匀分布在所述内环和外环之间空隙处；滚珠的直径等于外环的上口直径与内环外径之差的二分之一。且滚珠的顶部高度高于内环的上沿。

10、锁轴器为一个圆环，锁轴器的内径与转轴的外径相匹配，二者过盈配合，锁轴器的外径与下轴承的外环的上口口径相匹配，二者非接触式同轴设置。锁轴器沿下轴承的外环的上口插入到下轴承中，锁轴器的底部与滚珠的顶部抵接。

11、下轴承中的内环和锁轴器均固定套设在转轴上且二者互不接触。下轴承中的外环固定连接在壳体中的隔板上；下轴承的内环底部超出外环的部分插接到隔板中央的第二通孔中，内环与隔板非接触式同轴设置。

12、作为本发明进一步的改进，摩擦发电单元中的转子包括一个中心带有轴孔的圆形的基板以及其上设置的摩擦层。摩擦层呈圆环型并由多个扇环形的摩擦块构成，各个摩擦块之间互不接触。转轴贯穿转子中的轴孔并与转子固定连接。

13、且/或

14、摩擦块采用氟化异丙烯、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯制备而成。

15、作为本发明进一步的改进，摩擦发电单元中的定子包括圆环形的基板以及其上设置的电极层。电极层呈圆环型并由多个扇环形的电极片构成，其中，环形的电极层中位于奇数位上的各个电极片依次电连接构成摩擦发电单元的正极输出端；环形的电极层中位于偶数位上的各个电极片依次电连接构成所述摩擦发电单元的负极输出端。

16、且/或

17、电极层采用金、银、铜或其他任意一项金属或合金材料制备而成。

18、作为本发明进一步的改进，当摩擦发电单元中包括多组转子和定子时，各个转子和定子沿转轴的延伸方向交替分布，每个转子均连接在转轴上，每个定子均与壳体固定连接，相连且正对的一组转子和定子构成可独立发电的基本单元。

19、作为本发明进一步的改进，底座包括底板以及垂直于底板上表面的两根支撑杆。第一平衡环和第二平衡环的环面结构中心对称，并在环壁上对应两条对称轴的位置设有四个连接孔。第二平衡环的尺寸小于第一平衡环并能够嵌入到第一平衡环的内圈中。第一平衡环的其中一组位置相对的连接孔处与底座上的支撑杆顶端通过两个销轴可转动连接，另一组连接孔与所述第二平衡环侧面的两个连接孔也分别通过两个销轴可转动连接。配重块的底部与第二平衡环中靠近底部的连接孔固定连接；摩擦发电单元位于第二平衡环的内侧，且摩擦发电单元的转轴贯穿第二平衡环中靠近顶部的连接孔，并与位于第二平衡环外部的风杯固定连接。

20、本发明还包括一种海洋装备，其采用如前述的全向风能收集的摩擦纳米发电机进行自供电。其中，全向风能收集的摩擦纳米发电机位于水面以上并通过平衡架固定连接在海洋装备的表面。

21、本发明提供的全向风能收集的摩擦纳米发电机具有如下有益效果：

22、本发明提出了一种可以对摩擦发电单元机器风杯的姿势进行多自由度垂直的新海上风力发电机结构，该发电机在摩擦纳米发电单元周围定制与陀螺仪框架类似的平衡架，当风杯转动时，摩擦纳米发电机可以的转动轴总是保持竖直朝上，因而可以保证了风杯的迎风面始终能够与来风方向正对，达到最大的收集海上低频风能的效率。

23、本发明提供的全向风能收集的摩擦纳米发电机实用性强，可以根据需要设计为低功率的小型发电机，也可以设计为高功率的大型发电机，并且可以通过单个风杯驱动多组转子和定子结构，提高设备发电时单位体积的能量密度。

24、本发明还针对该发电机的转轴时刻保持竖直的朝向的特点，对摩擦发电单元内部各转动部件的耦合关系进行重新设计，通过杯式法兰轴承和新设计的下轴承和锁轴器来对可动部件进行支撑，既提高了器件的稳定性和耐久性，还可以提升摩擦发电单元的防水性能，并降低发电过程的无效磨损，进而提高发电机的风电转换效率。

25、本发明提供的全向风能收集的摩擦纳米发电机适合应用于独立的海洋浮体航标上，发电单元在浮标上始终维持与来风垂直，达到最大的风能收集效率，在满足能够自驱动供电的同时完成海洋环境的检测功能。