一种收集低频波浪能的摩擦纳米发电机及其发电方法
- 国知局
- 2025-01-17 12:49:33
本申请属于海洋能发电,尤其涉及一种收集低频波浪能的摩擦纳米发电机及其发电方法。
背景技术:
1、摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,teng)与电磁发电机(emgs)相比,可以更有效地将各种形式的微小机械能转化为电能。由于海浪的不可预测性,理想的波浪能量收集装置必须具备耐用性、高度灵敏性,能够对低频和低幅的波浪作出反应,并且需要配备电源管理电路。此外,该装置还应能够从任意方向捕捉波浪能量,以便在自然海洋环境中具有实际应用价值。
2、现有技术中,一种策略是通过机械设计,将低频的波浪运动转化为teng能够高效利用的高频运动,从而实现低频波浪能量的捕获。然而,这种发电方案在结构和电源管理电路方面可能会相对复杂。另一种策略是将emgs与teng结合起来进行波浪能的收集。这样的组合可以弥补teng在低频条件下能量输出不足的问题。然而,由于emgs和teng的工作原理不同,因此需要合适的电源管理电路来耦合它们的输出,这就要求两者之间的精确协调,从而使得装置的结构更加复杂化。因此,当前迫切需要开发一种新型的teng,能够全方位捕捉低频波浪能量,简化电源管理电路设计,并延长装置的使用寿命,以适应多变的海洋环境,现有技术存在不足。
技术实现思路
1、本申请的目的在于提供一种收集低频波浪能的摩擦纳米发电机及其发电方法,旨在通过对摩擦纳米发电机的结构改进,解决现有收集低频波浪能时发电机结构和电源管理电路方案设计复杂的技术问题。
2、一方面,本申请提供了一种收集低频波浪能的摩擦纳米发电机,由外向内依次包括外框(6)、内部支撑框架(7)、中部电极(8)和摩擦层(9);
3、所述外框(6)由两片弯曲为曲面的弹性材料,基于二者的导平面彼此贴合,构成具有橄榄状通孔的双层拱形结构;所述橄榄状通孔的两端为平面;
4、所述内部支撑框架(7)支撑在所述弹性材料的凹面内,包括平行且面积小于所述导平面的支撑板,以及连接在所述支撑板与所述凹面之间的支撑梁;所述支撑板在宽度方向上的侧边与未伸展的所述凹面接触;
5、所述中部电极(8)包括一绝缘板和两块第一电极(cu-1);所述绝缘板位于所述导平面上,其长度方向的侧边与所述外框(6)固定连接;两块所述第一电极(cu-1)分别贴合在所述绝缘板的两个面上;
6、所述摩擦层(9)设置在所述支撑板指向所述中部电极(8)的一面上,且与最接近的一块所述第一电极(cu-1)在空间上对应;所述摩擦层(9)包括相互绝缘设置的第三电极(cu-3)和复合层;所述复合层由所述支撑板向所述中部电极(8)方向依次层叠设置有粘附层、第二电极(cu-2)和矩形摩擦材料;所述粘附层在未受到所述外框(6)的压力时自然伸展,使所述复合层的相对于所述第三电极(cu-3)更接近对应的所述第一电极(cu-1);所述第三电极(cu-3)与所述第二电极(cu-2)之间设有导线接入负载。
7、进一步的,所述内部支撑框架(7)的材质为亚克力。
8、进一步的,所述第一电极(cu-1)、所述第二电极(cu-2)和所述第三电极(cu-3)的材质为铜。
9、进一步的,所述外框(6)的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
10、进一步的,所述外框(6)在预留负载的连接线后将所述橄榄状通孔进行密封。
11、进一步的,所述支撑板的长度与所述橄榄状通孔的高度保持一致。
12、进一步的,所述支撑梁与所述支撑板垂直设置;所述支撑梁与所述凹面固定连接;所述支撑梁数量不少于两条。
13、另一方面,本申请还提供了一种收集低频波浪能的发电方法,采用如上述任一项所述的收集低频波浪能的摩擦纳米发电机;所述发电方法包括:
14、s1.外框(6)未被挤压发生形变时,中部电极(8)上的第一电极(cu-1)与摩擦层(9)上的矩形摩擦材料分离,所述矩形摩擦材料表面留有负电荷,而所述第一电极(cu-1)和第二电极(cu-2)带有正电荷;
15、s2.外力施加于所述外框(6)时,所述外框(6)的弹性材质发生形变,向内挤压内部支撑框架(7),使所述内部支撑框架(7)上的矩形摩擦材料接触中部电极(8)相应侧的第一电极(cu-1);同时,粘附层也被压缩使得第三电极(cu-3)同样与所述第一电极(cu-1)接触;摩擦层(9)中,矩形摩擦材料与所述第二电极(cu-2)接触摩擦后使得第二电极(cu-2)正电荷数量大于所述第一电极(cu-1),由于所述第一电极(cu-1)表面电位相较于第二电极(cu-2)低,电位差将诱使第二电极(cu-2)中的正电荷通过外部负载和第三电极(cu-3)转移到第一电极(cu-1);使得所述外部负载产生电流;
16、s3.当外力被移除时,所述粘附层和所述外框(6)的弹性会优先导致所述第一电极(cu-1)与第三电极(cu-3)分离,而所述第二电极(cu-2)仍然与所述矩形摩擦材料接触;此动作将切断原电路,防止正电荷从所述第一电极(cu-1)返回到所述第二电极(cu-2);
17、s4.当所述外框(6)的回弹进一步导致所述第一电极(cu-1)再次与所述矩形摩擦材料分离并建立电位差时,正电荷会保留在所述第一电极(cu-1)中;这种快速增加电压将导致所述第一电极(cu-1)和所述第二电极(cu-2)之间的边缘空气产生静电击穿构成电离空气通道(10);允许正电荷转移回所述第二电极(cu-2),从而最终将摩擦纳米发电机恢复到第一阶段的状态。
18、另一方面,本申请还提供了一种自发电浮标,包括防水且重心自适应的外壳(2)、发光led集配套电路;所述外壳(2)的密封空间中设置有多个如上述任一项所述的收集低频波浪能的摩擦纳米发电机(1);所述摩擦纳米发电机(1)的平面端部垂直水平面设置,拱形的收窄侧边则首尾相连构成发电单元阵列(4),外框(6)的凸面指向所述发电单元阵列(4)的多边形的中心;多边形的中心区域设置一球体(3),所述球体(3)的质量设置为保证球体的滚动能挤压撞击方向上的摩擦纳米发电机(1),使所述外框(6)发生形变发电;所述发光led作为摩擦纳米发电机(1)的负载。
19、进一步的,所述摩擦纳米发电机的数量设置为6个。
20、本申请通过优化摩擦纳米发电机(teng)中的电极分布,固定电流的流动方向,从而简化电源管理电路的设计。同时,本申请teng以减小摩擦损耗为目标,摩擦结构采用固-固接触分离模式,不采用固-固滑动模式。应用其的浮标,在封装外壳模块内部空间布放滚动小球触发teng组成的阵列进行发电,实现海浪能量的全方位收集。
技术特征:1.一种收集低频波浪能的摩擦纳米发电机,其特征在于,由外向内依次包括外框(6)、内部支撑框架(7)、中部电极(8)和摩擦层(9);
2.如权利要求1所述的收集低频波浪能的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述内部支撑框架(7)的材质为亚克力。
3.如权利要求2所述的收集低频波浪能的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述第一电极(cu-1)、所述第二电极(cu-2)和所述第三电极(cu-3)的材质为铜。
4.如权利要求3所述的收集低频波浪能的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述外框(6)的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
5.如权利要求4所述的收集低频波浪能的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述外框(6)在预留负载的连接线后将所述橄榄状通孔进行密封。
6.如权利要求1所述的收集低频波浪能的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述支撑板的长度与所述橄榄状通孔的高度保持一致。
7.如权利要求6所述的收集低频波浪能的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述支撑梁与所述支撑板垂直设置;所述支撑梁与所述凹面固定连接;所述支撑梁数量不少于两条。
8.一种收集低频波浪能的发电方法,其特征在于,采用如权利要求1至7任一项所述的收集低频波浪能的摩擦纳米发电机;所述发电方法包括:
9.一种自发电浮标,包括防水且重心自适应的外壳(2)、发光led集配套电路;其特征在于,所述外壳(2)的密封空间中设置有多个如权利要求1至7任一项所述的收集低频波浪能的摩擦纳米发电机(1);所述摩擦纳米发电机(1)的平面端部垂直水平面设置,拱形的收窄侧边则首尾相连构成发电单元阵列(4),外框(6)的凸面指向所述发电单元阵列(4)的多边形的中心;多边形的中心区域设置一球体,所述球体的质量设置为保证球体的滚动能挤压撞击方向上的摩擦纳米发电机(1),使所述外框(6)发生形变发电;所述发光led作为摩擦纳米发电机(1)的负载。
10.如权利要求9所述的自发电浮标,其特征在于,所述摩擦纳米发电机的数量设置为6个。
技术总结本申请适用海洋能发电技术领域,提供了一种收集低频波浪能的摩擦纳米发电机及其发电方法。本申请通过优化摩擦纳米发电机(TENG)中的电极分布,固定电流的流动方向,从而简化电源管理电路的设计。同时,本申请TENG以减小摩擦损耗为目标,摩擦结构采用固‑固接触分离模式,不采用固‑固滑动模式。且应用其的浮标,其封装外壳模块内部布放滚动小球触发TENG组成的阵列进行工作,实现海浪能量的全方位收集。技术研发人员:杨阳,冯浩男,张博雯,尚琛晶,王微,刘畅焮受保护的技术使用者:中国科学院深海科学与工程研究所技术研发日:技术公布日:2025/1/13本文地址:https://www.jishuxx.com/zhuanli/20250117/355599.html
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