一种基于摩擦纳米发电技术的波浪能发电装置 |
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| 申请号 | CN201710827842.8 | 申请日 | 2017-09-14 | 公开(公告)号 | CN107503878A | 公开(公告)日 | 2017-12-22 |
| 申请人 | 浙江大学; | 发明人 | 张大海; 施佳炜; 司玉林; 李伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于摩擦纳米发电技术的 波浪能 发电装置。至少包括一个波浪能采集装置，由摩擦纳米发电板的 主板 和摩擦纳米发电板的副板构成的一副摩擦纳米发电板构成的发电单元；波浪能采集装置，包括 基座 、外层亚克 力 板 框架 、内层亚克力板框架和四个 泡沫 浮子，四个泡沫浮子胶粘于外层框架的四周采集波浪的 能量 。内框架外侧面四周和外框架内侧面四周分别装有摩擦纳米发电板的主板和副板。本发明的主板和副板在波浪力作用下往复摩擦运动，形成发电装置，造价低、结构简单、易复制拓展、发电效率较高且易于维护；摩擦纳米发电板的主板上的两极设计为叉指形，将副板上的 电极 布成光栅状，在一个运动周期可完成数次电荷转移，提高了电荷转移效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于摩擦纳米发电技术的波浪能发电装置，其特征在于：至少包括一个波浪能采集装置，由摩擦纳米发电板的主板和摩擦纳米发电板的副板构成的一副摩擦纳米发电板构成的发电单元； |
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| 说明书全文 | 一种基于摩擦纳米发电技术的波浪能发电装置技术领域[0001] 本发明涉及波浪能发电装置，具体涉及一种基于摩擦纳米发电技术的波浪能发电装置。 背景技术[0002] 摩擦纳米发电技术是美国佐治亚理工学院的王中林研究组在2012年研制出的一种新型发电技术。摩擦纳米发电技术利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合可将机械能转化为电能输出。相比于传统电磁发电技术，具有体积小、成本低、工作频率范围广、单位体积可输出能量大、选材多样化等优点。在传统能源如煤炭、石油日益枯竭之际，摩擦纳米发电技术可收集自然界广泛存在的低频机械能进行发电利用，具有广阔的应用前景。然而，现有的摩擦纳米发电结构电荷转移效率较低，在一个运动周期只能完成一次电荷转移。 [0003] 波浪能是一种储量巨大、环境友好的可再生绿色能源，目前常见的波浪能发电装置有点头鸭式、摆式、波面筏式、振荡水柱式等，都存在机构庞大、设备昂贵且维护费用高，不易推广等缺点。究其原因，是因为目前波浪能发电装置核心发电部件是传统电磁发电技术，需要使用涡轮机、液压系统等辅助设备将低频波浪运动转化为高频运动带动电磁发电机发电。目前仍未见到将摩擦纳米发电技术应用于波浪能能源利用的装置。 发明内容[0004] 本发明的目的是提供一种基于摩擦纳米发电技术的波浪能发电装置，将摩擦纳米发电技术与波浪能采集技术相结合，直接将低频波浪运动转化为电能输出。 [0005] 本发明采用的技术方案是：本发明至少包括一个波浪能采集装置，由摩擦纳米发电板的主板和摩擦纳米发电板的副板构成的一副摩擦纳米发电板发电单元； 波浪能采集装置，包括基座、外层亚克力板框架、内层亚克力板框架和四个泡沫浮子； 正方形的内层亚克力板框架外侧面四周装有摩擦纳米发电板主板，内层亚克力板框架底面固定在基座中部，正方形的外层亚克力板框架内侧面四周装有摩擦纳米发电板副板，外层亚克力板框架嵌套在在内层亚克力板框架外，摩擦纳米发电板主板与摩擦纳米发电板副板相对，四个泡沫浮子分别安装在外层亚克力板框架下部外侧面，利用四个泡沫浮子采集波浪的能量，在波浪力作用下摩擦纳米发电板副板作上下往复摩擦运动，产生摩擦起电和感应起电的耦合效应，形成电势差，持续输出电信号。 [0006] 所述基座由八条开有螺栓孔的角钢拼接而成，角钢与角钢之间用螺栓螺母连接，其中四条角钢拼成“井”字形，且宽度与内层亚克力板框架的宽度相同，另外四条角钢竖直立起，起支撑作用，拼成“井”字形的四条角钢位于竖直立起另外四条角钢下部，内层亚克力板框架(3)底面固定在四条角钢拼成“井”字形上。 [0007] 所述外层亚克力板框架，包括四块相同的长方形的外侧板，四块相同的外顶板和正方形的外顶盖板；四块相同的长方形的外侧板围成正方柱体，正方柱体上部装有外顶盖板，每块外侧板上部中间位置均切成长方形区域，长方形区域分别装有外顶板。 [0008] 所述内层亚克力板框架，包括四块相同的长方形的内侧板、四块相同的内顶板和正方形的内顶盖板；四块相同的长方形的内侧板围成正方柱体，正方柱体上部装有内顶盖板，每块内侧板上部中间位置均切成长方形区域，长方形区域分别装有内顶板。 [0009] 所述四个泡沫浮子，密度均大于15千克/立方米的立方体结构。 [0012] 所述摩擦纳米发电板副板上的光栅状铜电极每一栅条的宽度与摩擦纳米发电板主板上的叉指形铜电极每一栅条的宽度相同，摩擦纳米发电板副板上的光栅状铜电极每一栅条的间距是摩擦纳米发电板主板上叉指形铜电极栅条宽度与两倍的栅条间间距之和。 [0014] 所述叉指形铜电极分为A极叉指形铜电极和B极叉指形铜电极，每极至少有一条栅条，栅条间距至少为0.1mm。 [0015] 与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：1)本发明将摩擦纳米发电技术与波浪能采集利用技术相结合，研发了一套基于摩擦纳米发电技术的波浪能发电装置。造价低、结构简单、易复制拓展、发电效率较高且易于维护。 [0017]图1是本发明的整体结构示意图。 [0018] 图2是外层亚克力板框架结构示意图。 [0019] 图3是外层亚克力板框架的零件图。 [0020] 图4是内层亚克力板框架结构示意图。 [0021] 图5是内层亚克力板框架的零件图。 [0022] 图6是黏贴了摩擦纳米发电板后内外层亚克力板框架相嵌套的剖面示意图。 [0023] 图7是黏贴了摩擦纳米发电板后内外层亚克力板框架相嵌套的局部放大图。 [0024] 图8是摩擦纳米发电板主板结构示意图。 [0025] 图9是摩擦纳米发电板主板结构局部放大图。 [0026] 图10是摩擦纳米发电板副板结构示意图。 [0028] 图中：1、基座，2、外层亚克板框架，2.1、外侧板，2.2、外顶盖板，2.3、外顶板，3、内层亚克力板框架，3.1、内侧板，3.2、内顶盖板，3.3、内顶板，4、高密度泡沫浮子，5.1、摩擦纳米发电板主板，5.11、主板基底，5.12、叉指形铜电极，5.121、A极叉指形铜电极，5.122、B极叉指形铜电极，5.13、Kapton薄膜，5.2、摩擦纳米发电板副板，5.21、副板基底，5.22、光栅状铜电极。 具体实施方式[0029]下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。 [0030] 如图1-图7所示，本发明至少包括一个波浪能采集装置，由摩擦纳米发电板的主板和摩擦纳米发电板的副板构成的一副摩擦纳米发电板构成的发电单元；波浪能采集装置，包括基座1、外层亚克力板框架2、内层亚克力板框架3和四个泡沫浮子4；正方形的内层亚克力板框架3外侧面四周装有摩擦纳米发电板主板5.1，内层亚克力板框架3底面固定在基座1中部，正方形的外层亚克力板框架2内侧面四周装有摩擦纳米发电板副板5.2，外层亚克力板框架2嵌套在在内层亚克力板框架3外，摩擦纳米发电板主板5.1与摩擦纳米发电板副板5.2相对，四个泡沫浮子4分别安装在外层亚克力板框架2下部外侧面，利用四个泡沫浮子4采集波浪的能量，在波浪力作用下摩擦纳米发电板副板5.2作上下往复摩擦运动，产生摩擦起电和感应起电的耦合效应，形成电势差，持续输出电信号。 [0031] 如图1所示，所述基座1由八条开有螺栓孔的角钢拼接而成，角钢与角钢用螺栓螺母进行连接固定，其中四条角钢拼成“井”字形，且宽度与内层亚克力板框架的宽度相同，另外四条角钢竖直立起，起支撑作用，拼成“井”字形的四条角钢位于竖直立起另外四条角钢下部，内层亚克力板框架3底面固定在四条角钢拼成“井”字形上。 [0032] 如图2、图3所示，所述外层亚克力板框架2，包括四块相同的长方形的外侧板2.1，四块相同的外顶板2.3和正方形的外顶盖板2.2；四块相同的长方形的外侧板2.1围成正方柱体，正方柱体上部装有外顶盖板2.2，每块外侧板2.1上部中间位置均切成长方形区域，长方形区域分别装有外顶板2.3。 [0033] 具体装配时，在长方形区域四个顶角附近开有直径为5mm的通孔，每块外侧板2.1两侧边各开有3个直径为5mm的通孔。每块外顶板2.3由一大一小两块亚克力板粘成阶梯形状，小亚克力板粘在大亚克力板中间，大亚克力板四个顶角附近开有直径为5mm的通孔。外顶盖板2.2四个顶角附近开有直径为5mm的通孔。四块外侧板2.1两两间用螺钉和六孔螺母相连接，围成正方形柱体，再与外顶盖板2.2用螺钉和六孔螺母相连接。四块外顶板2.3分别与四块外侧板2.1通过开设的通孔用螺钉和螺母连接。且外顶板2.3的凸起侧朝内。 [0034] 如图4、图5所示，所述内层亚克力板框架3，包括四块相同的长方形的内侧板3.1、四块相同的内顶板3.3和正方形的内顶盖板3.2；四块相同的长方形的内侧板3.1围成正方柱体，正方柱体上部装有内顶盖板3.2，每块内侧板3.1上部中间位置均切成长方形区域，长方形区域分别装有内顶板3.3。 [0035] 具体装配时，在长方形四个顶角附近开有直径为5mm的通孔；每块内侧板3.1两侧边各开有3个直径为5mm的通孔。每块内顶板3.3由一大一小两块亚克力板粘成阶梯形状，小亚克力板粘在大亚克力板中间，大亚克力板四个顶角附近开有直径为5mm的通孔。内顶盖板3.2四个顶角附近开有直径为5mm的通孔。四块内侧板3.1两两间用螺钉和六孔螺母相连接，围成正方柱体，再与内顶盖板3.2用螺钉和六孔螺母相连接。四块内顶板3.3分别与四块内侧板3.1通过开设的通孔用螺钉和螺母连接。且内顶板3.3的凸起侧朝外。 [0036] 如图1所示，所述四个泡沫浮子4，密度均大于15千克/立方米的立方体结构。 [0037] 如图10所示所述摩擦纳米发电板的副板5.2，为两层结构，副板基底5.21为PCB板，上面是用电子印刷术印制的光栅状铜电极5.22。所选摩擦纳米发电板副板基底5.21的PCB板材质为环氧树脂（FR-4），同时也可选择以下任意一种PCB板材质作为基底：酚醛树脂（XPc、XxxPC、FR-1、FR-2等）、环氧树脂（FE-3）、聚酯树脂、环氧树脂（FR-5）等。PCB板厚度为0.4mm-4.0mm。摩擦纳米发电板副板基底上是用电子印刷术印制的光栅状铜电极5.22，所选的光栅状铜电极5.22电极材料铜可用铝、锌、银、金等导电金属替代。电极厚度为18μm-144μm。 [0038] 如图8、图9所示，所述摩擦纳米发电板的主板5.1，为三层夹心结构，主板基底5.11为PCB板，中间层为用电子印刷术印制的叉指形铜电极5.12，上面是用胶水粘合的Kapton薄膜5.13。所选摩擦纳米发电板主板基底5.11的PCB板材质为环氧树脂（FR-4），同时也可选择以下任意一种PCB板材质作为基底：酚醛树脂（XPc、XxxPC、FR-1、FR-2等）、环氧树脂（FE-3）、聚酯树脂、环氧树脂（FR-5）等。PCB板厚度为0.4mm-4.0mm。叉指形铜电极5.12，所选的电极材料铜可用铝、锌、银、金等导电金属替代。电极厚度为18μm-144μm。 [0039] 如图10所示，所述摩擦纳米发电板副板5.2上的光栅状铜电极5.22每一栅条的宽度与摩擦纳米发电板主板5.1上的叉指形铜电极5.12每一栅条的宽度相同，摩擦纳米发电板副板5.2上的光栅状铜电极5.22每一栅条的间距是摩擦纳米发电板主板5.1上叉指形铜电极5.12栅条宽度与两倍的栅条间间距之和。 [0040] 如图8、图9所示，所述叉指形铜电极5.12分为A极叉指形铜电极5.121和B极叉指形铜电极5.121，每极至少有一条栅条，栅条间距至少为0.1mm。 [0041] 如图11所示，可通过整流桥与外电路的连接将四个摩擦纳米发电板发电单元并联发电。具体实施时，先将摩擦纳米发电板主板5.1黏贴在内层亚克力板框架3的内顶板3.3上，再将内层亚克力板框架3用塑料扎带或铁丝固定在基座1上，再将摩擦纳米发电板副板5.2黏贴在外层亚克力板框架2的外顶板2.3上。四个泡沫浮子4用泡沫胶粘于外层亚克力板框架2的四周，再将外层亚克力板2框架嵌套在内层亚克力板3上，使摩擦纳米发电板主板 5.1与摩擦纳米发电板副板5.2相对。调节内顶板3.3与内侧板3.1、外顶板2.3与外侧板2.1间的螺钉螺母的松紧度，利用泡沫浮子4采集波浪的能量，使外层亚克力板框架随波浪作上下起伏运动。主板5.1与副板5.2的摩擦运动可产生摩擦起电和感应起电的耦合效应，使叉指形电极5.12的两个极性端A极叉指形铜电极5.121和B极叉指形铜电极5.122间形成电势差，持续输出电信号。 [0042] 将基座布放在合适水深中，使得初始时刻摩擦纳米发电板主板5.1与摩擦纳米发电板副板5.2刚好紧密重合，在波浪力作用下摩擦纳米发电板副板5.2作上下往复摩擦运动。 |
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