一种风车式风能收集摩擦纳米发电装置

1.本申请属于摩擦纳米发电技术领域，具体涉及一种风车式风能收集摩擦纳米发电装置。


背景技术：

2.风能作为一种清洁的可再生能源，储量大、分布广是最有前途的能源之一。常规的风力发电机一直被开发用于在地面附近收集风能，已经装备到了世界各地的风力发电厂。这种近地面风发电的效率取决于当地的地理位置和天气。风速不稳定，产生的能量大小也不稳定。
3.本方案使用基于摩擦带电和静电感应的耦合作用的摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机可以可以实现对低质量能源的回收，将许多人类环境中微小低频的活动转变为有效的能。
4.结合摩擦纳米发电技术的优点，本专利设计出一种风车式风能收集摩擦纳米发电装置。可以将工作环境中的低频风能收集起来转化成电能或信号输出，具有续航持久，设备轻巧便携易安装的优点。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的技术问题，本实用新型提供了一种风车式风能收集摩擦纳米发电装置。
6.为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：
7.一种风车式风能收集摩擦纳米发电装置，包括底座，所述底座上设有支撑杆，所述支撑杆上设有横梁，所述横梁与大球连接，所述大球四周通过连接杆均布多个小球，所述大球和小球内壁均设有两个不相连的半圆导电极，所述大球和小球内腔内均设有与导电极摩擦能产生静电的摩擦球体；两个所述半圆导电极通过导线与电能储存装置。
8.优选的，所述大球和小球内壁的两个半圆导电极为金属电极。
9.优选的，所述摩擦球体为硅橡胶球体，内部设有液体。
10.优选的，所述电能储存装置安装在底座上，导电极上的导线通过支撑杆内部的线槽与电能储存装置连接，所述电能储存装置上设有信号输出装置。
11.有益效果
12.不需要人为定期更换一次性电池等消耗品，不污染环境。对环境中的风力要求低，利用较小的风力就可以实现能源的转换。将风能转化为电能和信号输出。有效解决了此类装置自动供能的问题。本实用新型的体积小，结构简单，成本低，适用环境广。本装置利用软接触球型(硅橡胶球体)内芯替代传统硬性材料，增加了接触面积，提升了装置效率。
附图说明
13.图1为本实用新型风车式风能收集摩擦纳米发电装置的主视图。
14.图2为本实用新型风车式风能收集摩擦纳米发电装置的侧视图。
15.图3为本实用新型风车式风能收集摩擦纳米发电装置的大球剖视图。
16.图4为本实用新型风车式风能收集摩擦纳米发电装置的硅橡胶球体结构示意图。
17.图5为本实用新型风车式风能收集摩擦纳米发电装置的工作状态示意图。
18.其中，图中标记为：1、大球；2、连接杆；3、支撑杆；4、底座；5、半圆导电极；6；摩擦球体；7、液体；8、信号输出装置；9、电能储存装置，10、横梁，11、小球。
具体实施方式
19.下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。
20.一种风车式风能收集摩擦纳米发电装置，包括底座4，所述底座4上设有支撑杆3，所述支撑杆3上设有横梁10，所述横梁10与大球1连接，所述大球1四周通过连接杆2均布四个小球11，所述大球1和小球11内壁均设有两个不相连的半圆导电极5(铜电极、金电极等金属电极)，所述大球1和小球11内腔内均设有与半圆导电极5摩擦能产生静电的摩擦球体6；两个所述半圆导电极5通过导线与电能储存装置9，半圆导电极5上的导线通过支撑杆内部的线槽与电能储存装置9连接，所述电能储存装置9上设有显示电流、电压的信号输出装置8，所述电能储存装置安装在底座4上。
21.所述摩擦球体6为硅橡胶球体，内部设有液体7，摩擦球体6为弹性材料，在液体7作用下发生形变，增大与半圆导电极5的接触面积。
22.所述电能存储装置9与信号输出装置相连接，可为信号输出装置8供电。这种装置可以安装在农田、工厂等对风速有较高要求等场所，通过获取装置产生的电信号，从而确定当前实时的风速，从而对生产操作进行及时调整。
23.本实施例中，摩擦纳米发电机采用独立层模式。独立层模式的摩擦纳米发电机拥有单电极模式无电极束缚和双电极的高输出的优势，所以该模式的摩擦纳米发电机具有输出高，灵活多变，寿命长的优点，所以这种结构常用来收集复杂的海洋能量或者测量高精度的传感。
24.工作过程是：将装置置于所需工作环境中，受到风力作用后，由于整体结构简单轻质，五个球形壳受力而发生转动。当外壳转动之后，内部的硅橡胶球也会被带动进行滚动。硅橡胶球体会与大球、小球内部的两个金属电极不断来回接触滚动。由于不同材料得失电子能力的不同，当硅橡胶球体在大球、小球中滚动时，金属电极和硅橡胶球的表面将被摩擦起电，具有相同数量和相反符号的静态电荷。伴随着球的来回运动，其金属电极表面上的负电荷会感应正电荷通过外部电路在外壳上的两个电极之间流动，从而在电路中产生交流电流。摩擦纳米发电机的输出功率密度和其摩擦表面电荷密度的平方成正比，因此电荷密度是评估摩擦纳米发电机性能的一个重要数值，所以提高两个摩擦电表面的有效接触面积可以有效提高摩擦发电机的工作效率。采用较软的液体填充的硅橡胶球体代替传统的硬摩擦材料(例如聚四氟乙烯)，能够大大增加接触面积从而可以产生更多的摩擦电荷。此外，硅橡胶材料还具有相对于聚四氟乙烯更强的获得电子的能力，能够放大在单位接触面积中的电荷密度，得到数倍于传统硬接触材料发电效率的增强。
25.详细的电流输出过程如下：如图5所示，在循环开始时，硅橡胶球体在其中一个金属电极上方，此时在金属电极上产生了正电荷，在硅橡胶球体上产生了负电荷。当硅橡胶球
体受到风力的作用而在球壳内部不断晃动时，两个金属电极之间就会产生电位差，此时，用导线连接两个金属电极，电流开始通过闭合电路从一个电极流向另一个电极从而减少电位差。当硅橡胶球体完全滑动到另一个金属电极时，电流停止流动。硅橡胶球体之后朝相反方向移动，电流也会朝着反方向流动。此时完成了一个产生交流电的循环。当整个系统周期性的运动时，两个金属电极之间产生往复的电流，通过监测电流的大小、频率等数值来及时输出风力的数据，实现精准而快速的信号传输。
26.以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。


技术特征：
1.一种风车式风能收集摩擦纳米发电装置，其特征在于，包括底座，所述底座上设有支撑杆，所述支撑杆上设有横梁，所述横梁与大球连接，所述大球四周通过连接杆均布多个小球，所述大球和小球内壁均设有两个不相连的半圆导电极，所述大球和小球内腔内均设有与导电极摩擦能产生静电的摩擦球体；两个所述半圆导电极通过导线与电能储存装置。2.根据权利要求1所述的一种风车式风能收集摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述大球和小球内壁的两个半圆导电极为金属电极。3.根据权利要求1所述的一种风车式风能收集摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述摩擦球体为硅橡胶球体，内部设有液体。4.根据权利要求1所述的一种风车式风能收集摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述电能储存装置安装在底座上，导电极上的导线通过支撑杆内部的线槽与电能储存装置连接，所述电能储存装置上设有信号输出装置。

技术总结
本申请公开了一种风车式风能收集摩擦纳米发电装置，包括底座，所述底座上设有支撑杆，所述支撑杆上设有横梁，所述横梁与大球连接，所述大球四周通过连接杆均布小球，所述大球和小球内壁均设有两个不相连的半圆导电极，所述大球和小球内腔内均设有与导电极摩擦能产生静电的摩擦球体；两个所述半圆导电极通过导线与电能储存装置。其优点在于，体积小，结构简单，成本低，适用环境广。适用环境广。适用环境广。


技术研发人员：马超群 王优强 倪陈兵 刘威龙
受保护的技术使用者：青岛理工大学
技术研发日：2023.01.13
技术公布日：2023/6/16