一种收集低频水波能的复合纳米发电机

1.本发明涉及纳米发电机的技术领域，尤其涉及一种收集低频水波能的复合纳米发电机。


背景技术：

2.随着现代社会的快速发展，对能源提出了越来越高的要求。近几十年来煤炭、石油、天然气等化石燃料的大量消耗，以及这些化石燃料燃烧所排放的二氧化碳等对自然有害的温室气体，使得人们对能源和环境的关注日益增强。可再生能源如太阳能、风能、水能，因其来源广泛，对自然危害小被用作常规燃料的替代品。其中，海洋能因其储量丰富，可再生、清洁并且分布广泛，是一种理想能源。但由于水波频率低、分布面积大、波峰随机、成本高，利用传统的电磁感应发电机进行大规模的海洋能量收集面临许多挑战。将摩擦纳米发电机与电磁发电机相结合，可以实现两者的优势互补，提高能量转换效率。也为水波能量的采集提供了较好的解决方案。已有的复合发电机中磁铁只是用来产生感应电动势，其优点没有得到充分的发挥。因此，迫切需要一种能够将电磁发电机和摩擦发电机充分耦合，并充分利用磁体特性的结构设计。于是本发明设计了一种收集低频水波能的复合纳米发电机。
3.申请号为202111296190.2的发明专利申请公开了一种摩擦-电磁复合型发电装置，包括转子部、定子部和中心轴，转子部和定子部套设在中心轴上，转子部轴向方向上的两侧均套设有一个定子部；转子部设置有转子板、磁铁阵列和叶片阵列，磁铁阵列固定在转子板上，转子板的两轴向端均固定连接一个叶片阵列，叶片阵列设置有第一介电薄膜；定子部设置有定子板、线圈阵列、电极阵列和摩擦层，线圈阵列固定在定子板上，电极阵列与定子板的内侧轴向面固定连接，由第二介电薄膜构成的摩擦层覆盖在电极阵列上；摩擦层与叶片阵列上的第一介电薄膜接触，第一介电薄膜和第二介电薄膜存在电极序差异。该装置提高了发电的能量转换效率。但是，该发明复杂，且电磁发电机与摩擦发电机未耦合，两者相互独立工作。


技术实现要素：

4.针对现有复合发电机结构复杂，摩擦发电与电磁发电两者独立工作，功能需求不一的技术问题，本发明提出一种收集低频水波能的复合纳米发电机，有效地将摩擦发电与电磁发电复合在一起，充分发挥各自优点，而且实现两者相互促进，提高了整体输出效率，且实现了倍频效果。
5.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种收集低频水波能的复合纳米发电机，包括壳体，所述壳体上活动设有驱动组件，壳体内设有摩擦发电组件和电磁发电组件，壳体内的驱动组件上固定设有2n个第一永磁体；所述壳体内活动设有2n个第二永磁体，第二永磁体和第一永磁体的磁性相匹配；所述摩擦发电组件和电磁发电组件均设置在第二永磁体的附近，摩擦发电组件和电磁发电组件均与第二永磁体和第一永磁体相耦合；其中，n为正整数。
6.优选地，所述驱动组件为水力驱动组件，驱动组件包括扇叶和转轴，扇叶设置在壳体的外侧，转轴与壳体活动连接，扇叶固定在转轴的一端，转轴的另一端伸入壳体内且转轴的另一端固定有第一永磁体。
7.优选地，所述摩擦发电组件包括2n个摩擦单元，摩擦单元与第二永磁体相连接；所述摩擦单元包括fep薄膜和两个电极，fep薄膜和一个电极固定在第二永磁体上、另一电极设置在第二永磁体的一侧；在第二永磁体的带动下，fep薄膜和电极之间相互接触或分离。
8.优选地，所述电磁发电组件包括2n个发电线圈，发电线圈固定设置在第二永磁体和第一永磁体之间。
9.优选地，所述第二永磁体和第一永磁体的数量均设有4个，壳体为空心的圆柱；4个第一永磁体磁性依次相反间隔90
°
等距固定在转轴的另一端，4个第二永磁体与第一永磁体相对同极性活动设置。
10.优选地，所述第二永磁体固定在活动板上，活动板的两侧均固定有fep薄膜；所述活动板滑动设置在支撑柱上，支撑柱两端均安装有固定板，固定板靠近活动板的一侧固定有电极；所述发电线圈固定在活动板和第一永磁体之间的固定板上；固定板固定在壳体的内壁上。
11.优选地，所述fep薄膜固定在固定电极上，固定电极固定在活动板的两侧，发电线圈、固定电极和电极均通过导线引出壳体。
12.优选地，所述第一永磁体固定在转杆上，四个转杆均匀固定在转轴的另一端的外圆周上。
13.优选地，所述第一永磁体随着转轴的转动而转动，第一永磁体与第二永磁体产生周期性的吸引与排斥，从而带动活动板在两个固定板之间移动，使得摩擦层的fep薄膜和电极周期性的接触与分离；转轴每旋转90
°
，fep薄膜和电极接触分离4次，转轴每旋转一周，接触分离16次，实现16倍频；第一永磁体转动在发电线圈中产生较小均匀的正弦波，第二永磁体随着活动板运动在发电线圈中产生较大的尖峰波，发电线圈在相对运动中切割磁感线产生感应电动势。
14.优选地，在某一个稳定状态，接触的四个电极与固定电极分为一组发电单元，另外分离的四个电极与固定电极分为一组发电单元，两组发电单元存在一定的相位差，在固定电极和接触分离电极上分别引出导线，将引出的两根导线相连接，进而形成发电回路。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果：基于接触起电和静电感应的耦合效应，是一种成本低、可移植性强、寿命长、无污染的微能源采集器，结合本发明的倍频特性，高效的收集低频的水波能。本发明将电磁发电与摩擦发电很好的耦合，永磁体的运动，不仅使摩擦发电产生交流输出，而且在电磁发电中产生较低的正弦信号，摩擦发电中活动板的运动，在电磁发电中产生较高的尖峰波，提高了整体的能量收集效率，极大地拓宽了适用范围。
附图说明
16.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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明的整体结构示意图。
18.图2为本发明发电组件的结构图。
19.图3为本发明发电的工作原理图。
20.图4为本发明的工作时模拟的曲线图，其中，（a）为摩擦发电组件在不同外界机械能激励下的开路电压，（b）为不同外界机械能激励下的短路电流，（c）为活动板未参与情况下的电磁发电组件emg短路电流，（d）为活动板未参与情况下的电磁发电组件emg开路电压，（e）为活动板参与情况下的电磁发电组件emg短路电流，（f）为活动板参与情况下的电磁发电组件emg开路电压，（g）为活动板未参与情况下的电磁发电组件emg开路电压的均方根，（h）为活动板参与情况下的电磁发电组件emg开路电压的均方根，（i）和（j）分别为活动板是否参与情况下的电流和功率的增加曲线。
21.图中，1为壳体，2为摩擦发电组件，21为fep薄膜，22为电极，23为活动板，24为支撑柱，25为固定板，26固定电极，3为电磁发电组件，31为发电线圈。4为驱动组件，41为转轴，42为扇叶，5为第一永磁体，6为第二永磁体，7为转杆。
具体实施方式
22.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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。
23.如图1所示，一种收集低频水波能的复合纳米发电机，包括壳体1，所述壳体1上活动设有驱动组件4，驱动组件4可以相对于壳体1转动。壳体1内设有摩擦发电组件2和电磁发电组件3，摩擦发电组件2通过摩擦层摩擦进行发电，电磁发电组件3通过发电线圈在磁场中切割磁感应线进行发电。壳体1内的驱动组件4上固定设有2n个第一永磁体5，在驱动组件4的带动下第一永磁体5在壳体1内转动，引起磁场的变化。壳体1内活动设有2n个第二永磁体6，第二永磁体6和第一永磁体5的磁性相匹配，第一永磁体5转动中引起第二永磁体6的移动，从而引起磁场和摩擦发电组件2的摩擦层的接触和分离，从而实现摩擦发电组件2的发电和电磁发电组件3的发电。所述摩擦发电组件2和电磁发电组件3均设置在第二永磁体6的附近，摩擦发电组件2和电磁发电组件3均与第二永磁体6和第一永磁体5相耦合；其中，n为正整数。即电磁发电组件3中的发电线圈分别与第二永磁体6和第一永磁体5是相适应的，可以在磁场中发电。摩擦发电组件2在第二永磁体6的带动下进行摩擦起电。第二永磁体6和第一永磁体5是摩擦发电组件2和电磁发电组件3共用的，在外力驱动下驱动组件4转动，带动第一永磁体转动，实现第二永磁体6和第一永磁体5的磁铁周期性的吸附与排斥，摩擦发电与电磁发电同时进行。本发明中永磁体不仅用以提供稳定的磁场，还可以提供摩擦发电的动力。
24.如图1所示，所述驱动组件4为水力驱动组件，驱动组件4包括扇叶42和转轴41，扇叶42设置在壳体1的外侧，扇叶42为l型板，l型板的水平段与壳体1平行，l型板的竖直段两端分别与水平段和转轴固定连接。转轴41与壳体1通过轴承活动连接，扇叶42固定在转轴41的一端，转轴41的另一端伸入壳体1内且转轴41的另一端固定有第一永磁体5。在外部水力作用到扇叶时，扇叶转动带动转轴产生旋转运动，从而实现第一永磁体5在壳体1内旋转，使
壳体中的磁场发生周期性的变化，与第二永磁体产生周期性的吸引与排斥，使活动板与固定板产生周期性的接触与分离，导致摩擦发电组件和电磁发电组件同时工作，对外电路输出电能。壳体1为空心的圆柱，圆柱的两端设有两个底板，壳体1起到密封和支撑的作用，为内部提供稳定的工作环境。摩擦发电组件2、转轴的一端、电磁发电组件3、第二永磁体6和第一永磁体5均设置在壳体1内。壳体1中间的圆柱用聚丙交酯材料3d打印；上下两个底板，用亚克力板通过激光雕刻机切割制成，便于加工、材料易得。
25.进一步地，所述摩擦发电组件2包括2n个摩擦单元，摩擦单元与第二永磁体6相连接；所述摩擦单元包括fep薄膜21和两个电极22，fep薄膜21和电极22固定在第二永磁体6上、另一电极22设置在第二永磁体6的固定板25的一侧；在第二永磁体6的带动下，fep薄膜21和电极22之间相互接触或分离。即也可以电极22设置在第二永磁体6上随着第二永磁体6的移动而移动，fep薄膜21固定在壳体内壁上，电极22与fep薄膜21进行接触或分离。所述电磁发电组件3包括2n个发电线圈31、第二永磁体6和第一永磁体5，发电线圈31固定设置在第二永磁体6和第一永磁体5之间。发电线圈31在第二永磁体6和第一永磁体5产生的变化的磁场中切割磁感应线产生电动势。
26.如图2和图3所示，所述第二永磁体6和第一永磁体5的数量均设有4个，4个第一永磁体5磁性依次相反间隔90
°
等距固定在转轴41的另一端，4个第二永磁体6与第一永磁体5相对同极性活动设置。第一永磁体5转动，引起其磁场变化，从而带动第二永磁体6移动，从而实现摩擦起电和电磁发电。如图3所示，4个第二永磁体6的n极均靠近转轴41，4个第一永磁体5中相邻的磁性是相反的、相对的磁性是相同的，即其中两个相对的第一永磁体5的n极均靠近转轴41、另外两个相对的第一永磁体5的s极均靠近转轴41，从而在第一永磁体5转动中实现对第二永磁体6周期性的吸引和排斥，从而实现发电线圈切割磁感应线发电和摩擦层摩擦起电。
27.进一步地，为了保证第二永磁体6稳定的移动以及摩擦单元摩擦起电，所述第二永磁体6固定在活动板23上，活动板23的两侧均固定有fep薄膜21；所述活动板23滑动设置在支撑柱24上，支撑柱24对活动板23进行限位。支撑柱24两端均安装有固定板25，固定板25靠近活动板23的一侧固定有电极22；电极为铜电极，与fep薄膜21相匹配。所述发电线圈31内嵌固定在活动板23和第一永磁体5之间的固定板25上，发电线圈31分别经穿出壳体1的导线引出；固定板25固定在壳体1的内壁上。因此，4个摩擦发电单元围绕转轴呈四边形排放，充分利用圆柱内部空间。每个摩擦发电单元的摩擦层均选择铜电极及fep薄膜，铜电极贴附在固定板与活动板相对的一侧、活动板两侧，fep薄膜贴附于活动板的铜电极表面。铜电极分别经一个穿出支撑板的导线引出。
28.fep薄膜21固定在活动板23的两侧，固定电极26固定在固定板25内侧，发电线圈31、固定电极26和电极22均通过导线引出壳体1。在某一个稳定状态，接触的四个电极与固定电极分为一组发电单元，另外分离的四个固定电极与电极分为一组发电单元，两组发电单元有一定的相位差，在固定电极和接触分离电极上分别引出导线，将引出的两根导线相连接，进而形成发电回路。
29.第一永磁体5固定在转杆7上，四个转杆7均匀固定在转轴41的另一端的外圆周上。转杆7实现了第一永磁体5的固定，同时保证了两个相对永磁体的稳定。
30.每个摩擦发电单元均包括2块固定板25的四角通过4个支撑柱固定，其中一块固定
板的中间放置一个发电线圈，固定板的一侧贴上一层泡沫胶，其上附一层铜电极，两个固定板中间放置一块活动板，该活动板的中心内嵌一块永磁铁，在活动板的两侧分别附着一层泡沫胶，在其上附着一层fep薄膜；4个摩擦发电单元相对摆放。壳体内部包括转轴，转轴另一端的4个永磁体相对安装，相邻两个磁铁磁性相反，转轴一端为驱动组件置于外部用于驱动摩擦发电单元工作。
31.使用时，第一永磁体5随着转轴41的转动而转动，第一永磁体5与第二永磁体6产生周期性的吸引与排斥，从而带动活动板23在两个固定板25之间移动，使得摩擦层的fep薄膜21和电极22周期性的接触与分离；转轴41每旋转90
°
，在磁铁排斥或相吸的作用下活动板实现与两侧的一固定板接触，转子继续旋转90
°
时，活动板向相反方向运动，与另一侧的固定板接触。fep薄膜21和电极22接触分离4次，转轴41每旋转一周，接触分离16次，实现16倍频，实现复合纳米发电机的倍频作用。
32.第一永磁体5转动在发电线圈31中产生较小均匀的正弦波，第二永磁体6随着活动板23运动在发电线圈31中产生较大的尖峰波，发电线圈在相对运动中切割磁感线产生感应电动势。
33.本发明的复合纳米发电机相互促进，摩擦发电组件2的两个摩擦发电机相位不同，因此摩擦发电机的连接方式如图3所示，简化端口，方便管理。当转子转动过程中，由于转子上贴附永磁体，不仅在发电线圈中产生较低的交变信号，还会使安装永磁体的活动板周期性的吸引与排斥，使得活动板与固定板周期性的接触与分离，产生交变信号；活动板移动过程中不仅使摩擦发电单元工作产生交变信号，还使得电磁发电单元工作产生较大的尖峰波，实现了摩擦发电与电磁发电的相互耦合。
34.如图4所示为活动板工作时电磁发电组件的开路电压、短路电流以及摩擦发电组件工作时对电磁发电机的促进作用。当活动板运动时，由于活动板与固定板的接触与分离，摩擦发电组件teng开始工作，不同外界刺激下摩擦发电组件产生相应开路电压与短路电流如图4的（a）和（b）所示，图中的频率表示不同外界机械能激励，通过图4的（a）和（b）可以看出电压相对稳定，电流先增大后减小，在1.4 hz频率下达到最大。活动板内嵌的第二永磁体，使得发电线圈中产生较高的尖峰电压与尖峰电流，活动板未参与情况下的emg短路电流和开路电压分别如图4的（e）和（f）所示，说明活动板参与情况下产生尖峰电流与电压。当活动板未工作时，转轴转动，此时仅电磁发组件工作，输出电压与电流如图4的（c）和（d）所示，说明活动板未参与情况下无法产生尖峰电流与电压。为了确定活动板产生的增益大小，将电磁发组件产生的电压与电流通过快速傅里叶变换（fft），结果即活动板未参与和参与情况下的emg开路电压的均方根分别如图4的（g）和（h）所示，此结果表明，通过电压均方根可以看出摩擦发电单元降低了转轴的工作频率，但增大了电磁发电的输出。活动板是否参与情况下的电流以及功率的增加如图4的（i）和（j）所示，即摩擦发电工作时对电磁发电增加的效果图，通过对比可以看出活动板运动确实能增加性能输出。
35.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种收集低频水波能的复合纳米发电机，包括壳体（1），其特征在于，所述壳体（1）上活动设有驱动组件（4），壳体（1）内设有摩擦发电组件（2）和电磁发电组件（3），壳体（1）内的驱动组件（4）上固定设有2n个第一永磁体（5）；所述壳体（1）内活动设有2n个第二永磁体（6），第二永磁体（6）和第一永磁体（5）的磁性相匹配；所述摩擦发电组件（2）和电磁发电组件（3）均设置在第二永磁体（6）的附近，摩擦发电组件（2）和电磁发电组件（3）均与第二永磁体（6）和第一永磁体（5）相耦合；其中，n为正整数。2.根据权利要求1所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述驱动组件（4）为水力驱动组件，驱动组件（4）包括扇叶（42）和转轴（41），扇叶（42）设置在壳体（1）的外侧，转轴（41）与壳体（1）活动连接，扇叶（42）固定在转轴（41）的一端，转轴（41）的另一端伸入壳体（1）内且转轴（41）的另一端固定有第一永磁体（5）。3.根据权利要求1或2所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述摩擦发电组件（2）包括2n个摩擦单元，摩擦单元与第二永磁体（6）相连接；所述摩擦单元包括fep（氟化乙烯丙烯）薄膜（21）和两个电极（22），fep薄膜（21）和一个电极（22）固定在第二永磁体（6）上、另一电极（22）设置在第二永磁体（6）的一侧；在第二永磁体（6）的带动下，fep薄膜（21）和电极（22）之间相互接触或分离。4.根据权利要求3所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述电磁发电组件（3）包括2n个发电线圈（31），发电线圈（31）固定设置在第二永磁体（6）和第一永磁体（5）之间。5.根据权利要求4所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述第二永磁体（6）和第一永磁体（5）的数量均设有4个，壳体（1）为空心的圆柱；4个第一永磁体（5）磁性依次相反间隔90
°
等距固定在转轴（41）的另一端，4个第二永磁体（6）与第一永磁体（5）相对同极性活动设置。6.根据权利要求5所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述第二永磁体（6）固定在活动板（23）上，活动板（23）的两侧均固定有fep薄膜（21）；所述活动板（23）滑动设置在支撑柱（24）上，支撑柱（24）两端均安装有固定板（25），固定板（25）靠近活动板（23）的一侧固定有电极（22）；所述发电线圈（31）固定在活动板（23）和第一永磁体（5）之间的固定板（25）上；固定板（25）固定在壳体（1）的内壁上。7.根据权利要求6所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述fep薄膜（21）固定在固定电极（26）上，固定电极（26）固定在活动板（23）的两侧，发电线圈（31）、固定电极（26）和电极（22）均通过导线引出壳体（1）。8.根据权利要求4-7中任意一项所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述第一永磁体（5）固定在转杆（7）上，四个转杆（7）均匀固定在转轴（41）的另一端的外圆周上。9.根据权利要求5-7中任意一项所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述第一永磁体（5）随着转轴（41）的转动而转动，第一永磁体（5）与第二永磁体（6）产生周期性的吸引与排斥，从而带动活动板（23）在两个固定板（25）之间移动，使得摩擦层的fep薄膜（21）和电极（22）周期性的接触与分离；转轴（41）每旋转90
°
，fep薄膜（21）和电极（22）接触分离4次，转轴（41）每旋转一周，接触分离16次，实现16倍频；第一永磁体（5）转动在发电线圈（31）中产生较小均匀的正弦波，第二永磁体（6）随着活
动板（23）运动在发电线圈（31）中产生较大的尖峰波，发电线圈在相对运动中切割磁感线产生感应电动势。10.根据权利要求7所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，在某一个稳定状态，接触的四个电极与固定电极分为一组发电单元，另外分离的四个电极与固定电极分为一组发电单元，两组发电单元存在一定的相位差，在固定电极和接触分离电极上分别引出导线，将引出的两根导线相连接，进而形成发电回路。

技术总结
本发明提出了一种收集低频水波能的复合纳米发电机，包括壳体，所述壳体上活动设有驱动组件，壳体内设有摩擦发电组件和电磁发电组件，壳体内的驱动组件上固定设有2n个第一永磁体；所述壳体内活动设有2n个第二永磁体，第二永磁体和第一永磁体的磁性相匹配；所述摩擦发电组件和电磁发电组件均设置在第二永磁体的附近，摩擦发电组件和电磁发电组件均与第二永磁体和第一永磁体相耦合。本发明将电磁发电与摩擦发电很好的耦合，永磁体的运动，不仅使摩擦发电产生交流输出，而且在电磁发电中产生较低的正弦信号，摩擦发电中活动板的运动，在电磁发电中产生较高的尖峰波，提高了整体的能量收集效率，极大地拓宽了适用范围。极大地拓宽了适用范围。极大地拓宽了适用范围。


技术研发人员：郑海务 崔明 吴永辉 刘续 王志新 于银萍
受保护的技术使用者：河南大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/19