一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置及其能量收集转化方法

1.本发明属于能量收集和自驱动发电领域，具体涉及一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置及其能量收集转化方法。


背景技术：

2.随着现代工业化水平的日益发展和劳动人口总量的迅猛增长，能源需求不足问题成为共同面临的社会难题，煤炭、石油、天然气等各种不可再生利用的新型化石资源都面临着严重消耗甚至枯竭的困境，也引起了日益严重的环境污染。大自然中有着多种类型的能量，如自然的振动、海洋能等。其中各种机械运动能量在地球整个自然环境系统中的分布情况非常十分普遍，具有的各种各样运动的机械存在与形式，包括来自地面上的各种振动、风吹和各种水流造成的各种运动、人类的生命活动过程等，这些运动机械能也存在分布于全部大自然和社会生活中，并且储存量很大。如果能把所有这些能量全部转化换为一种可以回收利用的纯电，是另一个缓解的能源短缺的好方法。
3.目前，利用不同的机理和设备将机械能转化为电能已成为近年来的热门方向。目前广泛使用的发电机为传统的电磁式发电机，其结构复杂，成本高。基于有机材料的摩擦纳米发电机得到广泛的研究。它的工作原理基于摩擦起电效应和静电感应效应的耦合。摩擦纳米发电机与目前广泛使用的发电设备有本质区别，它可以非常便捷地收集多种不同形式、不规则或者低频的机械能(如人体运动，振动，机械触发，轮胎转动，风能，水能等)并将其转换为电能，具有非常广泛的应用空间。为环境和能源领域的设计和应用提供有价值的设想。
4.但是目前基于摩擦电原理的发电机在市场上相关产品较少，且大部分尺寸较大，摩擦发电机较传统发电机而言，输出电压高而电流小，这恰好与传统发电机特性互补。并且，摩擦电发电机的材料较轻，因此单位质量的发电量更大。摩擦发电机的制作材料广泛，各种高分子的材料和金属材料都可以做出纳米发电机。又因为其设计结构更简单，制造过程更加便捷，为其能够获得普遍的使用创造出很有竞争力的发展条件。
5.鉴于此，设计一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置，具有重要的意义。


技术实现要素：

6.针对上述问题情况，本发明提供一种收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置及其能量收集转化方法。主要通过传递机构将将往复的、间歇的激励转化为单向的、连续的运动，再通过转动体上的fep膜与铜电极摩擦，完成机械能到电能的转化。
7.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置，包括机械能俘获装置和摩擦纳米发电装置，所述机械能俘获装置和摩擦纳米发电装置通过长轴传动连接，机械能俘获装置用于俘获机械能并将机械能传递给摩擦纳米发电装置，所述摩擦纳米发电装置用于接收机
械能俘获装置的机械能并进行转动发电。
8.进一步的，所述机械能俘获装置包括底座，以及设置在底座内的齿条框架、第一短轴、第二短轴以及长轴，所述第一短轴和第二短轴通过支撑轴承可转动地设置在底座上，齿条框架为矩形结构，齿条框架的两侧设置有齿条，底部设置有弹簧，齿条框架通过弹簧固定设置在底座的底部；齿条框架接收外力向下运动时压缩弹簧，外力撤销后，弹簧有恢复原有形状的趋势，把齿条框架向上顶起。
9.进一步的，所述第一短轴和第二短轴对称设置在齿条框架的两侧，第一短轴上设置有第一小齿轮和第一大齿轮，第二短轴上设置有第二小齿轮和第二大齿轮，所述第一小齿轮和第二小齿轮分别与齿条框架两侧的齿条相啮合。
10.进一步的，所述第一小齿轮与第一短轴固定连接，第二小齿轮和第二短轴固定连接，第一大齿轮通过单相轴承与第一短轴连接，第二大齿轮通过单相轴承与第二短轴连接。
11.进一步的，所述长轴穿过齿条框架设置，长轴的两端分别通过支撑轴承可转动地设置在底座和摩擦纳米发电装置的外壳上，长轴上固定设置有中齿轮，所述中齿轮分别与第一大齿轮和第二大齿轮相啮合。
12.进一步的，所述摩擦纳米发电装置包括转动体以及设置在转动体外侧的外壳，外壳通过外壳支架进行支撑，所述长轴穿过转动体内部并通过单相轴承与转动体连接。
13.进一步的，所述转动体的外侧设置有周向分布的卡槽，在所述外壳的内部粘贴有沿周向间隔设置的铜电极。
14.进一步的，所述摩擦纳米发电装置还包括fep膜，所述fep膜的一端设置在转动体的卡槽中，另一端与铜电极相接触。
15.进一步的，所述转动体通过在内部粘贴配重块改变转动体的质量，转动体转动带动fep膜与铜电极摩擦，完成了机械能到电能的变化，输出电流。
16.本发明还公开了上述的用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置的能量收集转化方法，对铜电极进行分类，相间设置的铜电极归为一类，记为铜-1；其余的铜电极归为一类，记为铜-2；具体方法如下：（1）摩擦纳米发电装置的fep膜与铜-1位置对应，由于fep膜的电负性更强，在摩擦电效应下，电子从铜-1迁移到fep膜，与此同时，相同的正电荷分布在铜上，此时正电荷和负电荷达到平衡状态，外部负载中无电流产生；（2）随着转动体的旋转，fep膜离开铜-1，并慢慢与铜-2接触摩擦，在电势差的作用下，正电荷从铜-1移动到铜-2，此时，外部负载中产生电流；（3）继续旋转，fep膜与铜-2完全接触，与（1）原理相同，外部负载中无电流产生；（4）随着转动体旋转，fep 膜再次接触铜-1，与（2）原理相同，正电荷从铜-1转移到铜-1，此时外部负载中产生与（2）过程方向相反的电流。
17.（5）本发明相比于传统电磁式发电机，结构更为简单，材料更易获得，成本相对更低；采用的基于单向离合器的传动结构可以充分收集自然界中的机械能，具有很大的优势。本发明通过机械能俘获装置和摩擦纳米发电装置的相互作用，通过传递机构将往复的、间歇的载荷激励转化为单向的、连续的转动体运动，再通过转动体上的fep膜与铜电极摩擦，完成机械能到电能的转化，提供了一个缓解能源短缺的好方法，具有非常广泛的应用空间。
附图说明
18.图1是本发明用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置整体结构示意图；图2是图1中部分结构细节示意图；图3是本发明机械能俘获装置和摩擦纳米发电装置侧视图；图4是本发明摩擦纳米发电模块的侧面示意图；图5是本发明摩擦纳米发电过程示意图；图6是本发明输出电路图。
19.图中：1、底座；2、齿条框架；3、第一短轴；4、第二短轴；5、长轴；6、支撑轴承；7、弹簧；8、第一小齿轮；9、第一大齿轮；10、第二小齿轮；11、第二大齿轮；12、外壳；13、中齿轮；14、转动体；15、外壳支架；16、卡槽；17、铜电极；18、fep膜。
实施方式
20.下面通过实施例对本发明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做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。
21.如图1-4所示，本发明一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置，所述收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置包含机械能俘获装置和摩擦纳米发电装置。机械能俘获装置用于俘获机械能并将机械能传递给摩擦纳米发电装置，所述摩擦纳米发电装置用于接收机械能俘获装置的机械能并进行转动发电。
22.所述机械能俘获装置包括底座1，以及设置在底座1内的齿条框架2、第一短轴3、第二短轴4以及长轴5，所述第一短轴3和第二短轴4通过支撑轴承6可转动地设置在底座1上，齿条框架2为矩形结构，齿条框架2的两侧设置有齿条，底部设置有弹簧7，齿条框架2通过弹簧7固定设置在底座1的底部；齿条框架2可以接收外力载荷向下运动时压缩弹簧7，外力撤销后，弹簧7有恢复原有形状的趋势，把齿条框架2向上顶起。
23.所述第一短轴3和第二短轴4对称设置在齿条框架2的两侧，第一短轴3上设置有第一小齿轮8和第一大齿轮9，第二短轴4上设置有第二小齿轮10和第二大齿轮11，所述第一小齿轮8和第二小齿轮10分别与齿条框架2两侧的齿条相啮合。所述第一小齿轮8与第一短轴3固定连接，第二小齿轮10和第二短轴4固定连接，第一大齿轮9通过单相轴承与第一短轴3连接，第二大齿轮11通过单相轴承与第二短轴4连接。所述长轴5穿过齿条框架2内部设置，长轴5的两端分别通过支撑轴承6可转动地设置在底座1和摩擦纳米发电装置的外壳12上，长轴5上固定设置有中齿轮13，所述中齿轮13分别与第一大齿轮9和第二大齿轮11相啮合。
24.本发明实施例的单向轴承设计巧妙，仅在一个转动方向可以转动。例如第一大齿轮9通过单相轴承与第一短轴3连接，当第一短轴3顺时针转动时，可以通过单相轴承带动第一大齿轮9转动，而当第一短轴3逆时针转动时，则单相轴承处于自由状态，无法带动第一大齿轮9转动，两者之间无配合带动联系。
25.所述机械能俘获装置工作时，底座1固定，三根轴通过支撑轴承6架于底座1上，每根轴具有且仅具有绕轴中心线回转一个自由度，第一小齿轮8与第一短轴3之间、第二小齿轮10和第二短轴4之间、中齿轮13与长轴5之间通过键连接，与轴具有相同运动速度和方向。
第一大齿轮9与第一短轴3之间以及第二大齿轮11和第二短轴4之间均通过单向轴承连接，单向轴承顺时针锁死，逆时针可自由转动。
26.所述齿条框架2在外力作用下向下运动时，第一小齿轮8以顺时针方向进行转动，第二小齿轮10逆时针方向转动，由于第一小齿轮8与第一短轴3之间、第二小齿轮10和第二短轴4之间通过键连接，第一短轴3也顺时针方向转动，第二短轴4逆时针方向转动。第一短轴3上的单向轴承处于反向锁死状态，带动第一大齿轮9顺时针转动；第二短轴4上的单向轴承处于自由状态，不会使第二大齿轮11逆时针转动。在第一大齿轮9的作用下，中齿轮13逆时针转动，从而带动长轴5逆时针转动，进一步带动摩擦纳米发电装置也逆时针转动。齿条框架2下部的底座1上安装有弹簧7，外力撤销后，弹簧7有恢复原有形状的趋势，把齿条框架2向上顶起，与向下运动时原理相同，摩擦纳米发电装置依旧逆时针转动，实现了将外部的单向或往复的激励转换成摩擦纳米发电装置单向的转动。
27.本发明的摩擦纳米发电装置包括转动体14以及设置在转动体14外侧的外壳12，外壳12通过外壳支架15进行支撑，所述长轴5穿过转动体14内部并通过单相轴承与转动体14连接。所述转动体14的外侧设置有周向分布的卡槽16，在所述外壳12的内部粘贴有沿周向间隔设置的铜电极17。所述摩擦纳米发电装置还包括fep膜18，fep膜18的一端设置在转动体14的卡槽16中，另一端与铜电极17相接触。
28.优选的，所述转动体14通过在内部粘贴配重块改变转动体的质量，转动体14转动带动fep膜18与铜电极17摩擦，完成了机械能到电能的变化，输出电流。
29.本发明的摩擦纳米发电装置的外壳12分为下外壳和上外壳，下外壳固定，上外壳可拆卸，上下外壳两侧均有带孔延伸平台，通过螺杆与螺母可将上下外壳固定。长轴5与下外壳固定（图中未画出），转动体14与长轴5之间通过单向轴承连接，转动体14可绕轴单向转动。上下外壳上均匀贴有大小相等的铜电极17，fep膜18粘贴在转动体14上的周向的卡槽16内。转动体14内部可以通过粘贴配重块改变转动体质量。
30.所述转动体14带动上面的fep膜18与铜电极17摩擦，在这个过程中，完成了机械能到电能的变化。如图5所示，对铜电极17进行分类，相间设置的铜电极17归为一类，记为铜-1；其余的铜电极17归为一类，记为铜-2；其机械能到电能的变化过程主要可以分为四个阶段：（1）摩擦纳米发电装置的 fep 膜18与铜-1位置对应，由于fep 膜18的电负性更强，在摩擦电效应下，电子从铜-1迁移到fep膜18，与此同时，相同的正电荷分布在铜上。此时正电荷和负电荷达到平衡状态，外部负载中无电流产生；（2）随着转动体14的旋转，fep膜18离开铜-1，并慢慢与铜-2 接触摩擦，在电势差的作用下，正电荷从铜-1移动到铜-2，此时，外部负载中产生电流；（3）继续旋转，fep膜与铜-2完全接触，与（1）原理相同，外部负载中无电流产生；（4）随着转动体14旋转，fep膜再次接触铜-1，与（2）原理相同，正电荷从铜-1转移到铜-1，此时外部负载中产生与（2）过程方向相反的电流。
31.本发明的转动体14和外壳12优选采用pla材料。
32.所述摩擦纳米发电装置产生的交流电压经过变压器转换输出为幅值符合需求的电压，全波整流整流桥把其直流化。如图6所示，负载端并联有一个电容，起到保持电流大小恒定的作用。
33.本发明将间歇机械运动转化为单向转动，带动发电装置输出电流，降低对间歇机械能的收集利用工程要求。
34.本发明通过机械能俘获装置和摩擦纳米发电装置的相互作用，通过传递机构将往复的、间歇的载荷激励转化为单向的、连续的转动体运动，再通过转动体上的fep膜与铜电极摩擦，完成机械能到电能的转化，提供了一个缓解能源短缺的好方法，具有非常广泛的应用空间。
35.本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

技术特征：
1.一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置，其特征在于，包括机械能俘获装置和摩擦纳米发电装置，所述机械能俘获装置和摩擦纳米发电装置通过长轴（5）传动连接，机械能俘获装置用于俘获机械能并将机械能传递给摩擦纳米发电装置，所述摩擦纳米发电装置用于接收机械能俘获装置的机械能并进行转动发电。2.根据权利要求1所述的一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述机械能俘获装置包括底座（1），以及设置在底座（1）内的齿条框架（2）、第一短轴（3）、第二短轴（4）以及长轴（5），所述第一短轴（3）和第二短轴（4）通过支撑轴承（6）可转动地设置在底座（1）上，齿条框架（2）为中空矩形结构，齿条框架（2）的两侧设置有齿条，底部设置有弹簧（7），齿条框架（2）通过弹簧（7）固定设置在底座（1）的底部；齿条框架（2）接收外力向下运动时压缩弹簧（7），外力撤销后，弹簧（7）有恢复原有形状的趋势，把齿条框架（2）向上顶起。3.根据权利要求2所述的一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第一短轴（3）和第二短轴（4）对称设置在齿条框架（2）的两侧，第一短轴（3）上设置有第一小齿轮（8）和第一大齿轮（9），第二短轴（4）上设置有第二小齿轮（10）和第二大齿轮（11），所述第一小齿轮（8）和第二小齿轮（10）分别与齿条框架（2）两侧的齿条相啮合。4.根据权利要求3所述的一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第一小齿轮（8）与第一短轴（3）固定连接，第二小齿轮（10）和第二短轴（4）固定连接，第一大齿轮（9）通过单相轴承与第一短轴（3）连接，第二大齿轮（11）通过单相轴承与第二短轴（4）连接。5.根据权利要求4所述的一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述长轴（5）穿过齿条框架（2）设置，长轴（5）的两端分别通过支撑轴承（6）可转动地设置在底座（1）和摩擦纳米发电装置的外壳（12）上，长轴（5）上固定设置有中齿轮（13），所述中齿轮（13）分别与第一大齿轮（9）和第二大齿轮（11）相啮合。6.根据权利要求1所述的一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述摩擦纳米发电装置包括转动体（14）以及设置在转动体（14）外侧的外壳（12），外壳（12）通过外壳支架（15）进行支撑，所述长轴（5）穿过转动体（14）内部并通过单相轴承与转动体（14）连接。7.根据权利要求6所述的一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述转动体（14）的外侧设置有周向分布的卡槽（16），在所述外壳（12）的内部粘贴有沿周向间隔设置的铜电极（17）。8.根据权利要求7所述的一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述摩擦纳米发电装置还包括fep膜（18），所述fep膜（18）的一端设置在转动体（14）的卡槽（16）中，另一端与铜电极（17）相接触。9.根据权利要求8所述的一种用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述转动体（14）通过在内部粘贴配重块改变转动体（14）的质量，转动体（14）转动带动fep膜（18）与铜电极（17）摩擦，完成了机械能到电能的变化，输出电流。10.一种如权利要求1-9任意一项所述的用于收集间歇机械能的摩擦纳米发电装置的能量收集转化方法，其特征在于，对铜电极（17）进行分类，相间设置的铜电极（17）归为一类，记为铜-1；其余的铜电极（17）归为一类，记为铜-2；具体方法如下：
s1：摩擦纳米发电装置的fep膜（18）与铜-1位置对应，由于fep膜（18）的电负性更强，在摩擦电效应下，电子从铜-1迁移到fep膜（18），与此同时，相同的正电荷分布在铜上，此时正电荷和负电荷达到平衡状态，外部负载中无电流产生；s2：随着转动体（14）的旋转，fep膜（18）离开铜-1，并慢慢与铜-2接触摩擦，在电势差的作用下，正电荷从铜-1移动到铜-2，此时，外部负载中产生电流；s3：继续旋转，fep膜（18）与铜-2完全接触，与s1原理相同，外部负载中无电流产生；s4：随着转动体（14）旋转，fep 膜（18）再次接触铜-1，与（2）原理相同，正电荷从铜-1转移到铜-1，此时外部负载中产生与s2过程方向相反的电流。

技术总结
本发明公开了一种包括机械能俘获装置和摩擦纳米发电装置及其能量收集转化方法，所述装置包括通过长轴传动连接的机械能俘获装置和摩擦纳米发电装置，机械能俘获装置用于俘获机械能并将机械能传递给摩擦纳米发电装置，将间歇机械能转化为定向转动，所述摩擦纳米发电装置用于接收机械能俘获装置的机械能，通过转动体带动其上的FEP膜与铜电极摩擦，向外持续输出电流。本发明通过机械能俘获装置和摩擦纳米发电装置的相互作用，通过传递机构将往复的、间歇的载荷激励转化为单向的、连续的转动体运动，再通过转动体上的FEP膜与铜电极摩擦，完成机械能到电能的转化，提供了一个缓解能源短缺的好方法，具有非常广泛的应用空间。具有非常广泛的应用空间。具有非常广泛的应用空间。


技术研发人员：孔薇琪 吴芳芳 叶阳天 鲍禹安 蔡延伸 吴鹏吉 蒋正扬 吴化平 宋逸
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/7/25