本發(fā)明涉及摩擦發(fā)電機，具體是一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機。

背景技術(shù)：

1、隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，長期使用煤炭、石油等傳統(tǒng)化石能源造成的能源短缺和環(huán)境污染是兩個迫切需要解決的問題。海洋大約占地球面積的71％,含有豐富、清潔、可再生能源，包括水波能和潮汐能，把這些能量收集利用起來以滿足基礎(chǔ)設施的電力需求具有重要意義。傳統(tǒng)的電磁發(fā)電機由于其所需頻率大、轉(zhuǎn)速快、在水波能收集領(lǐng)域的發(fā)展受到很大限制，往往需要造價高昂的固定裝置來適應特定的環(huán)境，并且能量轉(zhuǎn)換效率很低，尤其在低頻率時。

2、面對浩瀚的海洋能源，針對其低頻、不規(guī)則、分布式的能源特性，摩擦納米發(fā)電機作為一種新型的機械能量收集技術(shù)，具有低頻、效率高、材料選擇廣的特點，被廣泛應用于海洋能量的收集?；诮佑|起電和靜電感應的耦合效應，可以將環(huán)境中無序的機械能，有效地轉(zhuǎn)化為電能。當兩種電負性不同的摩擦材料接觸時，由于摩擦起電效應，兩個摩擦材料之間會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，因此二者之間會形成一個電勢差；在外部電路中，電子在電勢差的驅(qū)動下會在電極上產(chǎn)生流動，以此來平衡該電勢差，在外電路表現(xiàn)為電信號的產(chǎn)生。此外，由聚合物薄膜、多孔材料和金屬電極等組成的摩擦納米發(fā)電機具有重量輕、成本低的優(yōu)點。因此，由摩擦納米發(fā)電機網(wǎng)格構(gòu)建的漂浮式的水波發(fā)電站被認為是最有前途的低成本水波能收集技術(shù)之一。

3、為了進一步推進摩擦納米發(fā)電機在波浪能收集領(lǐng)域的應用，許多研究者提出了各種各樣的圓柱形摩擦納米發(fā)電機并進行了系統(tǒng)的研究。2021年，文獻[adv.funct.mater.2021,31,2106398]報道了一種基于分段擺動結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機，柔軟致密兔毛的引入降低了摩擦阻力和材料磨損，分段結(jié)構(gòu)的設計和優(yōu)化進一步提高了摩擦納米發(fā)電機的輸出性能。但是這種分段擺動結(jié)構(gòu)只能有效收集較低頻(0.8-1.4hz)的水波能量，對于高于1.4hz的低頻水波，其收集效率遠不及旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機。2022年，文獻[adv.energy?mater.2022,2203219]報道了一種單向旋轉(zhuǎn)的圓柱形波驅(qū)動聯(lián)動機構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機，在引用柔軟致密兔毛的基礎(chǔ)上加入了單向軸承，使得摩擦納米發(fā)電機能將環(huán)境中的擺動能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的單向旋轉(zhuǎn)能。擺動模式轉(zhuǎn)子上的兔毛沒有足夠的時間來改變運動方向從而在運動過程中會產(chǎn)生較大的摩擦阻力。因此，摩擦電材料之間沒有發(fā)生有效的相對位置變化，導致器件的輸出性能降低。當轉(zhuǎn)子中心的普通軸承被單向軸承取代時，轉(zhuǎn)子在中心軸的作用下向一個方向旋轉(zhuǎn)。兔毛與摩擦薄膜之間產(chǎn)生有效相對位移，可以獲得相對較高的輸出。對于旋轉(zhuǎn)模式，以有效地獲取水波能量。雖然最新的研究工作中設計的利用單向軸承的旋轉(zhuǎn)摩擦納米發(fā)電機可以有效收集環(huán)境中的波浪能，但其機械結(jié)構(gòu)的設計只能夠利用一半的擺動動能而造成了另一半擺動動能的浪費。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，包括中心軸桿以及套接在所述中心軸桿上的外圓筒、內(nèi)圓筒，所述內(nèi)圓筒位于所述外圓筒內(nèi)；

4、所述內(nèi)圓筒的外壁與所述外圓筒的內(nèi)壁上設置有摩擦發(fā)電部；

5、所述內(nèi)圓筒與所述中心軸桿固定連接，所述外圓筒與所述中心軸桿單向固定連接，所述中心軸桿的一端單向固定連接有驅(qū)動部，所述驅(qū)動部與所述外圓筒單向動力連接，所述外圓筒與驅(qū)動部的單向驅(qū)動方向為正向方向，所述外圓筒與所述中心軸桿單向固定方向、中心軸桿與所述驅(qū)動部的單向固定方向均為反向方向。

6、作為本發(fā)明進一步的方案：所述摩擦發(fā)電部包括位于所述外圓筒內(nèi)壁的電極陣列、柔性葉片以及位于所述內(nèi)圓筒外壁的片狀薄膜陣列。

7、作為本發(fā)明進一步的方案：所述片狀薄膜陣列包括第一摩擦單元、第二摩擦單元，所述第一摩擦單元、第二摩擦單元數(shù)量相同且間隔布置，所述柔性葉片與所述第一摩擦單元、第二摩擦單元摩擦接觸。

8、作為本發(fā)明進一步的方案：所述外圓筒包括筒體以及設置于所述筒體兩端的第一外圓筒蓋板、第二外圓筒蓋板。

9、作為本發(fā)明進一步的方案：所述第一外圓筒蓋板通過第一單向軸承與所述中心軸桿單向固定連接，第一單向軸承通過第一聯(lián)軸器與所述中心軸桿連接，所述第二外圓筒蓋板通過雙向軸承與所述中心軸桿自由轉(zhuǎn)動連接。

10、作為本發(fā)明進一步的方案：所述驅(qū)動部包括扇形板，所述扇形板通過第三聯(lián)軸器、第三單向軸承與中心軸桿單向固定連接。

11、作為本發(fā)明進一步的方案：所述第三聯(lián)軸器靠近所述第二外圓筒蓋板的一側(cè)連接有第二單向軸承，所述第二單向軸承上套接有第二聯(lián)軸器，所述第二聯(lián)軸器與所述第二外圓筒蓋板固定連接。

12、作為本發(fā)明進一步的方案：所述扇形板上固定連接有第一質(zhì)量塊。

13、作為本發(fā)明進一步的方案：所述外圓筒的外壁設有第三質(zhì)量塊，所述內(nèi)圓筒的內(nèi)壁設有第二質(zhì)量塊，所述內(nèi)圓筒包括內(nèi)筒體以及設置于所述內(nèi)筒體兩端的內(nèi)圓筒蓋板，所述內(nèi)圓筒蓋板與中心軸桿固定連接。

14、作為本發(fā)明進一步的方案：所述中心軸桿放置與支撐架上，所述支撐架包括底座以及設置于所述底座上的第一支架、第二支架，所述中心軸桿與所述第一支架、第二支架轉(zhuǎn)動連接。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

16、1、本發(fā)明在單向軸承復擺結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了以第三質(zhì)量塊為基礎(chǔ)的重力勢能儲蓄裝置，利用第一單向軸承、第二單向軸承和第三單向軸承只能在某一特定方向轉(zhuǎn)動，在另一相反方向鎖死的特性，能夠把外界的各種振動能首先轉(zhuǎn)換為第二質(zhì)量塊、第三質(zhì)量塊的重力勢能，然后自動釋放為動能，帶動摩擦納米發(fā)電機產(chǎn)生具有一定規(guī)律的電輸出。

17、2、如果外界振動激勵強度很小，本發(fā)明可以間斷性的把振動能轉(zhuǎn)換為第二質(zhì)量塊、第三質(zhì)量塊的重力勢能。在第二質(zhì)量塊、第三質(zhì)量塊達到最高點后，重力勢能自動釋放并轉(zhuǎn)化為動能，內(nèi)筒和外筒一直做相對旋轉(zhuǎn)運動，帶動摩擦納米發(fā)電機工作。

18、3、如果外界振動強度較大，本發(fā)明可以把外界振動能量迅速轉(zhuǎn)換為第二質(zhì)量塊、第三質(zhì)量塊的重力勢能，然后同樣是快速釋放，內(nèi)筒和外筒一直做相對旋轉(zhuǎn)運動，帶動摩擦納米發(fā)電機工作。

19、4、本發(fā)明可以收集外界各種強度不同的振動能量，將其轉(zhuǎn)換為第二質(zhì)量塊、第三質(zhì)量塊的重力勢能，促使內(nèi)筒和外筒不間斷地做相對轉(zhuǎn)動，從而最大程度上利用外界振動能量，大大提高了摩擦納米發(fā)電機的輸出性能，并拓寬了適用范圍。

技術(shù)特征：

1.一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，包括中心軸桿(3)以及套接在所述中心軸桿(3)上的外圓筒(1)、內(nèi)圓筒(2)，其特征在于，所述內(nèi)圓筒(2)位于所述外圓筒(1)內(nèi)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，其特征在于，所述摩擦發(fā)電部包括位于所述外圓筒(1)內(nèi)壁的電極陣列(9)、柔性葉片(8)以及位于所述內(nèi)圓筒(2)外壁的片狀薄膜陣列(10)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，其特征在于，所述片狀薄膜陣列(10)包括第一摩擦單元(101)、第二摩擦單元(102)，所述第一摩擦單元(101)、第二摩擦單元(102)數(shù)量相同且間隔布置，所述柔性葉片(8)與所述第一摩擦單元(101)、第二摩擦單元(102)摩擦接觸。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，其特征在于，所述外圓筒(1)包括筒體(11)以及設置于所述筒體(11)兩端的第一外圓筒蓋板(12)、第二外圓筒蓋板(13)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一外圓筒蓋板(12)通過第一單向軸承(4)與所述中心軸桿(3)單向固定連接，第一單向軸承(4)通過第一聯(lián)軸器(16)與所述中心軸桿(3)連接，所述第二外圓筒蓋板(13)通過雙向軸承(200)與所述中心軸桿(3)自由轉(zhuǎn)動連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，其特征在于，所述驅(qū)動部包括扇形板(100)，所述扇形板(100)通過第三聯(lián)軸器(18)、第三單向軸承(7)與中心軸桿(3)單向固定連接。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，其特征在于，所述第三聯(lián)軸器(18)靠近所述第二外圓筒蓋板(13)的一側(cè)連接有第二單向軸承(6)，所述第二單向軸承(6)上套接有第二聯(lián)軸器(17)，所述第二聯(lián)軸器(17)與所述第二外圓筒蓋板(13)固定連接。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，其特征在于，所述扇形板(100)上固定連接有第一質(zhì)量塊(5)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，其特征在于，所述外圓筒(1)的外壁設有第三質(zhì)量塊(15)，所述內(nèi)圓筒(2)的內(nèi)壁設有第二質(zhì)量塊(14)，所述內(nèi)圓筒(2)包括內(nèi)筒體(21)以及設置于所述內(nèi)筒體(21)兩端的內(nèi)圓筒蓋板(22)，所述內(nèi)圓筒蓋板(22)與中心軸桿(3)固定連接。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，其特征在于，所述中心軸桿(3)放置與支撐架上，所述支撐架包括底座以及設置于所述底座上的第一支架(19)、第二支架(20)，所述中心軸桿(3)與所述第一支架(19)、第二支架(20)轉(zhuǎn)動連接。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種相對旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機，包括中心軸桿以及套接在所述中心軸桿上的外圓筒、內(nèi)圓筒，所述內(nèi)圓筒位于所述外圓筒內(nèi)；所述內(nèi)圓筒的外壁與所述外圓筒的內(nèi)壁上設置有摩擦發(fā)電部；所述內(nèi)圓筒與所述中心軸桿固定連接，所述外圓筒與所述中心軸桿單向固定連接，所述中心軸桿的一端單向固定連接有驅(qū)動部，本發(fā)明在單向軸承復擺結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了以第三質(zhì)量塊為基礎(chǔ)的重力勢能儲蓄裝置，利用第一單向軸承、第二單向軸承和第三單向軸承只能在某一特定方向轉(zhuǎn)動，在另一相反方向鎖死的特性，能夠把外界的各種振動能首先轉(zhuǎn)換為第二質(zhì)量塊、第三質(zhì)量塊的重力勢能，然后自動釋放為動能，帶動摩擦納米發(fā)電機產(chǎn)生具有一定規(guī)律的電輸出。

技術(shù)研發(fā)人員：王佩紅,王飛翔,張浩楠,方林,舒磊磊
受保護的技術(shù)使用者：安徽大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6