一种基于摩擦发电的浮标式能量收集器

技术领域

本发明涉及能量收集技术领域，具体涉及一种基于摩擦发电的浮标式能量收集器。

背景技术

由于工业革命的影响，人们对能源的需求量不断上升。而化石能源作为有限能源之一，属于不可再生资源；另外，由于化石能源导致的碳排放加速了气候变化，寻找绿色、可持续的新能源刻不容缓。海洋能因其资源丰富、海域面积广受到人们的广泛关注。

现有技术中，通过海洋能的发电的结构有多种，主要包括电磁式、压电式和摩擦式。例如，文献号为CN206332600U的中国专利公开了一种海洋能源转换装置，包括相对间隔设置的两块磁板，相对间隔设置的两块导电板，导电板与磁板具有夹角，且两块磁板、两块导电板共同构成用于流通海水的流体通道，其中，两块磁板中一块为N极板，另一块为S极板；电能收集装置包括储能单元，储能单元与导电板电连接。该专利提供的海洋能源转换装置，提高了能源转化效率，可进行自发电，可应用在深海领域。但是，由于海洋波浪能的低频低振幅、波浪波峰随机的特性以及装置的高成本和安装问题等，采用电磁感应的方式进行海洋能的采集仍存在较多挑战。而摩擦式发电因其制作成本低、可持续、环境友好等特点被广泛应用，将海洋能与摩擦纳米发电机结合，可以有效缓解化石能源的应用危机。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于摩擦发电的浮标式能量收集器，拟解决现有基于海洋能的能量收集装置不能够很好地将海洋波浪能转化为电能并收集起来、成本高等问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于摩擦发电的浮标式能量收集器，包括支撑体以及与所述支撑体固定连接的发电模块；所述发电模块包括外壳、螺旋体和摩擦体；所述外壳内壁设有第一摩擦发电层；所述螺旋体位于外壳内部且螺旋体上端与外壳连接；所述螺旋体上滑动连接有摩擦体，所述摩擦体外壁设有与第一摩擦发电层配合的第二摩擦发电层；所述外壳下端连接有浮动体；所述浮动体随水波不断地上下浮动，使浮动体对摩擦体施加上下方向的力，从而使摩擦体与外壳内壁滑动摩擦发电。

进一步的，所述外壳为空心圆柱结构；所述外壳内壁设有若干个沿上下方向延伸的凹槽；所述凹槽内设有第一摩擦发电层；所述第一摩擦发电层包括第一电极层和第一摩擦层；所述凹槽从内到外依次设有第一电极层和第一摩擦层。

进一步的，所述螺旋体包括螺旋轴，所述螺旋轴上端连接有固定板；所述固定板和外壳上端连接；所述螺旋轴上滑动连接有摩擦体；所述第二摩擦发电层包括第二电极层和第二摩擦层；所述摩擦体外壁依次设有第二电极层和第二摩擦层。

进一步的，所述第一摩擦层材料和第二摩擦层材料存在摩擦电极序差异。

进一步的，所述第一摩擦层和第二摩擦层相接触的一侧均设有纳米结构或微米结构。

进一步的，所述浮动体包括推筒、套板和浮标；所述浮标上端通过弹性件和所述套板连接；所述外壳固定连接在套板；所述支撑体与套板固定连接；所述推筒固定连接于浮标上方，且所述推筒上端穿过套板并深入到外壳内；所述推筒用于对摩擦体施加上下方向的力。

进一步的，所述推筒设置于所述浮标的中心；所述弹性件为两组，且关于推筒对称设置；所述支撑体包括支撑板以及与所述支撑板固定连接的支撑轴；所述支撑板固定不动；所述支撑轴与所述套板固定连接。

进一步的，所述弹性件为弹簧。

进一步的，所述浮标的材料为塑料。

进一步的，还包括储能模块，所述储能模块和发电模块通过导线连接。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的一种基于摩擦发电的浮标式能量收集器，实现了系统的自供能，利用摩擦发电的机制，将波浪能转化为电能；

2.本发明提供的一种基于摩擦发电的浮标式能量收集器，通过波浪带动浮标上下浮动，进而推动外壳内的摩擦体上下移动，摩擦体在螺旋轴的作用下发生旋转，与外壳内壁摩擦，从而产生电流；

3.本发明提供的一种基于摩擦发电的浮标式能量收集器的第一摩擦层和第二摩擦层的材质存在得失电子的差异，第一摩擦层和第二摩擦层的接触表面有纳米结构或微米结构，极大增加了输出电能；

4.本发明提供的一种基于摩擦发电的浮标式能量收集器结构简单，制造方便，可配合电容器、电池等储能模块组成自供电系统，可直接将采集的海洋波浪能转化为电能，实现小型设备供电。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于摩擦发电的浮标式能量收集器的整体结构示意图；

图2是本发明提供的外壳的结构示意图；

图3是本发明提供的外壳内部的结构示意图；

图4是本发明提供的一种基于摩擦发电的浮标式能量收集器的爆炸图；

图5是本发明提供的螺旋体和摩擦体相对位置的结构示意图；

图6是本发明提供的浮动体的结构示意图；

附图中：01-螺旋体、02-外壳、03-浮动体、04-摩擦体、05-支撑体、11-固定板、12-螺旋轴、21-第一电极层、22-第一摩擦层、31-推筒、32-套板、33-弹性件、34-浮标、42-第二摩擦层、43-第二电极层、51-支撑轴、52-支撑板。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。

实施例一：

见附图1～6。一种基于摩擦发电的浮标式能量收集器，包括支撑体05以及与所述支撑体05固定连接的发电模块；所述发电模块包括外壳02、螺旋体01和摩擦体04；所述外壳02内壁设有第一摩擦发电层；所述螺旋体01位于外壳02内部且螺旋体01上端与外壳02连接；所述螺旋体01上滑动连接有摩擦体04，所述摩擦体04外壁设有与第一摩擦发电层配合的第二摩擦发电层；所述外壳02下端连接有浮动体03；所述浮动体03随水波不断地上下浮动，使浮动体03对摩擦体04施加上下方向的力，从而使摩擦体04与外壳02内壁滑动摩擦发电。由上述结构可知，本发明提供的基于摩擦发电的浮标式能量收集器包括支撑体05和发电模块，其中，发电模块包括外壳02、螺旋体01和摩擦体04，支撑体05保持固定，用于固定连接发电模块，例如，支撑体05可和外壳02固定连接。优选的，外壳02为空心圆柱结构，定义外壳02沿上下方向延伸设置，第一摩擦发电层贴附设置于外壳02内壁。螺旋体01和摩擦体04均设置在外壳02内部，且螺旋体01上端和外壳02固定连接，螺旋体01可设置为沿上下方向延伸的螺旋轴12，摩擦体04滑动连接在螺旋体01上。当摩擦体04受到上下方向作用力时，支撑体05保持固定，而外壳02由于和支撑体05连接也保持固定，进而和外壳02连接的螺旋体01也保持固定，因此，摩擦体04在外力作用下会沿着螺旋体01上下移动，同时，由于螺旋体01的螺旋轴12结构，摩擦体04在上下移动的过程中会发生旋转，从而摩擦体04外壁设有的第二摩擦发电层和外壳02内壁设有的第一摩擦发电层发生滑动摩擦，产生电流。本发明通过在外壳02下端设置浮动体03结构，浮动体03可随水波不断地上下浮动，当浮动体03上下浮动时，浮动体03对摩擦体04施加上下方向的力，例如，可通过在浮动体03上设置推筒31，推筒31伸入到外壳02内部，当浮动体03随波浪上下浮动时，推筒31跟随浮动体03上下移动，推动摩擦体04向上移动或随重力向下移动。浮动体03可选用材质较轻的物体。本发明提供的一种基于摩擦发电的浮标式能量收集器，利用摩擦发电的机制，巧妙地将波浪能转化为电能。

实施例二：

见附图1～6。在实施例一的基础上，所述外壳02为空心圆柱结构；所述外壳02内壁设有若干个沿上下方向延伸的凹槽；所述凹槽内设有第一摩擦发电层；所述第一摩擦发电层包括第一电极层21和第一摩擦层22；所述凹槽从内到外依次设有第一电极层21和第一摩擦层22。由上述结构可知，外壳02为空心圆柱结构，沿上下方向延伸，外壳02内壁设有若干个沿上下方向延伸的凹槽，优选的，若干个凹槽呈圆周阵列分布，如图2所示，凹槽的深度小于外壳的厚度。每个凹槽内均设置有第一摩擦发电层，凹槽从内到外依次设有第一电极层21和第一摩擦层22，也即是第一摩擦层22位于外壳02的最内侧。凹槽内的第一摩擦发电层用于和摩擦体04上的第二摩擦发电层发生滑动摩擦，从而产生电流。

所述螺旋体01包括螺旋轴12，所述螺旋轴12上端连接有固定板11；所述固定板11和外壳02上端连接；所述螺旋轴12上滑动连接有摩擦体04；所述第二摩擦发电层包括第二电极层43和第二摩擦层42；所述摩擦体04外壁依次设有第二电极层43和第二摩擦层42。由上述结构可知，螺旋体01包括固定连接的螺旋轴12和固定板11，螺旋体01通过固定板11和外壳02固定，螺旋轴12和外壳02同轴延伸，螺旋轴12包括轴和围绕轴设置的螺旋叶片，摩擦体04套设在螺旋轴12上，摩擦体04外壁依次设有第二电极层43和第二摩擦层42。摩擦体04上下移动时，会由螺旋轴12带动自转，使得摩擦体04与外壳02发生摩擦，第一摩擦层22和第二摩擦层42发生滑动摩擦，产生电流。

所述第一摩擦层22材料和第二摩擦层42材料存在摩擦电极序差异。由上述结构可知，第一摩擦层22和第二摩擦层42由不同材质制成，存在摩擦电极序差异并优选得失电子差异大的材料，也即对电荷的吸引程度排序各自不同的材料。第一摩擦层22材料和第二摩擦层42材料的摩擦电序列差别越大，摩擦电效应越好。第一摩擦层22可选具有正极性的摩擦电极序材料，例如选用尼龙材料；第二摩擦层42可选具有负极性的摩擦电极序材料，例如选用聚四氟乙烯材料。

所述第一摩擦层22和第二摩擦层42相接触的一侧均设有纳米结构或微米结构。由上述结构可知，第一摩擦层22和第二摩擦层42相接触的一侧均设有纳米结构或微米结构，微米结构或纳米结构可以为纳米线、纳米带、纳米颗粒、纳米沟槽或者纳米空洞等构成的阵列，极大增加了输出电能。

实施例三：

见附图1～6。在实施例二的基础上，所述浮动体03包括推筒31、套板32和浮标34；所述浮标34上端通过弹性件33和所述套板32连接；所述外壳02固定连接在套板32；所述支撑体05与套板32固定连接；所述推筒31固定连接于浮标34上方，且所述推筒31上端穿过套板32并深入到外壳02内；所述推筒31用于对摩擦体04施加上下方向的力。由上述结构可知，浮动体03的底部为浮标34，由于波浪的浮动，带动浮标34上下移动，弹性件33的两端固定在浮标34和套板32上，浮标34的上下移动使弹性件33压缩或拉伸；套板32与支撑体05连接，支撑体05保持固定，因此套板32保持固定，外壳02和螺旋体01放置在套板32上也保持固定，因此推筒31会在浮标34的浮动下上下移动，推动摩擦体04向上移动，或随重力向下移动。

所述推筒31设置于所述浮标34的中心；所述弹性件33为两组，且关于推筒31对称设置；所述支撑体05包括支撑板52以及与所述支撑板52固定连接的支撑轴51；所述支撑板52固定不动；所述支撑轴51与所述套板32固定连接。由上述结构可知，套板32与支撑体05连接，支撑轴51与支撑板52连接，支撑板52保持固定，因此套板32保持固定。推筒31设置在浮标34的中心，弹性件33为两组，且关于推筒31对称设置，当波浪浮动时，能使推筒31更好地对摩擦体04施加沿上下方向的力。工作原理为：当波浪浮动时，浮标34在波浪表面上下浮动，弹性件33的两端分别与浮标34和套板32固定。由于支撑体05的作用，套板32、外壳02和螺旋体01保持固定，因此推筒31会在浮标34的带动下上下移动，推筒31推动摩擦体04向上运动，或者随着重力向下移动；由于摩擦体04套在螺旋轴12上，摩擦体04在移动的过程中会发生旋转，与外壳02内侧发生滑动摩擦，产生电流。

所述弹性件33为弹簧。由上述结构可知，当波浪浮动时，带动浮标34上下移动，浮标34的上下移动使弹簧压缩或拉伸；弹性件33为弹簧，具有较大的弹性变形能力。

所述浮标34的材料为塑料。由上述结构可知，塑料材质的浮标34轻便、耐腐蚀、易于加工和成型，例如塑料材料可使用高密度聚乙烯或聚氯乙烯等。

实施例四：

见附图1～6。在实施例三的基础上，还包括储能模块，所述储能模块和发电模块通过导线连接。由上述结构可知，本发明的基于摩擦发电的浮标式能量收集器还包括储能模块，储能模块可用于收集储存发电模块产生的电能。发电模块产生电流后，可以通过在第一电极层21和第二电极层43之间接入导线，给电子设备充电。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。