用于摩擦纳米发电机的随机环境能收集和稳定释放装置

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，特别是涉及用于摩擦纳米发电机的随机环境能收集和稳定释放装置。

背景技术

摩擦纳米发电机是一种高效的微小机械能-电能转换装置，相较于传统的电磁感应发电装置，其具有微型化、应用场景多元化、制造工艺简单等特点。目前利用摩擦纳米发电机收集环境中的机械能(如风、水流、波浪、各种运动物体或生物体)，因受到这些运动随机性和不稳定性限制，其有效应用受到了严重制约。

发明内容

本发明提供一种用于摩擦纳米发电机的随机环境能收集和稳定释放装置，解决了现有的稳定装置效率低，频率稳定性不高等缺点，提高了能量收集效率，同时可以实现完全恒定的频率输出。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于摩擦纳米发电机的随机环境能收集和稳定释放装置，包括：

能量收集和存储模块，包括能量收集机构，所述能量收集机构通过第一变速机构与储能轴动力连接，还包括储能弹簧、释能齿轮，所述释能齿轮空套在储能轴上，所述储能弹簧的一端与储能轴连接，另一端与释能齿轮连接，储能轴通过单向轴承安装在储能支架上，实现单向旋转；

能量控制释放模块，包括相互配合的擒纵轮、擒纵杆，所述擒纵轮通过同轴连接的齿轮与释能齿轮动力连接，所述擒纵杆铰接于擒纵支架上平设的安装轴，所述安装轴上固定有弹簧片，所述擒纵杆上设有卡槽，所述弹簧片滑动配合于卡槽内；

能量转换模块，包括第二变速机构、发电机构，第二变速机构分别与擒纵轮、发电机构动力连接。

优选地，所述第一变速机构为减速齿轮传动机构，第一变速机构的输入齿轮与能量收集机构连接，第一变速机构的输出齿轮与储能轴通过安全联轴器同轴固定连接。

优选地，弹簧片通过压板、螺栓固定在轴上，卡槽上设有调节压紧弹簧片的紧定螺栓。

优选地，所述擒纵杆的两端分别设有质量块，质量块的质量和弹簧片的刚度决定擒纵杆的摆动频率。

优选地，所述发电机构包括摩擦转子、摩擦定子、间距调节装置，其中，所述摩擦转子与擒纵轮动力连接，所述间距调节装置用于调节摩擦转子、摩擦定子之间的摩擦力。

优选地，所述第二变速机构具有飞轮，用于稳定输出电能。

优选地，所述能量收集机构包括固定安装座，所述固定安装座上沿竖向滑动配合有滑动杆，滑动杆的一端连接浮子，用于收集能量，滑动杆的另一端铰接连杆的一端，连杆的另一端铰接曲柄，所述曲柄通过第一变速机构与储能轴动力连接。

优选地，所述浮子呈向下的半球形，浮子与滑动杆之间为刚性连接。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明所描述的装置，储能弹簧的能量通过所设计的摆动杆擒纵机构控制释放，解决了当前摩擦纳米发电的能量收集装置中仅依靠飞轮和储能弹簧共同作用下，一次性释放储能弹簧储存的所有能量，飞轮转速由快变慢，摩擦电单元互相作用的速度越来越低，输出仍然不稳定的问题。该装置的能量转换和输出单元在所设计的摆动杆擒纵机构和飞轮的共同作用下实现匀速旋转，输出频率完全恒定。

本装置通过中间控制释放模块将能量收集和能量转换输出模块分开独立工作，解决了当前摩擦纳米发电的能量收集装置中在飞轮释放能量时会停止收集外界能量，导致能量收集效率低的问题，使得能量收集和能量释放均连续工作，不相互干涉，时间上完全并行，能量收集效率是现有装置的2倍。

本装置所设计的用于波浪能收集的浮子滑动杆机构可以实现上下运动两个方向的能量收集，解决了当前能量收集机构仅收集一个方向能量(即只收集了一个运动周期中的一半能量)的问题，变单行程收集为双行程收集，将能量利用率提高到类似装置的2倍。

本发明理论上将目前的频率稳定装置的能量收集效率提高4倍，同时可以实现完全恒定的频率输出。

附图说明

图1a、图1b为本发明的结构示意图；

图2为本发明的能量流动路径图；

图3为能量控制释放模块的结构示意图；

图4为能量控制释放模块的工作示意图；

图5为能量收集机构的结构示意图；

图6为能量转换模块的结构示意图；

图7为摩擦转子的结构示意图；

图8为摩擦定子的结构示意图。

附图标记

附图中，1-浮子，2-固定安装座，3-滑动杆，4-连杆，5-曲柄，6-导向套，7-轴Ⅰ，8-齿轮Z

具体实施方式

参见图1a-图8，一种用于摩擦纳米发电机的随机环境能收集和稳定释放装置，该装置总体上可以分为三个功能模块，现分别描述如下：

模块Ⅰ为能量收集和存储模块，包括图1(包括图1a、图1b)中的编号零件1至17，其工作过程表述如下：波浪的上下起伏由浮子1传递到滑动杆3上，实现滑动杆3的上下往复直线运动，通过连杆4传递后，实现曲柄5的圆周运动，经轴Ⅰ7和齿轮系(第一变速机构，包括零件8，9，10，11，12，13)，再经安全联轴器14传递到轴Ⅳ15(储能轴)，最后由储能轴驱动并压缩储能弹簧17实现能量存储。安全联轴器作用是当储能弹簧被压缩到极限位置时，扭矩超过安全联轴器传递的最大扭矩，可以实现前端轴(轴Ⅲ13)空转，而储能弹簧的轴Ⅳ不动。储能弹簧17一端固定在轴Ⅳ上，一端安装在齿轮Z

模块Ⅱ为能量控制释放模块，包括图1中编号零件18，19，20，31，32，33，其工作过程表述如下：摆动擒纵杆33在弹簧片32控制下来回摆动(绕x轴方向)，擒纵轮18由齿轮Z

模块Ⅲ为能量转换模块，包括图1中编号零件21至30，其工作过程表述如下：齿轮Z

该装置能量流动路径如图2所示。

本装置所设计的杠杆擒纵机构如图3所示，由擒纵轮18、弹簧片卡槽36、摆动擒纵杆33、质量块39、弹簧片32和压板37构成。擒纵轮18的动力由储能弹簧通过图3中零件20的齿轮和零件19的轴得到，擒纵轮上设计有一定数量的轮齿，当轮齿下侧与摆动擒纵杆下叉接触时，受下叉作用停止运动，同时摆动擒纵杆在弹簧片32的作用下向图中y正向摆动，使得下叉逐渐脱离擒纵轮，擒纵轮开始转动，同时擒纵轮齿上侧面与摆动擒纵杆33上叉接触，推动摆动擒纵杆摆动，即给摆动擒纵杆提供能量。擒纵轮和摆动擒纵杆之间的周期性作用如图4所示。摆动擒纵杆的摆动频率由质量块39的质量和弹簧片32的刚度大小确定。2个质量块安装在摆动擒纵杆上下两端，弹簧片弹簧片卡槽36和压板37安装在摆动擒纵杆33上，摆动擒纵杆33绕轴31摆动。与其他各种擒纵机构相比，本机构更为简单、可靠、效率高，且不受重力影响，可以放置于任意位置。

本装置所设计的用于波浪能收集的浮子滑动杆机构可以实现上下运动两个方向的能量收集，解决了当前能量收集机构仅收集一个方向能量(即只收集了一个运动周期中的一半能量)的问题，变单行程收集为双行程收集，将能量利用率提高到类似装置的2倍。浮子滑动杠杆机构如图5所示。其中，浮子1为球状形状，浮子与滑动杆3之间为刚性连接，滑动杆3在固定安装座2内上下滑动，固定安装座2通过支座刚性安装在本装置的底板上(图中支座、底板尚未连接)。滑动杆3和连杆4通过销连接，销与销孔之间为间隙配合，连杆4与曲柄5之间也为销连接，销与销孔之间为间隙配合。曲柄5与轴Ⅰ7之间为过盈配合。浮子1的上下运动，通过滑动杆3，连杆4和曲柄5带动轴Ⅰ7做单向转动，驱动零件8的齿轮Z

本装置的发电模块由摩擦转子、摩擦定子、间距调节装置构成，结构如图6所示。摩擦转子如图7所示，包括转盘及粘附在转盘上的起电金属膜构成，起电金属膜底层为聚酰亚胺(PI)，上层为一定图案(如图7所示)金属涂层，材料为铜。摩擦定子则由固定片、电极、摩擦薄膜构成，结构如图8所示，固定片为亚克力板，安装在间距微调装置上；电极为聚酰亚胺(PI)衬底上溅射有一定形状(如图8所示)的金属图案(材料为铜)的薄片；摩擦薄膜材料为全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)。

该装置除了上述波浪能收集以外的应用场景还可以用于水流能和风能的收集，将图1装置中零件1，2，3，4，5组成的曲柄滑块机构更换为叶片式旋转机构即可实现风能和水流能的收集和转换。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。