一种基于纳米摩擦发电的圆台形摆动风力发电装置

技术领域

本发明涉及风能发电领域，具体涉及一种基于纳米摩擦发电的圆台形摆动风力发电装置。

背景技术

随着经济的快速发展，人们对绿色可再生能源的需求越来越大。作为最重要的可再生能源之一以及自然界的绿色能源，风能吸引了越来越多的人关注。它们以可再生、绿色能源等优点被人们广泛研究利用。风能发电的原理就是将风的动能转化为风力发电机的机械能，风力发电机再把机械能转化为电能两个过程。目前，将机械能转化为电能的方式主要包括三大类：压电、电磁感应、静电。

其中，传统的风力发电机大都是通过电磁感应发电且是扇叶式，这种风力发电机不仅巨大、笨重、噪音大，而且十分昂贵且维修养护成本很高，最不可忽略的一点是风力涡轮机会对鸟类造成严重生命损伤。针对以上情况，来自西班牙的一家公司就制造出了没有叶片的风力发电机。这款风力发电机没有扇叶结构，它能像稻草一样，只要在风中摇摆就能发电。但是它的发电模式仍然是电磁感应的，不适用于低频环境下的风能，这就导致其发电效率较低。另外，压电式风能发电系统由于常规压电材料复杂的化学成分及晶体结构，存在难以实现大功率与小尺寸相结合的缺陷；进一步地，在摩擦式发电机中，包含由两个极性相反的材料构成的摩擦界面，当摩擦界面受到外力挤压时则会相互接触并摩擦，由此接触带电引起的表面电荷转移，从而实现了将机械能转变成电能的过程。基于这一效应，人们设计了许多基于摩擦发电收集风能的装置。但是，现有的通过摩擦发电的风能收集装置均存在结构复杂、体积笨重且成本高、风能收集范围小，对风能收集的效率很低、发电效率低，容易受到风力较弱以及风向的限制。

发明内容

基于现有风能收集摩擦发电装置存在的上述缺陷，本发明提供了一种加工和使用成本低、方便制造、占地面积小且能够高效地利用风能(即使在风量较小的环境中)实现摩擦发电的基于纳米摩擦发电的圆台形摆动风力发电装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于纳米摩擦发电的圆台形摆动风力发电装置，包括圆台形风能捕捉部件、圆台形摩擦发电部件以及轴承部件；其中：

所述圆台形风能捕捉部件以及圆台形摩擦发电部件均由导电材料制成；

所述圆台形风能捕捉部件以及圆台形摩擦发电部件内部均为中空结构，所述圆台形风能捕捉部件的内表面以及圆台形摩擦发电部件的外表面分别覆有正极或负极摩擦发电薄膜对；

所述轴承部件包括与土体相连接的底座以及与底座晃动连接的外部套筒，所述外部套筒内部设有支撑组件，所述支撑组件底部与压缩弹簧相连接；

所述圆台形风能捕捉部件与轴承部件的外部套筒相连接；所述圆台形摩擦发电部件设置于所述圆台形风能捕捉部件的内部，并与所述支撑组件相连接；

所述轴承部件的外部套筒通过弹簧装置与土体相连接。

进一步地，所述圆台形风能捕捉部件的底面圆心与圆台形摩擦发电部件的底面圆心重合；且所述圆台形风能捕捉部件的底面圆心或圆台形摩擦发电部件的底面圆心与所述轴承部件的重心位于一条直线上。

进一步地，所述圆台形风能捕捉部件通过螺纹连接的方式与所述外部套筒相连接；所述支撑组件由柱形连接件和与柱形连接件螺纹配合的调节螺栓构成，所述柱形连接件与压缩弹簧相固定，所述圆台形摩擦发电部件与调节螺栓的顶部相连接。

进一步地，所述圆台形摩擦发电部件通过螺栓固定或螺纹配合的方式与所述支撑组件中的调节螺栓相连接。

作为优选，所述圆台形摆动风力发电装置还包括设置于土体下方的固定支座，所述固定支座用于与支撑组件中的压缩弹簧相连接。

进一步地，所述弹簧装置由拉伸弹簧和可拉伸丝杠组成，所述拉伸弹簧一端与轴承部件的外部套筒相连接，另一端与可拉伸丝杆相连接；所述可拉伸丝杆包括用于与土体相连接的安装支架，所述安装支架上螺纹配合螺栓，所述螺栓与拉伸弹簧相固定。

进一步地，所述轴承部件中的底座与外部套筒之间通过设置多个滚球进行晃动连接。

作为优选，所述圆台形风能捕捉部件、圆台形摩擦发电部件均由铝质材料制成；所述圆台形风能捕捉部件的内表面覆有硅胶层，所述圆台形摩擦发电部件的外表面覆有尼龙层。

作为进一步优选，所述圆台形风能捕捉部件的内表面以及圆台形摩擦发电部件的外表面通过等离子刻蚀的方式进行表面处理。

作为优选，所述圆台形风能捕捉部件的拔模角度为2.7°，所述圆台形摩擦发电部件的拔模角度为1.7°。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、本发明所述的圆台形摆动风力发电装置通过将风能捕捉部件以及摩擦发电部件分别设置成圆台形，以及将轴承部件设置成可随风晃动的结构，所述风能捕捉部件以及摩擦发电部件分别与轴承部件相连接，在具体使用过程中，所述圆台形风能捕捉部件通过收集风能转变为机械能，并通过轴承部件进行不定向晃动；所述圆台形摩擦发电部件通过外部风能捕捉部件的不定向摆动进行不断接触分离从而产生电能。与现有风能收集摩擦发电装置相比，本发明所述的圆台形摆动风力发电装置，具有以下特点：

(1)装置整体仅由风能捕捉部件、摩擦发电部件、轴承部件以及将轴承部件与土体相固定的弹簧装置构成，因此，在实现风力发电的前提下，一方面：本发明所述的风力发电装置具有体积小、占地面积小的优势，相比于同类型装置，可以实现在同样的面积上摆放的数量更多；另一方面，构成发电装置的零部件较少，使得本发明所述发电装置装配简单、整体造价低，且易于生产制造。

(2)本发明将风能捕捉部件以及摩擦发电部件分别设置成圆台形，且通过Z向的位置调节使得所述圆台形风能捕捉部件的底面圆心与圆台形摩擦发电部件的底面圆心重合；且所述圆台形风能捕捉部件的底面圆心或圆台形摩擦发电部件的底面圆心与所述轴承部件的重心位于一条直线上；这种结构设置一方面，可以实现本发明所述的风力发电装置即使在风力较小的环境中，也可产生风能捕捉部件与摩擦发电部件之间的接触摩擦；另一方面：还可以有效保证外部风能捕捉部件晃动时，其内表面可以与内部摩擦发电部件的外表面紧密贴合，实现接触面积的最大化，继而达到最佳风能利用率。

(3)本发明巧妙设计了由底座、滚球、外部套筒、弹簧、调节螺栓以及柱形连接件构成的轴承部件，该轴承部件在用于固定风能捕捉部件以及摩擦发电部件的同时，还具有随风晃动的特点；将其与拉伸弹簧以及可拉伸丝杠相固定，使其除了具有很好的弹性势能外，还具有不受风向限制的特点，可以很好地解决现有摩擦发电装置浪费风能，发电效率不高的问题。

2、综上，本发明所述的基于纳米摩擦发电的圆台形摆动风力发电装置与现有不同类型的风力发电装置相比，所占空间小，结构简单，体积轻，随风摇摆发电，不包含旋转结构，对野生鸟类无影响，风能利用率高且发电效率不会受风向的影响；此外，相比于传统的只适合安装在风能巨大的环境的风力发电机，本发明提出的新型摩擦发电机不仅可以安装在风能巨大的环境里，而且可以在风量较小的环境中使用，因此具有广泛的应用前景。

附图说明

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述基于纳米摩擦发电的圆台形摆动风力发电装置的立体结构示意图。

图2为本发明实施例所述轴承部件的剖面图。

图3为本发明实施例所述轴承部件的立体结构示意图。

图4为本发明实施例所述可拉伸丝杆立体结构示意图。

图5为本发明所述实施例圆台形摩擦发电部件的立体结构示意图。

图6为本发明所述实施例圆台形风能捕捉部件的立体结构示意图。

图7为本发明所述实施例所述固定支座的结构示意图。

图8为不同风向运动状态下实施例所述圆台形风能捕捉部件以及圆台形摩擦发电部件的俯视图。

标号说明：1、圆台形风能捕捉部件；2、圆台形摩擦发电部件；21、环形边沿；3、轴承部件；31、底座；32、滚球；33、外部套筒；34、柱形连接件；35、压缩弹簧；36、调节螺栓；4、拉伸弹簧；5、可拉伸丝杆；51、安装支架；52、螺栓；6、固定支座；61、圆台；7、土体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：如图1至3所示，一种基于纳米摩擦发电的圆台形摆动风力发电装置，主要由圆台形风能捕捉部件1、圆台形摩擦发电部件2、轴承部件3以及固定支座6构成；其中：

所述圆台形风能捕捉部件1以及圆台形摩擦发电部件2内部均为中空结构；

所述圆台形风能捕捉部件1以及圆台形摩擦发电部件2均由导电材料制成，

所述圆台形风能捕捉部件1的内表面以及圆台形摩擦发电部件2的外表面分别覆有正负极摩擦发电薄膜对；

所述轴承部件3包括与土体7固定连接的底座31以及与底座31晃动连接的外部套筒33，所述外部套筒33内部设有支撑组件，所述支撑组件底部通过压缩弹簧35与设置于土体下方的固定支座6相连接；

所述圆台形风能捕捉部件1与轴承部件的外部套筒33相连接；所述圆台形摩擦发电部件2设置于所述圆台形风能捕捉部件1的内部，并与所述支撑组件相连接；

所述轴承部件3的外部套筒33通过弹簧装置与土体7相连接。

如图5、图6所示，本实施例1中，所述圆台形风能捕捉部件1、圆台形摩擦发电部件2均由铝质材料制成；所述圆台形风能捕捉部件1的内表面覆有硅胶层，所述圆台形摩擦发电部件2的外表面覆有尼龙层。

如图2、图3、图5、图6所示，在本实施例1中，所述支撑组件由柱形连接件34和与柱形连接件34螺纹配合的调节螺栓36构成，所述柱形连接件34与压缩弹簧35相固定，所述圆台形摩擦发电部件2通过螺栓固定或螺纹配合的方式与调节螺栓36相连接；所述圆台形风能捕捉部件1的底部设有外螺纹，所述轴承部件的外部套筒33顶部设有内螺纹，所述圆台形风能捕捉部件1通过螺纹连接的方式与所述外部套筒33相连接。

本实施例1所述的圆台形摆动风力发电装置中，通过改变调节螺栓36的位置，可实现圆台形摩擦发电部件2的上、下位置的调节；通过旋转圆台形风能捕捉部件1使其上下移动，可进行Z方向的位置调节。在具体装配时，通过圆台形风能捕捉部件1以及圆台形摩擦发电部件2上、下及相对位置的调节，将所述圆台形风能捕捉部件1的底面圆心与圆台形摩擦发电部件2的底面圆心调节至重合；并将所述圆台形风能捕捉部件1的底面圆心或圆台形摩擦发电部件2的底面圆心调节至与所述轴承部件3的重心位于一条直线上，从而保证外部风能捕捉部件1晃动时其内表面可以与内部摩擦发电部件2的外表面紧密贴合。

实施例2：如图1、4所示，一种基于纳米摩擦发电的圆台形摆动风力发电装置，与实施例1的区别在于，所述弹簧装置由拉伸弹簧4和可拉伸丝杠5组成，所述拉伸弹簧4一端与轴承部件的外部套筒33相连接，另一端与可拉伸丝杆5相连接；所述可拉伸丝杆5包括用于与土体相连接的固定支架51，所述固定支架51上设有螺栓52，所述螺栓52与拉伸弹簧4相固定。其中，将拉伸弹簧4与可拉伸丝杠5相固定，使得本发明所述的圆台形风力发电装置除了具有很好的弹性势能外，还具有不受风向限制的特点，很好地解决了现有摩擦发电风能收集装置存在的能源浪费，发电效率不高的问题。

实施例3：作为实施例1、实施例2优选的实施方式，所述圆台形风能捕捉部件1的内表面以及圆台形摩擦发电部件2的外采用等离子刻蚀的方式进行表面处理。经表面处理后，表面变得凹凸不平，粗糙度增大，继而有效提高风力发电装置的发电性能。

进一步地，本发明实施例1至3中，所述轴承部件中的底座31与外部套筒33之间通过设置多个滚球32实现晃动连接。

进一步地，在本发明所述的基于纳米摩擦发电的圆台形摆动风力发电装置中，圆台形风能捕捉部件1及圆台形摩擦发电部件2的制备工艺如下：

(1)如图5所示，首先将铝板使用铸造车削的加工方法加工成内部中空、顶部封装的圆台形风能捕捉部件1，并在其底部加工出螺纹结构，以方便与轴承部件进行螺纹连接，然后将圆台形风能捕捉部件1内表面均匀涂覆上硅胶。

(2)如图6所示，将铝板切割成扇形，使用折弯的加工方式将扇形铝板加工成圆台形摩擦发电部件2，然后进行表面处理，除去材质表面上的油污或灰尘，然后施环氧胶，施胶应厚薄均匀、到位，不留粘结盲点，施胶后立即将切割好的尼龙胶带粘接(不允许晾干)，可施加压力。24小时之后测试粘接强度。最后将使用折弯的加工方式将其加工成圆台形摩擦发电部件2，并在其底部焊接用于与调节螺栓36装配固定的环形边沿21。

如图5、图6所示。需要指出的是，所述圆台形风能捕捉部件1以及圆台形摩擦发电部件2均存在一定的拔模角度，这个角度问题需要根据实际情况(包括风速、占地面积、加工精度)进行决定，本发明实施例1至4中，所述圆台形风能捕捉部件1的拔模角度为2.7°，所述圆台形摩擦发电部件2的拔模角度为1.7°。

本发明实施例1至4所述的基于纳米摩擦发电的圆台形摆动风力发电装置的具体安装过程如下：

首先，将轴承部件3的内部支撑组件固定在固定支座6上，挖2m以上的圆坑倒入水泥砂浆先将之前设计加工完成的固定支座6安装固定在水泥砂浆里面。然后将圆台形摩擦发电部件2的底面与支撑组件中可调节螺栓36的顶部完全契合并且使用螺栓固定。然后将圆台形风能捕捉部件1与轴承部件的外部套筒33通过螺纹连接。最后，将可拉伸丝杠5固定在水泥砂浆内部，用拉伸弹簧4将轴承部件的晃动结构与可拉伸丝杠5连接，如图1所示。等水泥砂浆固化后，使用六角螺栓固定轴承部件的外部套筒。最后，在圆台形风能捕捉部件1、圆台形摩擦发电部件2的底部安装导线。

本发明实施例1至4中，由于圆台形风能捕捉部件1与轴承部件的外部晃动结构相连接且结构整体与弹簧装置相连接，使其不仅不受风向的限制还具有较好的弹性势能，可以收集较弱的风能和连续的风能。当受到风力吹动时，可以向各个方向晃动，内部圆台形摩擦发电部件2也为可进行晃动，该结构底部使用弹簧连接，受到外部圆台形风能捕捉部件1撞击时会左右晃动。同时，因为圆台形风能捕捉部件1、圆台形摩擦发电部件2分别固定在不同的位置，因其设置参数的不同，其晃动频率也不会相同。这就保证圆台形风能捕捉部件1的内表面、圆台形摩擦发电部件2的外表面，在晃动时不会因为频率问题而接触不到。

工作原理：首先，由于内部的圆台形摩擦发电部件2与调节螺栓36固定在一起，所以圆台形摩擦发电部件2本身也是可以左右晃动的并且与圆台形风能捕捉部件1的摆动谐振频率不同。

摆动周期T可以由公式(1)得到，其中L表示摆动圆台的长度，g为当地重力加速度。

M＝-mgl sinθ (2)

重力对圆台的摆动力矩可以由公式(2)得到，其中m为质量，g是重力加速度，l是摆长，θ是单摆与竖直方向的夹角。

M＝I×β (3)

I＝m×l

β＝d

摆角θ的关于时间的函数如公式(3)所示，其中公式(4)是单摆的转动惯量，公式(5)是角加速度。

由以上公式可知，圆台形风能捕捉部件1、圆台形摩擦发电部件2由于长度和重量的不同，所以其摆动频率也不相同。通过计算可以得出两者之间存在一个最佳的共振频率，安装时使两者保持这个频率工作，输出性能将会有一个最优值。需要指出的是，外部的圆台形风能捕捉部件1的最大振荡幅度是由内部的圆台形摩擦发电部件2的大小决定的。

如图7所示为本发明所述风力发电装置的俯视图，可以更方便理解此装置收集风能时各结构的运动状态。此时，圆台形风能捕捉部件1内部的硅胶与圆台形摩擦发电部件2外部的尼龙材料不断接触分离，因为硅胶和尼龙两种材料之间存在较大的极性差较强的获得电子的能力，使得电荷在铝电极之间不断流动，从而产生电流。

综上，本发明提供的用来收集风能的圆台形摆动风力发电装置可以在风量较小的环境和瞬间高风能环境中使用，还可以根据不同的环境加工不同高度的装置，比如：安装在野外时，可以加工高度为8米甚至更高的装置，安装在高楼大厦的顶部时，便可以加工3米左右高度的装置。最重要的一点是，本发明完美的利用了摩擦发电适用于低频环境的特点，提高了风能的使用率和发电效率。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。