基于摩擦纳米发电机的风能收集及监测装置

技术领域

本发明涉及能量收集及自供电传感技术领域，具体而言，尤其涉及基于摩擦纳米发电机的风能收集及监测装置。

背景技术

世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。然而，由于这一经济的资源载体将在世纪上半叶迅速地接近枯竭。大力发展可再生能源用可再生能源和原料全面取代生化资源，进行一场新的工业革命，不仅是出于生存的原因，更是为了世界经济可获得持续的发展。

风能资源，是一种清洁的可再生能源，是指由太阳辐射地球表面受热不均，引起大气层中受热不均匀，从而使空气沿着水平方向运动，空气流动所形成的动能。,是太阳能的一种转化形式,但风能开发利用的成本比太阳能开发利用的成本要低,它是可再生能源中最具开发前景的一种能源。

现有的风能收集装置是将风的动能转化为旋转的机械能去推动发电机，以产生电力。但是风速不稳定会影响风力发电的稳定性和可靠性，同时，不同的风速需要不同的风力发电机，增加了建设和维护成本；尽管风力发电的成本较低，但其建设需要大量的资金投入，包括风机、发电机、变压器等设备，以及建设发电场的费用，这使得其投资成本相对较高。

发明内容

根据上述背景技术中提到的技术问题，而提供基于摩擦纳米发电机的风能收集及监测装置。本发明采用的技术手段如下：

基于摩擦纳米发电机的风能收集及监测装置，包括：摆转体、万向轴承、绝缘支撑体、摩擦层、金属电极；

所述摆转体被约束在万向轴承0-15°的摆动角度范围内运动，被约束在绝缘支撑体0-15°摆动角度范围和半径0-30mm的摆动位移范围内运动；所述万向轴承为所述摆转体提供角度约束；

所述绝缘支撑体包括左、右绝缘支撑体；所述绝缘支撑体为摆转体提供角度约束和位移约束；所述摩擦层为PTFE薄膜，粘附在摆转体的外表面，所述金属电极粘附在绝缘支撑体的内侧。

进一步地，所述摩擦纳米发电机收集风能转化为电能储存，同时采集风速和风向等信号将其转换成为电压信号传输至电脑端，进行处理计算后得到气体的状态参数。

进一步地，所述摆转体在气体推动下进行运动，通过所述万向轴承和所述绝缘支撑体约束所述摆转体的运动，所述摆转体的运动带动所述摩擦层运动，所述摩擦层约束在所述绝缘支撑体的内侧，与金属电极接触。

进一步地，所述摆转体的运动包括：随万向轴承的转动及垂直来流风向的左右摆动。

进一步地，所述摆转体带动摩擦层与金属电极接触；根据摩擦电序列，接触起电后，金属电极表面产生净正电荷，在PTFE薄膜的外表面产生净负电荷。

进一步地，当所述摆转体带动所述摩擦层向上摆动时，在下侧金属电极上感应出生负电荷，下侧金属电极上的正电荷将通过外部负载流入上侧金属电极；随着所述摆转体带动所述摩擦层进一步向上摆动，下侧金属电极感应出的负电荷增加，直至所述摩擦层与上侧金属电极上电荷实现静电平衡；当所述摆转体带动所述摩擦层继续向下摆动时，在上侧金属电极上感应出负电荷，正电荷流出，产生反向流动，随着不断地上下摆动，摩擦纳米发电机实现交流电输出；

当所述摆转体带动所述摩擦层从下侧转动到上侧时，在下侧金属电极上感应出生负电荷，下侧金属电极上的正电荷将通过外部负载流入上侧金属电极；随着所述摆转体带动所述摩擦层进一步转动到上侧，下侧金属电极感应出的负电荷增加，更多的正电荷流出，直至摩擦层与上侧金属电极上电荷实现静电平衡；当摆转体带动摩擦层继续从上侧向下侧转动时，在上侧金属电极上感应出负电荷，正电荷流出，产生反向流动，随着摆转体带动摩擦层围绕万向轴承在金属电极上下两侧不停转动，摩擦纳米发电机实现交流电输出。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明解决了风能收集装置结构体型大不便安装以及风向风速监测设备复杂的问题。现有的风速风向测量仪器对安装及测量条件要求严格且过程复杂，而本发明针对不同环境的特点进行设计，装置安装便捷、操作简单且能在高温条件下正常工作。

2、本发明装置小巧且安装便捷，可直接安装在任何交通工具、设备或者高空物体上。本发明结构简单，易于拆装、清理。

3、本发明的特点使得装置适用于任何场景的多点布置，综合多个测量点的测量结果，可以更加均衡、真实地反映实际测量样本的状况。

4、由于本发明采用摩擦纳米发电机技术，摩擦纳米发电机直接可以产生高电压，相比其他信号非常容易收集；同时摩擦纳米发电机的使用可以自供能，无需外接电路，无需改造现有船舶设备的电力系统；而且可以将多余的电能收集储存，作为电源装置为其它设备仪器供电。.

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明的摆转式风能收集及监测装置整体结构示意图。

图2是本发明的摩擦纳米发电机结构示意图。

图3是本发明的摩擦纳米发电机工作原理图。

图中：1、摆转体，2、万向轴承，3、支撑体，4、摩擦层，5、金属电极，6、摩擦纳米发电机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1和图2所示的一种摆动式风能收集及监测装置，具体包括：1、摆转体，2、万向轴承，3、绝缘支撑体，4、摩擦层，5、金属电极。所述摆转体1被约束在万向轴承2的0-15°的摆动角度范围内运动，被约束在绝缘支撑体3的0-15°摆动角度范围和半径0-30mm的摆动位移范围内运动。所述万向轴承2为摆转体1提供角度约束。所述绝缘支撑体3分为左右绝缘支撑体两部分，为摆转体1提供角度约束和位移约束。所述摩擦纳米发电机6包括1、摆转体，3、支撑体，4、摩擦层，5、金属电极，所述摩擦层4为PTFE薄膜，粘附在摆转体外表面，所述金属电极5粘附在绝缘支撑体3内侧。工作状态下：所述摩擦纳米发电机收集风能转化为电能储存，同时采集风速和风向等信号将其转换成为电压信号传输至电脑端，进行处理计算后得到气体的状态参数。

作为一种优选的实施方式，在本申请中，所述摆转体1在气体推动下进行运动，通过万向轴承2和绝缘支撑体3约束摆转体1的运动，摆转体1的运动带动摩擦层4运动，摩擦层4约束在绝缘支撑体3内侧，与金属电极5接触。

作为一种优选的实施方式，在本申请中，所述摆转体1的运动包括随万向轴承的转动及垂直来流风向的左右摆动。

优选地，本发明的工作原理如下：图3是摩擦纳米发电机6的工作原理示意图。摩擦纳米发电机6依赖于接触起电和静电感应效应。摆转体1带动摩擦层4与金属电极5接触；，根据摩擦电序列，接触起电后，金属电极5表面产生净正电荷，在PTFE薄膜的外表面产生净负电荷。根据摆动体的不同运行状态，可分为摆动和转动两种工作模式，下文具体解释两种工作模式.

工作模式一：当摆转体1带动摩擦层4向上摆动时，在下侧金属电极5上感应出生负电荷，下侧金属电极5上的正电荷将通过外部负载流入上侧金属电极5；随着摆转体1带动摩擦层4进一步向上摆动，下侧金属电极5感应出的负电荷增加，更多的正电荷流出，直至摩擦层4与上侧金属电极5上电荷实现静电平衡；当摆转体1带动摩擦层4继续向下摆动时，在上侧金属电极5上感应出负电荷，正电荷流出，产生反向流动，随着不断地上下摆动，摩擦纳米发电机6实现交流电输出。

工作模式二：当摆转体1带动摩擦层4从下侧转动到上侧时，在下侧金属电极5上感应出生负电荷，下侧金属电极5上的正电荷将通过外部负载流入上侧金属电极5；随着摆转体1带动摩擦层4进一步转动到上侧，下侧金属电极5感应出的负电荷增加，更多的正电荷流出，直至摩擦层4与上侧金属电极5上电荷实现静电平衡；当摆转体1带动摩擦层4继续从上侧向下侧转动时，在上侧金属电极5上感应出负电荷，正电荷流出，产生反向流动，随着摆转体1带动摩擦层4围绕万向轴承2在金属电极5上下两侧不停转动，摩擦纳米发电机6实现交流电输出。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。