一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机
本发明涉及振动能发电，具体是一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机。
背景技术：
1、气候变暖、海平面上升、冰川消融等自然环境变化对人类社会的发展构成巨大挑战，迫使人们加速对绿色能源技术的开发。在各种环境能源中，振动作为环境中常见的一种现象，是小型能量收集的理想和充足的能源，如行走的人和动物、工作的机械、波浪和风的流动，其加速度幅值通常为0.01—1g，频率为1—200hz。
2、摩擦纳米发电机能收集低频振动能量，具有发电电压高、体积小、结构简单且制造成本低等优点。电磁发电机能收集高频振动的能量，具有大电流和大输出功率等优点。如果这两种发电方式能够实现优势互补，在低频条件时，摩擦纳米发电机输出大电压小电流，在高频条件时，电磁发电机输出大电流小电压，构成复合式能量收集装置，以提高电输出性能。
3、在实际应用中，低频分量主导着无线传感器等周围的环境振动。然而，传统的线性摩擦纳米发电机难以在低频区域实现大振幅和高速的动态响应，从而导致能量收集效率非常低。为了解决这个问题，提出了具有不同非线性力学机构的非线性摩擦纳米发电机，将低频环境能量有效地转化为电能。然而非线性摩擦纳米发电机的能量采集频段较窄，非线性摩擦纳米发电机的电输出性能还有待进一步提高。因此，亟需一种新型的结合摩擦纳米发电和电磁发电技术而有效利用振动能。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了克服现有技术中发电机的能量采集频段较窄、效率不高的缺陷，而提供一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机，本发明所采取的技术方案如下：
2、一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机，包括机匣、振子，所述振子设置于机匣内，所述混合式摩擦纳米发电机具有摩擦纳米发电机模块和电磁发电机模块；所述摩擦纳米发电机模块包括设置于振子侧方和机匣内侧的至少一对摩擦层，所述摩擦层连接电极层，所述振子相对于机匣运动时使所述至少一对摩擦层相互摩擦及分离；所述电磁发电机模块包括设置于振子侧方和机匣内侧的相配合的线圈和磁铁，所述振子相对于机匣运动时使所述线圈和磁铁相对运动以发生电磁感应；所述摩擦层包括平面形摩擦层和波浪形摩擦层，所述电极层包括与摩擦层相配合的平面形电极层与波浪形电极层。
3、作为优选，所述机匣内侧壁和振子之间设置挡板，所述挡板上具有开口，所述机匣内侧壁和挡板之间容纳一对连接有电极层的摩擦层，所述振子通过传动件穿过所述开口与第一摩擦层传动连接，进而使该第一摩擦层与靠近机匣内侧壁设置的连接有电极层的第二摩擦层相互摩擦及分离。
4、在一些实施例中，所述振子通过穿过所述开口的弹簧与第一摩擦层传动连接；所述电极层包括：平面形与波浪形，所述波浪形电极层设置在所述机匣左右端内侧面、所述弹簧的外侧面和所述上端盖与下端盖的内侧面，所述平面形电极层设置在所述机匣左右端挡板外侧面与所述振子的上下表面；所述摩擦层包括：平面形与波浪形，所述波浪形摩擦层设置在所述机匣左右端内侧面的波浪形电极层之上和所述振子的上下表面的平面形电极层之上，所述平面形摩擦层设置在所述机匣左右端挡板外侧面平面形电极层之上。
5、作为优选，所述挡板朝向机匣内侧壁的一侧设置连接有电极层的第三摩擦层，所述第一摩擦层在传动件的驱动下与第二、第三摩擦层相互摩擦及分离。
6、在一些实施例中，所述第一摩擦层为波浪形摩擦层，第二摩擦层为波浪形摩擦层；所述第三摩擦层为平面形摩擦层。
7、在一些实施例中，还包括连接电极层的设有开槽的开槽波浪形摩擦层，所述开槽波浪形摩擦层位于振子的上下两侧和机匣上下内壁之间。
8、在一些实施例中，所述机匣为对称方形结构，其中间空间放置振子，摩擦层设置于振子上下两侧和左右两侧，振子前后侧设置有圆形槽以嵌设磁铁(圆形钕磁铁)，机匣前后内侧槽内对应磁铁设置线圈(铜线圈)；通过所述振子在机匣内移动，使所述的摩擦层之间产生滑动摩擦及接触分离，从而所述电极层之间产生电位差驱动电荷在电极层之间流动，产生电流。
9、作为优选，所述摩擦层的材料包括ptfe、pet、pdms和fep中的任意一种；所述电极层为铜箔或铝箔。
10、最后，通过上端盖与下端盖将上述电磁发电机模块与摩擦纳米发电机模块的振子等结构封装在机匣内部。
11、本发明的有益效果如下：本装置将摩擦纳米发电机模块以及电磁发电机模块复合设置，可实现低频条件下能输出大电压、小电流，电磁发电机在高频条件下能输出小电流大电压，二者优势互补；所述摩擦纳米发电机模块包括：机匣、振子、弹簧、摩擦层、电极层、上端盖、下端盖；所述电磁发电机模块包括设置于振子和机匣上的磁铁及线圈；本发电结构通过所述振子在机匣内的振动响应来实现摩擦起电及电磁起电；与现有技术相比，本发明的技术方案提高了非线性摩擦纳米发电机能量采集频段较窄，电输出效率不高的缺陷；另外，本发明制造成本低，结构简单，且有效结合了摩擦电和电磁电两种发电技术，大大提高了非线性摩擦纳米发电机在低频下的发电性能。
技术特征：
1.一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机，其特征在于：包括机匣、振子，所述振子设置于机匣内，所述仿波浪形混合式摩擦纳米发电机具有摩擦纳米发电机模块和电磁发电机模块；
2.根据权利要求1所述的一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述机匣内侧壁和振子之间设置挡板，所述挡板上具有开口，所述机匣内侧壁和挡板之间容纳一对连接有电极层的摩擦层，所述振子通过传动件穿过所述开口与第一摩擦层传动连接，进而使第一摩擦层与靠近机匣内侧壁设置的连接有电极层的第二摩擦层相互摩擦及分离。
3.根据权利要求2所述的一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述振子通过穿过所述开口的弹簧与第一摩擦层传动连接。
4.根据权利要求2所述的一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述挡板朝向机匣内侧壁的一侧设置连接有电极层的第三摩擦层，所述第一摩擦层在传动件的驱动下与第二、第三摩擦层相互摩擦及分离。
5.根据权利要求2所述的一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦层为波浪形摩擦层，第二摩擦层也为波浪形摩擦层。
6.根据权利要求4所述的一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第三摩擦层为连接电极的平面形摩擦层。
7.根据权利要求2所述的一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机，其特征在于：还包括连接电极层的设有开槽的开槽波浪形摩擦层，所述开槽波浪形摩擦层位于振子的上下两侧和机匣上下内壁之间。
8.根据权利要求7所述的一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦层设置于振子的上下两侧和左右两侧，所述振子前后侧嵌设磁铁，机匣前后内侧位置对应磁铁设置线圈。
9.根据权利要求1所述的一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦层的材料包括ptfe、pet、pdms和fep中的任意一种；所述电极层为铜箔或铝箔。
技术总结
本发明提供一种仿波浪形混合式摩擦纳米发电机，其包括摩擦纳米发电机模块以及电磁发电机模块；所述摩擦纳米发电机模块包括：机匣、振子、弹簧、摩擦层、电极层、上端盖、下端盖，所述电磁发电机模块包括设置于振子和机匣上的磁铁及线圈；本发电结构通过所述振子在机匣内的振动响应来实现摩擦起电及电磁起电；另外，本发明制造成本低，结构简单，且有效结合了摩擦起电和电磁起电两种发电技术，大大提高了非线性摩擦纳米发电机在低频下的发电性能。
技术研发人员：王晓翠,王洪群,李姿琳,赵淮,朱绍卿,欧阳华江,叶春涵
受保护的技术使用者：温州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5