一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置

1.本实用新型涉及一种流体能收集装置，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置。


背景技术：

2.现如今，人类社会正面临着许多紧迫的问题，如能源危机、气候变化、环境污染等。为了缓解这些因过度开采化石燃料而造成的问题，开发可再生的清洁能源是一种理想的解决方法。流体能，如风能或水流能，在自然界中广泛存在，其中蕴含着巨大的能量，对它的开发和利用有望缓解当今世界面临的能源危机。
3.摩擦起电效应是接触起电现象中的一种，指的是当两种不同材料经过接触后，其表面会开始产生带电的现象。摩擦纳米发电机(通常缩写为teng)结合了摩擦起电效应及静电场诱导，可以有效转换环境中机械能。teng作为一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。
4.目前，已有多种结构的基于teng的流体能收集装置，例如专利cn114710059a所公开的一种用于采集风能的摩擦纳米发电机。然而，现有的基于teng的流体能收集装置中，其摩擦层通常均采用固体膜结构，摩擦层之间为固-固接触，其产生滑动摩擦会不断加大材料的磨损程度，缩短器件的使用寿命；另一方面，这种接触使得两摩擦层之间摩擦阻力过大，为克服摩擦力则需消耗大量的机械能，在能量输入较低时不能工作，工作时能量转化效率低，器件输出性能小。
5.上述技术问题需要解决。


技术实现要素：

6.针对现有技术之不足，本实用新型的目的在于提供一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，有利于降低摩擦层之间滑动摩擦带来的机械磨损，增强器件的耐久性，降低摩擦层之间的摩擦阻力从而提高能量转化效率，提升器件的输出性能。
7.为实现上述目的，本实用新型特提供了一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，包括第一转盘组件和第二转盘组件；
8.所述第一转盘组件包括第一基板及两个由内至外同轴固定于第一基板上的第一转筒，其中，位于内层的内层第一转筒的外表面设有第一摩擦层，位于外层的外层第一转筒的内表面设有第二摩擦层；
9.所述第二转盘组件包括第二基板及一个固定于第二基板上的第二转筒，所述第二转筒的内表面设有第二摩擦层、外表面设有第一摩擦层；
10.所述第二转筒同轴置入内层第一转筒与外层第一转筒之间的间隙，且内层第一转筒上的第一摩擦层与第二转筒上的第二摩擦层、外层第一转筒上的第二摩擦层与第二转筒
上的第一摩擦层分别组合形成摩擦发电单元；当第一转筒与第二转筒受力并发生相对运动时，第一摩擦层与对应的第二摩擦层进行摩擦发电；
11.各所述第一摩擦层均为固体膜结构，各所述第二摩擦层均为绒毛结构。
12.作为对本实用新型技术方案的进一步改进，所述第一摩擦层的内表面与电极组件相接触，所述电极组件包括固定于相应转筒外表面且相互隔离的第一电极和第二电极；当第一转筒与第二转筒受力并发生相对运动时，所述第一电极和第二电极上分别产生感应电荷并形成感应电势差。
13.作为对本实用新型技术方案的进一步改进，所述第一电极和第二电极设于同一圆筒状金属片表面。
14.作为对本实用新型技术方案的进一步改进，所述第一转盘组件还包括固定于第一基板上的第一驱动筒，所述第一驱动筒的外侧面设有若干沿圆周方向均匀分布的第一扇叶。
15.作为对本实用新型技术方案的进一步改进，所述第二转盘组件还包括固定于第二基板上的第二驱动筒，所述第二驱动筒的外侧面设有若干沿圆周方向均匀分布的第二扇叶。
16.作为对本实用新型技术方案的进一步改进，所述第一扇叶与第二扇叶错位布置，使得所述第一驱动筒与第二驱动筒在同一流体冲击下反向转动。
17.作为对本实用新型技术方案的进一步改进，所述第一转筒的数量为n个，n大于或等于3；此时，所述第一转盘组件还包括至少一个位于内层第一转筒与外层第一转筒之间的中间第一转筒，所述中间第一转筒的外表面设有第一摩擦层、内表面设有第二摩擦层；
18.所述第二转筒的数量为n-1个；此时，各所述第二转筒由内至外同轴固定于第二基板，且所述第二转筒依次同轴置入相邻第一转筒之间的间隙。
19.作为对本实用新型技术方案的进一步改进，所述第一基板和第二基板上均设有用于将摩擦发电单元并联起来的电极导体。
20.作为对本实用新型技术方案的进一步改进，所述第一摩擦层为fep膜结构。
21.作为对本实用新型技术方案的进一步改进，所述第二摩擦层包括若干周向均匀分布并相互隔离的法兰绒毛条，所述法兰绒毛条以粘接方式设于相应转筒的内表面。
22.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益技术效果：
23.本实用新型提供的一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，当第一转筒与第二转筒受力并发生相对运动时，固体膜结构的第一摩擦层与绒毛结构的第二摩擦层之间为软接触结构，相比于固-固接触，软接触结构有利于降低摩擦层之间滑动摩擦带来的机械磨损，增强了器件的耐久性，降低了摩擦层之间的摩擦阻力从而提高能量转化效率，提升了器件的输出性能。
24.本实用新型附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
25.图1为本实用新型的立体图；
26.图2为本实用新型的第一转盘组件的立体图；
27.图3为本实用新型的第一转盘组件的俯视图；
28.图4为本实用新型的第二转盘组件的立体图；
29.图5为本实用新型的第二转盘组件的俯视图；
30.图6为本实用新型的电极组件的结构示意图；
31.图7为本实用新型的第一摩擦层的结构示意图；
32.图8为本实用新型的第二摩擦层的结构示意图。
具体实施方式
33.下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
34.实施例1
35.如图所示：本实施例提供了一种流体能收集装置，其为基于摩擦纳米发电机的应用，因此即为一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置；该装置包括第一转盘组件1和第二转盘组件2，第一转盘组件1与第二转盘组件2可发生相对转动。
36.第一转盘组件1包括第一基板101及两个由内至外同轴固定于第一基板101上的第一转筒102，其中，位于内层的内层第一转筒102a的外表面设有第一摩擦层3，位于外层的外层第一转筒102b的内表面设有第二摩擦层4。第一基板101采用硬质绝缘材料制成，第一基板101可为圆形板结构，此时第一转筒102与第一基板101同轴固定设置，且第一转筒102垂直于第一基板101的上表面。
37.第二转盘组件2包括第二基板201及一个固定于第二基板201上的第二转筒202，第二转筒202的内表面设有第二摩擦层4、外表面设有第一摩擦层3。第二基板201采用硬质绝缘材料制成，第二基板201可为圆形板结构，此时第二转筒202与第二基板201同轴固定设置，且第二转筒202垂直于第二基板201的下表面；在装配时，第一基板101与第二基板201相平行，第一基板101位于第二基板201下方。为便于第一转盘组件1、第二转盘组件2的灵活转动，内层第一转筒102a内形成用于供转轴穿过的通道，第一基板101及第二基板201上均设有相应的轴孔及轴承，以与转轴配合。
38.第二转筒202同轴置入内层第一转筒102a与外层第一转筒102b之间的间隙，且内层第一转筒102a上的第一摩擦层3与第二转筒202上的第二摩擦层4、外层第一转筒102b上的第二摩擦层4与第二转筒202上的第一摩擦层3分别组合形成摩擦发电单元；当第一转筒102与第二转筒202受力并发生相对运动时，第一摩擦层3与对应的第二摩擦层4进行摩擦发电；摩擦发电的原理与现有技术相同，在此不再赘述；第一转筒102与第二转筒202发生相对转动的作用力可来源于流体能，即风能或者流水能。
39.各第一摩擦层3均为固体膜结构，各第二摩擦层4均为绒毛结构；作为示例，第一摩擦层3可为fep膜结构(fep全称为fluorinated ethylene propylene，即氟化乙烯丙烯共聚物)；第二摩擦层4可包括若干周向均匀分布并相互隔离的法兰绒毛条，法兰绒毛条以粘接方式设于相应转筒的内表面。
40.当第一转筒102与第二转筒202受力并发生相对运动时，固体膜结构的第一摩擦层
3与绒毛结构的第二摩擦层4之间为软接触结构，相比于固-固接触，软接触结构有利于降低摩擦层之间滑动摩擦带来的机械磨损，增强了器件的耐久性，降低了摩擦层之间的摩擦阻力从而提高能量转化效率，提升了器件的输出性能。
41.实施例2
42.本实施例提供的一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置(风能收集装置或者水能收集装置)，是在实施例一基础上改进而得，因此对于二者相同的结构及原理，不再重复赘述。
43.本实施例进一步给出了流体能收集装置的发电结构，此时，第一摩擦层3的内表面与电极组件5相接触，电极组件5包括固定于相应转筒外表面且相互隔离的第一电极501和第二电极502；当第一转筒102与第二转筒202受力并发生相对运动时，第一电极501和第二电极502上分别产生感应电荷并形成感应电势差，从而在电路回路中产生交流电。
44.具体而言，第一电极501和第二电极502可设于同一圆筒状金属片表面；以圆筒状铝片为例，第一电极501可包括若干矩形条状的第一电极501单元，相邻的第一电极501单元电连接，第二电极502也包括若干矩形条状的第二电极502单元，相邻的第二电极502单元电连接，第一电极501单元与第二电极502单元间隔排列。
45.实施例3
46.本实施例提供的一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，是在实施例1、2基础上改进而得，因此对于二者相同的结构及原理，不再重复赘述。
47.本实施例进一步给出了流体能收集装置的驱动结构，此时，第一转盘组件1还包括固定于第一基板101上的第一驱动筒103，第一驱动筒103的外侧面设有若干沿圆周方向均匀分布的第一扇叶104；当流体冲击第一扇叶104时，第一驱动筒103发生转动，由此使得第一转盘组件1整体发生转动，第一转筒102与第二转筒202则发生相对转动。
48.为了提高对流体能的利用效率，第二转盘组件2也可设置相关驱动部件；此时，第二转盘组件2还包括固定于第二基板201上的第二驱动筒203，第二驱动筒203的外侧面设有若干沿圆周方向均匀分布的第二扇叶204。
49.而为了提高发电效率，同时使得装置结构紧凑，第一扇叶104与第二扇叶204可错位布置，使得第一驱动筒103与第二驱动筒203在同一流体冲击下反向转动，即第一驱动筒103沿顺时针转动时，第二驱动筒203则沿逆时针转动。错位布置是指在装配完成后，第一扇叶104与第二扇叶204具有不同的延伸方向，且这种延伸方向是可以使得第一驱动筒103与第二驱动筒203发生反向转动的；例如，当垂直投影于第一基板101表面时，第一扇叶104与对应位置的第二扇叶204可形成“x”形投影。
50.实施例4
51.本实施例提供的一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，是在实施例1至3基础上改进而得，因此对于二者相同的结构及原理，不再重复赘述。
52.本实施例进一步给出了流体能收集装置的扩展结构，此时，第一转筒102的数量为n个，n等于3(当然根据相同的原理，n也可以大于3)；此时，第一转盘组件1还包括一个位于内层第一转筒102a与外层第一转筒102b之间的中间第一转筒102c，中间第一转筒102c的外表面设有第一摩擦层3、内表面设有第二摩擦层4；第二转筒202的数量比第一转筒102的数量少一个；第二转筒202的数量为2个；此时，各第二转筒202由内至外同轴固定于第二基板
201，且第二转筒202依次同轴置入相邻第一转筒102之间的间隙，形成了相对独立的摩擦发电单元。
53.为了将同一转筒上的摩擦发电单元连接起来，第一基板101和第二基板201上均设有用于将摩擦发电单元并联起来的电极导体6；第一基板101的电极导体6与第二基板201的电极导体6均可为金属片结构，各设置两片，可将同轴的各层电极连接起来，并通过导线连接形成完整输出电路。
54.以上的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，其特征在于：包括第一转盘组件和第二转盘组件；所述第一转盘组件包括第一基板及两个由内至外同轴固定于第一基板上的第一转筒，其中，位于内层的内层第一转筒的外表面设有第一摩擦层，位于外层的外层第一转筒的内表面设有第二摩擦层；所述第二转盘组件包括第二基板及一个固定于第二基板上的第二转筒，所述第二转筒的内表面设有第二摩擦层、外表面设有第一摩擦层；所述第二转筒同轴置入内层第一转筒与外层第一转筒之间的间隙，且内层第一转筒上的第一摩擦层与第二转筒上的第二摩擦层、外层第一转筒上的第二摩擦层与第二转筒上的第一摩擦层分别组合形成摩擦发电单元；当第一转筒与第二转筒受力并发生相对运动时，第一摩擦层与对应的第二摩擦层进行摩擦发电；各所述第一摩擦层均为固体膜结构，各所述第二摩擦层均为绒毛结构。2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，其特征在于：所述第一摩擦层的内表面与电极组件相接触，所述电极组件包括固定于相应转筒外表面且相互隔离的第一电极和第二电极；当第一转筒与第二转筒受力并发生相对运动时，所述第一电极和第二电极上分别产生感应电荷并形成感应电势差。3.根据权利要求2所述的一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，其特征在于：所述第一电极和第二电极设于同一圆筒状金属片表面。4.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，其特征在于：所述第一转盘组件还包括固定于第一基板上的第一驱动筒，所述第一驱动筒的外侧面设有若干沿圆周方向均匀分布的第一扇叶。5.根据权利要求4所述的一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，其特征在于：所述第二转盘组件还包括固定于第二基板上的第二驱动筒，所述第二驱动筒的外侧面设有若干沿圆周方向均匀分布的第二扇叶。6.根据权利要求5所述的一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，其特征在于：所述第一扇叶与第二扇叶错位布置，使得所述第一驱动筒与第二驱动筒在同一流体冲击下反向转动。7.根据权利要求1至6任一项所述的一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，其特征在于：所述第一转筒的数量为n个，n大于或等于3；此时，所述第一转盘组件还包括至少一个位于内层第一转筒与外层第一转筒之间的中间第一转筒，所述中间第一转筒的外表面设有第一摩擦层、内表面设有第二摩擦层；所述第二转筒的数量为n-1个；此时，各所述第二转筒由内至外同轴固定于第二基板，且所述第二转筒依次同轴置入相邻第一转筒之间的间隙。8.根据权利要求7所述的一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，其特征在于：所述第一基板和第二基板上均设有用于将摩擦发电单元并联起来的电极导体。9.根据权利要求1至6任一项所述的一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，其特征在于：所述第一摩擦层为fep膜结构。
10.根据权利要求1至6任一项所述的一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，其特征在于：所述第二摩擦层包括若干周向均匀分布并相互隔离的法兰绒毛条，所述法兰绒毛条以粘接方式设于相应转筒的内表面。

技术总结
本实用新型公开了一种基于摩擦纳米发电机的流体能收集装置，包括第一转盘组件和第二转盘组件；第一转盘组件包括第一基板及第一转筒，内层第一转筒的外表面设有第一摩擦层，外层第一转筒的内表面设有第二摩擦层；第二转盘组件包括第二基板及一个第二转筒，第二转筒的内表面设有第二摩擦层、外表面设有第一摩擦层；第二转筒同轴置入内层第一转筒与外层第一转筒之间的间隙，且内层第一转筒上的第一摩擦层与第二转筒上的第二摩擦层、外层第一转筒上的第二摩擦层与第二转筒上的第一摩擦层分别组合形成摩擦发电单元；各第一摩擦层均为固体膜结构，各第二摩擦层均为绒毛结构。本实用新型有利于降低摩擦层之间滑动摩擦带来的机械磨损，增强器件的耐久性。增强器件的耐久性。增强器件的耐久性。


技术研发人员：陈杰 李霖
受保护的技术使用者：重庆师范大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/3