CN113530752B - 一种波浪能发电装置及其制作方法 - Google Patents

一种波浪能发电装置及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明用于发电技术领域，特别涉及一种波浪能发电装置及其制作方法，波浪能发电装置，包括转筒，转筒外壁安装扇叶，转筒内部设有发电模组，发电模组包括摩擦纳米发电机和电磁发电机，摩擦纳米发电机包括介电薄膜、金属电极和化纤布料，金属电极通过化纤布料贴在转筒内壁，介电薄膜设在电磁发电机的转子的外表面，化纤布料与介电薄膜相互接触。波浪推动转筒旋转，化纤布料转动与转子上的介电薄膜相对摩擦产生电荷，化纤布料会带动转子转动，从而实现电磁发电，波浪能发电装置的制作方法：制备蜗壳和转筒；将转子转动安装在转筒内部，将定子固定在转子的一侧；在转子的外表面贴附介电薄膜；在化纤布料上镀金属电极；将化纤布料贴在转筒内壁。

Description

一种波浪能发电装置及其制作方法
技术领域
本发明用于发电技术领域，特别是涉及一种波浪能发电装置及其制作方法。
背景技术
摩擦纳米发电机是基于摩擦起电和静电感应效应的耦合，当两种正负极性相反的材料在外力驱动下互相接触时，其表面会分别感应出电性相反、电量相等的静电荷；当两种材料的接触表面发生分离时，其表面的静电荷会因为分离而产生的电势差会驱动电子在分别附着于两种材料的表面电极之间流动，从而产生电流输出。
现有的通过摩擦纳米发电机利用波浪能来进行发电的装置，由于摩擦纳米发电机本身具有低电流密度输出的缺陷，所以导致其发电效率不高。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种波浪能发电装置及其制作方法，能够克服摩擦纳米发电机低电流密度输出的缺陷，有效提高发电效率。
第一方面，本发明的一个实施例提供了一种波浪能发电装置，包括转筒，所述转筒外壁安装扇叶，所述转筒内部设有发电模组，所述发电模组包括摩擦纳米发电机和电磁发电机，所述摩擦纳米发电机的电流输出端与所述电磁发电机的电流输出端电连接，所述摩擦纳米发电机包括介电薄膜、金属电极和化纤布料，所述化纤布料贴在所述转筒内壁，所述金属电极设在所述化纤布料与所述转筒内壁之间，所述介电薄膜设在所述电磁发电机的转子的外表面，所述化纤布料与所述介电薄膜相互接触。
本发明实施例的波浪能发电装置至少具有如下有益效果：工作过程中，波浪打在扇叶上从而推动转筒旋转，转筒旋转过程中会带动化纤布料一起转动，化纤布料转动过程中会与电磁发电机的转子上的介电薄膜发生相对摩擦产生电荷，从而在介电薄膜与化纤布料之间形成电势差，电势差会驱使金属电极内部的电荷产生定向移动，从而产生电流，同时，化纤布料与介电薄膜摩擦发电的过程中，化纤布料施加在介电薄膜上的摩擦力会带动电磁发电机的转子转动，从而实现电磁发电，这种将摩擦纳米发电与电磁发电结合在一起的发电装置能够结合两者的输出特性，既可保留摩擦纳米发电机高电压输出的优势，又可以利用电磁发电机在高频段工作的特点采集较高频率的波浪能，从而弥补摩擦纳米发电机低电流密度输出的缺陷，有效提高能量转换效率。
根据本发明的另一些实施例的波浪能发电装置，所述转筒内部设有多个所述发电模组，各所述发电模组沿所述转筒的长度方向依次连接。
根据本发明的另一些实施例的波浪能发电装置，还包括蜗壳，所述蜗壳具有波浪进入的敞口，所述转筒通过转轴安装在所述蜗壳内部，所述转筒与所述转轴转动连接。
根据本发明的另一些实施例的波浪能发电装置，所述电磁发电机的转子具有多个转动块，各所述转动块环向间隔固定在所述转轴上，各所述转动块的外表面均贴有所述介电薄膜。
根据本发明的另一些实施例的波浪能发电装置，所述转动块的外表面为弧形结构。
根据本发明的另一些实施例的波浪能发电装置，各所述转动块内部安装磁铁，所述转子的一侧设置定子。
第二方面，本发明的一个实施例还提供了一种波浪能发电装置的制作方法，包括以下步骤：
用3D打印机制备蜗壳和转筒；
将电磁发电机的转子安装在转筒内部，以使转子能够以转筒的中心轴为转轴进行旋转，沿转筒的长度方向，将电磁发电机的定子固定在转子的一侧；
在电磁发电机的转子的外表面贴附介电薄膜；
在化纤布料上镀金属电极；
将化纤布料贴在转筒内壁，以使金属电极位于转筒内壁与化纤布料之间，且化纤布料与介电薄膜相接触。
根据本发明的另一些实施例的波浪能发电装置的制作方法，沿化纤布料的长度方向，在化纤布料表面依次间隔镀上多个金属电极。
根据本发明的另一些实施例的波浪能发电装置的制作方法，对化纤布料表面改性处理以提高疏水性能。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图；
图2是本发明一个实施例中转筒内部的结构示意图；
图3是本发明一个实施例中电磁发电机的开路电压和短路电流输出示意图；
图4是本发明一个实施例中摩擦纳米发电机的开路电压和短路电流输出示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明提供了一种波浪能发电装置，其主要用于将波浪能转换为电能进行发电。
参见图1、图2，波浪能发电装置包括转筒1，转筒1为圆柱筒结构，
转筒1外壁安装扇叶2，波浪打在扇叶2上，扇叶2带动转筒1旋转。
在本发明中，转筒1的外壁设有多个扇叶2，各个扇叶2环向间隔布置在转筒1外壁。
转筒1内部设有发电模组，发电模组将波浪能转换为电能。
在另外一些实施例中，转筒1内部设有多个发电模组，各发电模组沿转筒1的长度方向依次连接，这样在使用过程中多个发电模组一起工作，发电效率更高。
具体的，发电模组包括摩擦纳米发电机和电磁发电机，摩擦纳米发电机的电流输出端与电磁发电机的电流输出端电连接。
摩擦纳米发电机包括介电薄膜8、金属电极11和化纤布料10，介电薄膜8设在电磁发电机的转子的外表面，化纤布料10贴在转筒1的内壁，金属电极11位于化纤布料10和转筒1的内壁之间，化纤布料10与介电薄膜8相互接触。
工作过程中，波浪打在扇叶2上推动转筒1旋转，转筒1旋转过程中会带动化纤布料10一起转动，化纤布料10转动过程中会与电磁发电机的转子上的介电薄膜8发生相对摩擦产生电荷，从而在介电薄膜8与化纤布料10之间形成电势差，电势差会驱使金属电极11内部的电荷产生定向移动，从而产生电流，同时，化纤布料10与介电薄膜8摩擦发电的过程中，化纤布料10施加在介电薄膜8上的摩擦力会带动电磁发电机的转子转动，从而实现电磁发电，这种将摩擦纳米发电与电磁发电结合在一起的发电装置能够结合两者的输出特性，既可保留摩擦纳米发电机高电压输出的优势，又可以利用电磁发电机在高频段工作的特点采集较高频率的波浪能，从而弥补摩擦纳米发电机低电流密度输出的缺陷，从而有效提高能量转换效率。
图3、图4为本发明在工作过程中的发电示意图，其中摩擦纳米发电机单元的开路电压为1000～1200V，短路电流8～12.5μA，功率密度约为20～26W/m3，电磁发电单元的开路电压为1.0～1.7V、短路电流20～27mA、功率密度约为45～55W/m3。
电磁发电机的转子具有多个转动块5，各转动块5环向间隔固定在转轴3上，各转动块5的外表面均贴有介电薄膜8，转轴3转动以带动转子转动。
进一步的，转动块5的外表面为弧形结构，以适应转筒1的内壁，保证转动块5转动过程中介电薄膜8与化纤布料10更贴合。
转动块5内部安装磁铁9，转子的一侧设有定子，转子转动过程中带动磁铁9一起旋转，从而实现电磁发电。
具体的，定子包括圆盘6，圆盘6上设有多个通过铜线缠绕形成的线圈7，各个线圈7之间串联。
介电薄膜8安装在电磁发电机的转子外表面上，一方面电磁发电机的转子为介电薄膜8提供安装位置，另一方面，化纤布料10与介电薄膜8相互摩擦为转子转动提供动力，所以本申请很巧妙的将摩擦纳米发电机与电磁发电机结合起来，能够节省转筒1内部的空间，使得整体结构更加简洁。
需要说明的是，化纤布料10摩擦带动转子转动过程中，转子虽然与化纤布料10的转动方向相同，但是由于电磁发电机的转子质量较大，所以二者之间会存在一定的速度差来实现摩擦。
在一些实施例中，为了提高化纤布料10与介电薄膜8之间的摩擦力，在本发明中，介电薄膜8的表面设置纹理结构。
在一些实施例中，波浪能发电装置还包括蜗壳4，蜗壳4具有波浪进入的敞口，转筒1通过转轴3安装在蜗壳4内部，转筒1与转轴3转动连接，波浪会通过蜗壳4的敞口进入到蜗壳4内部。
具体的，蜗壳4为扇形壳体结构，转筒1通过转轴3安装在蜗壳4内部，转筒1与转轴3之间通过轴承连接，转轴3的两端与蜗壳4的内壁通过轴承连接。
为了提高转筒1的防水性能，转筒1与转轴3之间的轴承上均加装密封圈。
此外，本发明还提供了一种波浪能发电装置的制作方法，包括以下步骤：
用3D打印机制备蜗壳4和转筒1；
将电磁发电机的转子安装在转筒1内部，以使转子能够以转筒的中心轴为转轴进行旋转，沿转筒1的长度方向，将电磁发电机的定子固定在转子的一侧；
在电磁发电机的转子的外表面贴附介电薄膜8；
在化纤布料10上镀金属电极11；
将化纤布料10贴在转筒1内壁，以使金属电极11位于转筒1的内壁与化纤布料10之间，且化纤布料10与介电薄膜8相接触。
其中，转筒1的中部穿设有一条转轴3，转轴3与转筒1转动连接，转轴3的两端与蜗壳4转动连接，转子安装在转轴3上。
转轴3是通过3D打印机制备而成。
定子的圆盘6也是通过3D打印机制备而成。
其中通过3D打印机的蜗壳4、转筒1、转轴3、圆盘6所用的材料均为透明亚克力。
在另外一些实施例中，在化纤布料10上均匀镀上多个金属电极11，当化纤布料10贴在转筒1内壁后，这些金属电极11就环绕在转子外周。
例如在本发明中，沿化纤布料10的圆周方向，在化纤布料10上镀了8个依次间隔布置的矩形金属电极11。
在一些实施例中，对化纤布料10进行表面改性处理以提高疏水性能。
其中，化纤布料10表面改性处理包括电晕放电处理、火焰处理与热处理、表面金属化、离子注入表面改性、光化学改性、等离子体表面改性、表面接枝共聚等方法。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种波浪能发电装置，其特征在于：包括转筒，所述转筒外壁安装扇叶，所述转筒内部设有发电模组，所述发电模组包括摩擦纳米发电机和电磁发电机，所述摩擦纳米发电机的电流输出端与所述电磁发电机的电流输出端电连接，所述摩擦纳米发电机包括介电薄膜、金属电极和化纤布料，所述化纤布料贴在所述转筒内壁，所述金属电极设在所述化纤布料与所述转筒内壁之间，所述介电薄膜设在所述电磁发电机的转子的外表面，所述化纤布料与所述介电薄膜相互接触。
2.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述转筒内部设有多个所述发电模组，各所述发电模组沿所述转筒的长度方向依次连接。
3.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于：还包括蜗壳，所述蜗壳具有波浪进入的敞口，所述转筒通过转轴安装在所述蜗壳内部，所述转筒与所述转轴转动连接。
4.根据权利要求3所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述电磁发电机的转子具有多个转动块，各所述转动块环向间隔固定在所述转轴上，各所述转动块的外表面均贴有所述介电薄膜。
5.根据权利要求4所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述转动块的外表面为弧形结构。
6.根据权利要求4所述的波浪能发电装置，其特征在于：各所述转动块内部安装磁铁，所述转子的一侧设置定子。
7.根据权利要求2所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述介电薄膜的表面设置纹理。
8.一种波浪能发电装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
用3D打印机制备蜗壳和转筒；
将电磁发电机的转子安装在转筒内部，以使转子能够以转筒的中心轴为转轴进行旋转，沿转筒的长度方向，将电磁发电机的定子固定在转子的一侧；
在电磁发电机的转子的外表面贴附介电薄膜；
在化纤布料上镀金属电极；
将化纤布料贴在转筒内壁，以使金属电极位于转筒内壁与化纤布料之间，且化纤布料与介电薄膜相接触。
9.根据权利要求8所述的波浪能发电装置的制作方法，其特征在于：沿化纤布料的长度方向，在化纤布料表面依次间隔镀上多个金属电极。
10.根据权利要求8所述的波浪能发电装置的制作方法，其特征在于：对化纤布料表面改性处理以提高疏水性能。
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