CN114257121B - 一种基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置 - Google Patents

一种基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，包括连接球和连接杆。连接球内部开设有空腔，空腔内放置有若干滚球。空腔内壁设置有两个用于摩擦发电的金属电极。连接球与若干滚球之间组成发电单元。连接杆用于固定连接相邻的连接球，以及电性连接相邻的发电单元。其中，若干连接球通过若干连接杆依次连接形成碳原子立体结构。该装置采用基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电技术，能够将多个摩擦发电单元集成为一个整体，使得输出电能得到大幅度的提升。通过合理的设置可以实现每一个小的发电单元运动方向和方式基本相同，各发电单元输出电能相位相同，只需使用一个电源管理电路就可以实现多个发电单元能量输出的管理，节约了成本和空间。

Description

一种基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置
技术领域
本发明涉及发电技术领域，特别是涉及一种基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置。
背景技术
摩擦纳米发电是基于摩擦起电和静电感应相耦合的发电技术，它能够将收集到的各种形式的机械能转化为电能，如海洋能、振动能等。摩擦纳米发电技术具有发电电压高、体积小、质量轻、柔性及形状灵活多变且兼容性高等优点。但是已有的蜂窝网状结构摩擦纳米发电机采用柔性材料制成，结构方面不稳定，且使用的是二维平面结构，不利于收集海洋能，不利于大规模的组网发电。
发明内容
基于此，有必要针对已有的蜂窝网状结构摩擦纳米发电机采用柔性材料制成，结构方面不稳定，且使用的是二维平面结构的问题，提供一种基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置。
一种基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，包括连接球和连接杆。连接球内部开设有空腔，空腔内放置有若干滚球。空腔内壁设置有两个用于摩擦发电的金属电极，两个金属电极在空腔内壁间隔布设且电性连接。连接球与若干滚球之间组成发电单元，发电单元通过滚球与空腔内壁的金属电极相对转动而摩擦发电。连接杆用于固定连接相邻的连接球，以及电性连接相邻的发电单元。其中，若干连接球通过若干连接杆依次连接形成碳原子立体结构。
上述基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，采用基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电技术，能够将多个摩擦发电单元集成为一个整体，使得输出电能得到大幅度的提升。在摩擦纳米发电领域，基于碳原子立体结构的网状固连结构首次被使用；该结构由基本单元固连而成，结构稳定、工艺简单、成本低廉、方便集成，组成的基于碳原子立体网状结构也能够非常方便的收集来自任意方向上的海洋能。因多个摩擦发电单元由连接杆固定连接，所以每一个小的发电单元运动方向和方式基本相同，这样在电能输出方面各发电单元输出电能相位相同，因而只需使用一个电源管理电路就可以实现多个发电单元能量输出的管理，节约了成本，节省了一定的空间。
在其中一个实施例中，连接球的空腔内设置有供滚球运动的活动通道。当滚球沿活动通道进行***时，滚球始终与空腔内壁的金属电极相接触。
在其中一个实施例中，连接球的空腔内设置有与连接球同心的限位球。限位球通过支架安装在空腔内壁。其中，空腔的半径与限位球半径之间的差值不小于滚球的直径。限位球外壁与空腔内壁之间的间隙构成活动通道。
在其中一个实施例中，限位球为空心球。其中一个限位球内安装有储电模组，储电模组与发电单元电性连接。
在其中一个实施例中，滚球外壁包裹摩擦层。摩擦层的材料为尼龙或者聚四氟乙烯。当滚球在空腔内运动时，滚球外壁的摩擦层与空腔内壁的电极之间通过摩擦产生电流。
在其中一个实施例中，连接杆为环形套筒结构，环形套筒的内孔设置有导线，导线用于电性连接相邻发电单元。
在其中一个实施例中，连接杆两端设置有外螺纹，连接球侧壁上设置有与外螺纹相配合的螺纹孔。连接杆和连接球之间通过螺纹配合形成可拆卸结构。当连接杆和连接球螺纹配合时，螺纹孔内设置有密封胶。
在其中一个实施例中，连接球和连接杆均由聚乙烯塑料制成。
在其中一个实施例中，碳原子立体结构为碳60结构，或碳70结构，或碳240结构。
本发明还公开了一种基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置的应用，通过在的基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置上集成探测模块以及无线通讯模块，实现对海洋环境的自供电探测。
与现有技术相比，本发明具有以下有效效果：
本发明的基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，采用基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电技术，能够将多个摩擦发电单元集成为一个整体，使得输出电能得到大幅度的提升。在摩擦纳米发电领域，基于碳原子立体结构的网状固连结构首次被使用；该结构由基本单元固连而成，结构稳定、工艺简单、成本低廉、方便集成，组成的基于碳原子立体网状结构也能够非常方便的收集来自任意方向上的海洋能。该结构的基本单元由小球和连接杆相互连接而成，做成可拆卸的结构，易于组装。连接杆可以做成空心圆柱体，这样内部可以用来走必要的线路，避免了外部因线路过多而造成的麻烦；因多个摩擦发电单元由连接杆固定连接，所以每一个小的发电单元运动方向和方式基本相同，这样在电能输出方面各发电单元输出电能相位相同，因而只需使用一个电源管理电路就可以实现多个发电单元能量输出的管理，节约了成本，节省了一定的空间。
附图说明
图1为基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置的结构图。
图2为基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置中连接球的结构图。
图3为基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置中连接球和限位球的剖面图。
图中：1-连接球、2-连接杆、3-滚球、4-金属电极、5-限位球、6-支架、7-活动通道。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请结合图1，本实施例公开了一种基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，包括连接球1和连接杆2，若干连接球1通过若干连接杆2依次连接形成碳原子立体结构。当然，该装置还可以设置有储电模组。通过连接球1和连接杆2的相互搭接，且在每一个连接球1内部自建发电单元，形成一个呈碳原子立体结构的发电装置。当组成的发电装置在海洋上滚动时，每一个发电单元的运动方向和方式基本相同，在电能输出方面各发电单元输出电能相位相同，只需使用一个电源管理电路就可以实现多个发电单元能量输出的管理，节约了成本，节省了一定的空间。本实施例中，考虑到装置的工作环境和状态，碳原子立体结构可以选择碳60结构，或碳70结构，或碳240结构，以及其他任意具有封闭牢笼的碳结构。尤其是碳60结构，接近足球状，可以自由在海洋上跟随海浪进行滚动。请结合图2和图3，该装置的具体结构如下：
其中，连接球1内部开设有空腔，空腔内放置有若干滚球3。空腔内壁设置有两个用于摩擦发电的金属电极4，两个金属电极4在空腔内壁间隔布设且电性连接。本实施例中，金属电极4优选为铜电极。连接球1与若干滚球3之间组成发电单元，发电单元通过滚球3与空腔内壁的金属电极4相对转动而摩擦发电。滚球3的外壁设置有摩擦层，本实施例中，摩擦层的材料为尼龙或者聚四氟乙烯等其他电负性强的材料。当滚球3在空腔内运动时，滚球3外壁的摩擦层与空腔内壁的电极之间通过摩擦产生电流。当装置在海洋上进行滚动时，滚球3在连接球1的空腔内滚动，不断与两个间隔布设的金属电极4摩擦，实现电荷的交换，从而产生电能的输出。为了使各个连接球1的运动方向和方式基本相同，本实施例中，连接球1的空腔内设置有供滚球3运动的活动通道7。当滚球3沿活动通道7进行***时，滚球3始终与空腔内壁的金属电极4相接触。通过预设活动通道7，连接球内的滚球3始终只能沿着活动通道7进行滚动，由于装置滚动时，装置内的所述连接球1的转动方向相同，在活动通道7的作用下，滚球3不会跳动，从而只会与空腔内壁进行摩擦，所以各个发电单元的运动方向和方式基本相同，在电能输出方面各发电单元输出电能相位相同，便于管理和收集。
本实施例对活动通道7进行举例说明，连接球1的空腔内设置有与连接球1同心的限位球5。限位球5通过支架6安装在空腔内壁。其中，空腔的半径与限位球5半径之间的差值不小于滚球3的直径。限位球5外壁与空腔内壁之间的间隙构成活动通道7。通过合理的设置限位球5的大小，使得滚球3与空腔内壁始终接触即可。具体的，考虑到降低装置的整体重量。限位球5的材质可以选择塑料，且内部设置为中空，可以将储电模组安装在其中一个限位球5的空心内。
连接杆2用于固定连接相邻的连接球1，以及电性连接相邻的发电单元。本实施例中，连接杆2为环形套筒结构，环形套筒的内孔设置有导线，导线用于电性连接相邻发电单元。从而将所有的发电单元进行串联，并且可以与储电模组进行连接。
考虑到装置需要始终漂浮在海面上，连接球1和连接杆2暴露在装置外部，因此可以使用任意坚固、方便制造、耐海水腐蚀的材料，本实施例中，选择聚乙烯塑料制成。
为了便于装置的组装和拆解，连接杆2两端设置有外螺纹，连接球1侧壁上设置有与外螺纹相配合的螺纹孔。连接杆2和连接球1之间通过螺纹配合形成可拆卸结构。当连接杆2和连接球1螺纹配合时，螺纹孔内设置有密封胶。通过螺纹连接的连接球1和连接杆2，便于拆卸和安装，同时在连接处设置了密封胶，可以起到良好的密封效果，防止海水进入到装置内对发电单元造成影响。
当然，在其他的实施例中，本装置的结构也可以变换，比如将连接球1内的两个金属电极4引出一小部分在螺纹孔的连接口处，连接杆2内部也可以在制作时在内壁布置导电电极，从而实现连接杆与小球连接时连接杆内部电极刚好可以与小球内部引出的电极相接触连接，从而减少相互之间导线的使用。当然，也可以改变连接杆2和连接球1的连接关系，比如将连接杆2和连接球1制作成插销之类的插拔结构。
本实施例的基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，采用基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电技术，能够将多个摩擦发电单元集成为一个整体，使得输出电能得到大幅度的提升。在摩擦纳米发电领域，基于碳原子立体结构的网状固连结构首次被使用。该结构由基本单元固连而成，包含多个依次相连呈蜂窝结构的五边形、六边形等，结构稳定、工艺简单、成本低廉、方便集成，组成的基于碳原子立体网状结构也能够非常方便的收集来自任意方向上的海洋能，也可以实现大规模组网发电。该结构的基本单元由小球和连接杆相互连接而成，做成可拆卸的结构，易于组装。连接杆可以做成空心圆柱体，这样内部可以用来走必要的线路，避免了外部因线路过多而造成的麻烦；因多个摩擦发电单元由连接杆固定连接，所以每一个小的发电单元运动方向和方式基本相同，这样在电能输出方面各发电单元输出电能相位相同，因而只需使用一个电源管理电路就可以实现多个发电单元能量输出的管理，节约了成本，节省了一定的空间。
本发明的基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置在加工时，首先将小球与连接杆做成易于拆卸的结构，可以拆卸，也可以随时安装。也可将基本发电单元小球做成上下两个部分，一部分在外部设置三个安装孔，内部设置有电极，另一部分属于小球的盖子，内部也设置有电极，通过合理的设计，实现将球的两部分结合起来时可以将两部分的电极形成一个整体，使得整体发电小球内壁只有两个电极。连接杆与小球的连接部位连接的要紧密，可以做成带螺纹的结构，将连接杆拧在插销上，以防止水渗入其中。每个小球上的连接孔需要合理设计来方便实现相互之间的组合。安装时合理设计每个小球的位置，可以实现在滚动时输出同相位的电能，方便后续管理，节约成本。
本实施例的基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置在应用时，可以通过在摩擦纳米发电装置中的多余空间内集成探测模块、无线通讯模块等应用模块，通过储电模块进行供电，从而实现海上应用设备的自供电，同时也提高了设备在复杂海洋环境下的寿命，还可与外界交换数据，也可以在内部布置线圈，利用无线充电技术，为海洋上其他设备进行供电。进一步的，该装置以这些装置继续作为基本单元继续固连，组成更大规模的结构，从而实现大规模的组网发电。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，其特征在于，其包括：
连接球(1)，其内部开设有空腔，所述空腔内放置有若干滚球(3)；所述空腔内壁设置有两个用于摩擦发电的金属电极(4)，两个所述金属电极(4)在所述空腔内壁间隔布设且电性连接；所述连接球(1)与若干所述滚球(3)之间组成发电单元，所述发电单元通过所述滚球(3)与所述空腔内壁的金属电极(4)相对转动而摩擦发电；以及
连接杆(2)，其用于固定连接相邻的所述连接球(1)，以及电性连接相邻的发电单元；
其中，若干连接球(1)通过若干连接杆(2)依次连接形成碳原子立体结构。
2.根据权利要求1所述的基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述连接球(1)的空腔内设置有供所述滚球(3)运动的活动通道(7)；当所述滚球(3)沿所述活动通道(7)进行***时，所述滚球(3)始终与所述空腔内壁的金属电极(4)相接触。
3.根据权利要求2所述的基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述连接球(1)的空腔内设置有与连接球(1)同心的限位球；所述限位球通过支架(6)安装在所述空腔内壁；其中，所述空腔的半径与所述限位球半径之间的差值不小于所述滚球(3)的直径；所述限位球外壁与所述空腔内壁之间的间隙构成所述活动通道(7)。
4.根据权利要求3所述的基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述限位球(5)为空心球；其中一个所述限位球内安装有储电模组，所述储电模组与所述发电单元电性连接。
5.根据权利要求1所述的碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述滚球(3)外壁包裹摩擦层；所述摩擦层的材料为尼龙或者聚四氟乙烯；当所述滚球(3)在所述空腔内运动时，滚球(3)外壁的摩擦层与所述空腔内壁的所述电极之间通过摩擦产生电流。
6.根据权利要求1所述的基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述连接杆(2)为环形套筒结构，所述环形套筒的内孔设置有导线，所述导线用于电性连接相邻发电单元。
7.根据权利要求1所述的基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述连接杆(2)两端设置有外螺纹，所述连接球(1)侧壁上设置有与所述外螺纹相配合的螺纹孔；所述连接杆(2)和所述连接球(1)之间通过螺纹配合形成可拆卸结构；当所述连接杆(2)和所述连接球(1)螺纹配合时，所述螺纹孔内设置有密封胶。
8.根据权利要求1所述的基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述连接球(1)和连接杆(2)均由聚乙烯塑料制成。
9.根据权利要求1所述的基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述碳原子立体结构为碳60结构，或碳70结构，或碳240结构。
10.一种基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置的应用，其特征在于，通过在如权利要求1-9任意一项所述的基于碳原子立体结构的摩擦纳米发电装置上集成探测模块以及无线通讯模块，实现对海洋环境的自供电探测。
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