一种收集低频水波能的复合纳米发电机

本发明涉及纳米发电机的，尤其涉及一种收集低频水波能的复合纳米发电机。

背景技术：

1、随着现代社会的快速发展，对能源提出了越来越高的要求。近几十年来煤炭、石油、天然气等化石燃料的大量消耗，以及这些化石燃料燃烧所排放的二氧化碳等对自然有害的温室气体，使得人们对能源和环境的关注日益增强。可再生能源如太阳能、风能、水能，因其来源广泛，对自然危害小被用作常规燃料的替代品。其中，海洋能因其储量丰富，可再生、清洁并且分布广泛，是一种理想能源。但由于水波频率低、分布面积大、波峰随机、成本高，利用传统的电磁感应发电机进行大规模的海洋能量收集面临许多挑战。将摩擦纳米发电机与电磁发电机相结合，可以实现两者的优势互补，提高能量转换效率。也为水波能量的采集提供了较好的解决方案。已有的复合发电机中磁铁只是用来产生感应电动势，其优点没有得到充分的发挥。因此，迫切需要一种能够将电磁发电机和摩擦发电机充分耦合，并充分利用磁体特性的结构设计。于是本发明设计了一种收集低频水波能的复合纳米发电机。

2、申请号为202111296190.2的发明专利申请公开了一种摩擦-电磁复合型发电装置，包括转子部、定子部和中心轴，转子部和定子部套设在中心轴上，转子部轴向方向上的两侧均套设有一个定子部；转子部设置有转子板、磁铁阵列和叶片阵列，磁铁阵列固定在转子板上，转子板的两轴向端均固定连接一个叶片阵列，叶片阵列设置有第一介电薄膜；定子部设置有定子板、线圈阵列、电极阵列和摩擦层，线圈阵列固定在定子板上，电极阵列与定子板的内侧轴向面固定连接，由第二介电薄膜构成的摩擦层覆盖在电极阵列上；摩擦层与叶片阵列上的第一介电薄膜接触，第一介电薄膜和第二介电薄膜存在电极序差异。该装置提高了发电的能量转换效率。但是，该发明复杂，且电磁发电机与摩擦发电机未耦合，两者相互独立工作。

技术实现思路

1、针对现有复合发电机结构复杂，摩擦发电与电磁发电两者独立工作，功能需求不一的技术问题，本发明提出一种收集低频水波能的复合纳米发电机，有效地将摩擦发电与电磁发电复合在一起，充分发挥各自优点，而且实现两者相互促进，提高了整体输出效率，且实现了倍频效果。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种收集低频水波能的复合纳米发电机，包括壳体，所述壳体上活动设有驱动组件，壳体内设有摩擦发电组件和电磁发电组件，壳体内的驱动组件上固定设有2n个第一永磁体；所述壳体内活动设有2n个第二永磁体，第二永磁体和第一永磁体的磁性相匹配；所述摩擦发电组件和电磁发电组件均设置在第二永磁体的附近，摩擦发电组件和电磁发电组件均与第二永磁体和第一永磁体相耦合；其中，n为正整数。

3、优选地，所述驱动组件为水力驱动组件，驱动组件包括扇叶和转轴，扇叶设置在壳体的外侧，转轴与壳体活动连接，扇叶固定在转轴的一端，转轴的另一端伸入壳体内且转轴的另一端固定有第一永磁体。

4、优选地，所述摩擦发电组件包括2n个摩擦单元，摩擦单元与第二永磁体相连接；所述摩擦单元包括fep薄膜和两个电极，fep薄膜和一个电极固定在第二永磁体上、另一电极设置在第二永磁体的一侧；在第二永磁体的带动下，fep薄膜和电极之间相互接触或分离。

5、优选地，所述电磁发电组件包括2n个发电线圈，发电线圈固定设置在第二永磁体和第一永磁体之间。

6、优选地，所述第二永磁体和第一永磁体的数量均设有4个，壳体为空心的圆柱；4个第一永磁体磁性依次相反间隔90°等距固定在转轴的另一端，4个第二永磁体与第一永磁体相对同极性活动设置。

7、优选地，所述第二永磁体固定在活动板上，活动板的两侧均固定有fep薄膜；所述活动板滑动设置在支撑柱上，支撑柱两端均安装有固定板，固定板靠近活动板的一侧固定有电极；所述发电线圈固定在活动板和第一永磁体之间的固定板上；固定板固定在壳体的内壁上。

8、优选地，所述fep薄膜固定在固定电极上，固定电极固定在活动板的两侧，发电线圈、固定电极和电极均通过导线引出壳体。

9、优选地，所述第一永磁体固定在转杆上，四个转杆均匀固定在转轴的另一端的外圆周上。

10、优选地，所述第一永磁体随着转轴的转动而转动，第一永磁体与第二永磁体产生周期性的吸引与排斥，从而带动活动板在两个固定板之间移动，使得摩擦层的fep薄膜和电极周期性的接触与分离；转轴每旋转90°，fep薄膜和电极接触分离4次，转轴每旋转一周，接触分离16次，实现16倍频；

11、第一永磁体转动在发电线圈中产生较小均匀的正弦波，第二永磁体随着活动板运动在发电线圈中产生较大的尖峰波，发电线圈在相对运动中切割磁感线产生感应电动势。

12、优选地，在某一个稳定状态，接触的四个电极与固定电极分为一组发电单元，另外分离的四个电极与固定电极分为一组发电单元，两组发电单元存在一定的相位差，在固定电极和接触分离电极上分别引出导线，将引出的两根导线相连接，进而形成发电回路。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果：基于接触起电和静电感应的耦合效应，是一种成本低、可移植性强、寿命长、无污染的微能源采集器，结合本发明的倍频特性，高效的收集低频的水波能。本发明将电磁发电与摩擦发电很好的耦合，永磁体的运动，不仅使摩擦发电产生交流输出，而且在电磁发电中产生较低的正弦信号，摩擦发电中活动板的运动，在电磁发电中产生较高的尖峰波，提高了整体的能量收集效率，极大地拓宽了适用范围。

技术特征：

1.一种收集低频水波能的复合纳米发电机，包括壳体（1），其特征在于，所述壳体（1）上活动设有驱动组件（4），壳体（1）内设有摩擦发电组件（2）和电磁发电组件（3），壳体（1）内的驱动组件（4）上固定设有2n个第一永磁体（5）；所述壳体（1）内活动设有2n个第二永磁体（6），第二永磁体（6）和第一永磁体（5）的磁性相匹配；所述摩擦发电组件（2）和电磁发电组件（3）均设置在第二永磁体（6）的附近，摩擦发电组件（2）和电磁发电组件（3）均与第二永磁体（6）和第一永磁体（5）相耦合；其中，n为正整数。

2.根据权利要求1所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述驱动组件（4）为水力驱动组件，驱动组件（4）包括扇叶（42）和转轴（41），扇叶（42）设置在壳体（1）的外侧，转轴（41）与壳体（1）活动连接，扇叶（42）固定在转轴（41）的一端，转轴（41）的另一端伸入壳体（1）内且转轴（41）的另一端固定有第一永磁体（5）。

3.根据权利要求1或2所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述摩擦发电组件（2）包括2n个摩擦单元，摩擦单元与第二永磁体（6）相连接；所述摩擦单元包括fep（氟化乙烯丙烯）薄膜（21）和两个电极（22），fep薄膜（21）和一个电极（22）固定在第二永磁体（6）上、另一电极（22）设置在第二永磁体（6）的一侧；在第二永磁体（6）的带动下，fep薄膜（21）和电极（22）之间相互接触或分离。

4.根据权利要求3所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述电磁发电组件（3）包括2n个发电线圈（31），发电线圈（31）固定设置在第二永磁体（6）和第一永磁体（5）之间。

5.根据权利要求4所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述第二永磁体（6）和第一永磁体（5）的数量均设有4个，壳体（1）为空心的圆柱；4个第一永磁体（5）磁性依次相反间隔90°等距固定在转轴（41）的另一端，4个第二永磁体（6）与第一永磁体（5）相对同极性活动设置。

6.根据权利要求5所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述第二永磁体（6）固定在活动板（23）上，活动板（23）的两侧均固定有fep薄膜（21）；所述活动板（23）滑动设置在支撑柱（24）上，支撑柱（24）两端均安装有固定板（25），固定板（25）靠近活动板（23）的一侧固定有电极（22）；所述发电线圈（31）固定在活动板（23）和第一永磁体（5）之间的固定板（25）上；固定板（25）固定在壳体（1）的内壁上。

7.根据权利要求6所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述fep薄膜（21）固定在固定电极（26）上，固定电极（26）固定在活动板（23）的两侧，发电线圈（31）、固定电极（26）和电极（22）均通过导线引出壳体（1）。

8.根据权利要求4-7中任意一项所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述第一永磁体（5）固定在转杆（7）上，四个转杆（7）均匀固定在转轴（41）的另一端的外圆周上。

9.根据权利要求5-7中任意一项所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，所述第一永磁体（5）随着转轴（41）的转动而转动，第一永磁体（5）与第二永磁体（6）产生周期性的吸引与排斥，从而带动活动板（23）在两个固定板（25）之间移动，使得摩擦层的fep薄膜（21）和电极（22）周期性的接触与分离；转轴（41）每旋转90°，fep薄膜（21）和电极（22）接触分离4次，转轴（41）每旋转一周，接触分离16次，实现16倍频；

10.根据权利要求7所述的收集低频水波能的复合纳米发电机，其特征在于，在某一个稳定状态，接触的四个电极与固定电极分为一组发电单元，另外分离的四个电极与固定电极分为一组发电单元，两组发电单元存在一定的相位差，在固定电极和接触分离电极上分别引出导线，将引出的两根导线相连接，进而形成发电回路。

技术总结
本发明提出了一种收集低频水波能的复合纳米发电机，包括壳体，所述壳体上活动设有驱动组件，壳体内设有摩擦发电组件和电磁发电组件，壳体内的驱动组件上固定设有2n个第一永磁体；所述壳体内活动设有2n个第二永磁体，第二永磁体和第一永磁体的磁性相匹配；所述摩擦发电组件和电磁发电组件均设置在第二永磁体的附近，摩擦发电组件和电磁发电组件均与第二永磁体和第一永磁体相耦合。本发明将电磁发电与摩擦发电很好的耦合，永磁体的运动，不仅使摩擦发电产生交流输出，而且在电磁发电中产生较低的正弦信号，摩擦发电中活动板的运动，在电磁发电中产生较高的尖峰波，提高了整体的能量收集效率，极大地拓宽了适用范围。

技术研发人员：郑海务,崔明,吴永辉,刘续,王志新,于银萍
受保护的技术使用者：河南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13