一种环境机械能复合收集转化装置的制作方法

本发明涉及能量转换技术领域，特别涉及一种环境机械能复合收集转化装置。

背景技术：

环境机械能是指在周围环境中所具有的动能和势能，例如风能、波浪能、雨滴能、振动能等。因地球表面受热不均匀而产生的空气流动所形成的动能即为风能，全球的风能约为2.74*10⁹mw，其中可利用的风能为2*10⁷mw，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍；波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，地球上70.8％的面积被海水所覆盖，海洋波浪的能量资源丰富。如今人类对能源的需求不断加大，非可再生能源的储量日益减少，各种可再生能源的利用工作受到越来越多的重视，发掘各种环境中的清洁能源(例如集风能、波浪能)的潜力、利用环境中风能、海洋中波浪能还具有很大的空间。

目前，针对环境中的能量收集主要以大型风能发电机、大型潮汐能发电机、水电站等的形式进行，它们大多对环境要求比较苛刻，虽然提供电能的量很多，但体积庞大，无法满足人们对低功耗便携式设备及传感节点的供电需求；在小型的动、势能收集转化方面，现已有一些设计发明，但普遍为单一应用场景，例如仅安置于户外某处用于收集风能或仅用于安置在海上某处用于收集波浪能等，对环境要求较多，适用性不好、兼容性较差，大大限制了其使用范围，且大部分装置为单一电能转化模式，仅靠电磁转换方法或仅靠摩擦电方法来输出电能，而由于单一转化模式的局限性(电磁转换方式在低速运动环境下转换效率低，摩擦电形式虽在低速下也有很高的转化效率，但总体功率输出较小)，电能输出效率普遍不高。

因此，如何避免由于采用单一转换模式而导致无法高效输出电能是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种环境机械能复合收集转化装置，该装置可以针对不同环境的特点对收集装置进行改装替换，以增加整个能量收集装置的应用范围，并且采用电磁、摩擦复合式发电设计，将大量俘获的动能高效转化为电能输出，从而可以实现环境机械能的高功率密度输出和高效的能量转换。

为实现上述目的，本发明提供一种环境机械能复合收集转化装置，包括用以通过摩擦产生电荷并能够输出电流的摩擦发电模块以及用以供磁通量发生变化以产生感应电流并能够输出电流的电磁发电模块，还包括设于所述摩擦发电模块和所述电磁发电模块的外部、用以带动所述摩擦发电模块和所述电磁发电模块运行并能够防护所述摩擦发电模块和所述电磁发电模块的封装壳体。

可选地，所述摩擦发电模块包括设于所述封装壳体的内部、用以绕所述封装壳体的轴向旋转的转子；

所述转子的上方设有用以与所述转子发生摩擦并带动所述转子旋转的第一摩擦层，所述转子的下方设有用以当所述转子旋转时与所述转子发生摩擦的第二摩擦层；

还包括与所述第二摩擦层的下表面贴合、用以输出电流的电极层。

可选地，所述转子包括保持圈以及若干个用以沿所述保持圈的径向穿入所述保持圈并与所述保持圈固接的保持柱，任一所述保持柱上连接有用以与所述第一摩擦层和所述第二摩擦层发生摩擦并能够带上电荷的圆锥滚子以及嵌入所述圆锥滚子的内部、用以实现电磁发电的圆柱磁体。

可选地，所述电磁发电模块包括若干个沿所述转子的圆周方向分布、用以与所述圆柱磁体配合以供磁通量发生变化的线圈，且任意两个相邻所述线圈串联。

可选地，所述封装壳体包括与所述第一摩擦层配合连接、用以带动所述圆锥滚子运动的上壳体以及设于所述上壳体的下方并与所述上壳体同轴设置、用以固定安装所述第二摩擦层和所述电极层的下壳体。

可选地，所述上壳体设有位于中心并沿靠近所述下壳体的方向延伸的中间轴，所述上壳体的下表面设有位于所述中间轴的外周、用以固定安装所述第一摩擦层并能够容置所述圆锥滚子以供所述圆锥滚子沿所述上壳体的周向滚动的第一环形凹槽以及设于所述第一环形凹槽的外周、用以避让所述线圈的第二环形凹槽。

可选地，所述下壳体包括沿其轴向开设并用以供所述中间轴穿入的中间孔以及若干个沿所述下壳体的周向分布、用以安装所述线圈的第一安装槽，所述下壳体的上表面设有位于所述中间孔的外周、用以固定安装所述第二摩擦层并能够容置所述圆锥滚子以供所述圆锥滚子沿所述下壳体的周向滚动的第三环形凹槽以及设于所述第三环形凹槽的上表面、用以贴附所述电极层的第二安装槽。

可选地，还包括与所述上壳体连接、用以锁住所述上壳体以防止所述上壳体脱离所述下壳体的锁扣。

可选地，还包括设于所述封装壳体的上方并与所述封装壳体相连、用以收集环境机械能的驱动机构。

可选地，所述驱动机构具体为风能驱动机构、波浪能驱动机构、雨滴能驱动机构、上升气流能驱动机构和生物能驱动机构中的一种。

相对于上述背景技术，本发明针对环境机械能收集的不同要求，设计了一种环境机械能复合收集转化装置，由于环境中机械能存在的形式比较多样，而现存在的小型机械能转换电能装置普遍都只能由某一种形式的机械能来驱动发电，当环境中应用条件不够充分，则发电效率会大打折扣，并且现存的小型机械能转换电能装置自身转换形式比较单一，仅使用电磁转换形式、摩擦电形式或压电效应形式中的某一种。几种电能转化形式各有利弊，而装置仅采用某一种形式的话，在外界环境条件下动能驱动与装置自身不太匹配的时候，不能做到几种形式相互补偿，没办法高效运行。因此，使用一种能够增加整个能量收集装置的应用范围和实现能量高效转换的装置很有必要。

具体来说，上述环境机械能复合收集转化装置包括摩擦发电模块和电磁发电模块，其中，摩擦发电模块通过摩擦产生电荷并能够输出电流，电磁发电模块能够使磁通量发生变化，从而利用电磁感应原理产生感应电流并输出电流，同时，上述装置还包括设于摩擦发电模块和电磁发电模块外部的封装壳体，该封装壳体用于带动摩擦发电模块和电磁发电模块运行并能够起到防护摩擦发电模块和电磁发电模块的作用。上述设置方式采用电磁、摩擦复合式发电设计，能够将机械能高效的转化为电能并完成输出，从而可以实现环境机械能的高功率密度输出和高效的能量转换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种环境机械能复合收集转化装置的爆炸图；

图2为图1的装配结构示意图；

图3为图1中上壳体的结构示意图；

图4为图1中下壳体的结构示意图；

图5为图1中转子的结构示意图；

图6为图1中电极层的内电极结构示意图；

图7为图1中电极层的外电极结构示意图；

图8为一种驱动机构的结构示意图；

图9为另一种驱动机构的结构示意图；

图10为本发明实施例公开的一种环境机械能复合收集转化装置的整体结构示意图。

其中：

1-封装壳体、11-上壳体、111-中间轴、112-第一环形凹槽、113-第二环形凹槽、12-下壳体、121-中间孔、122-第一安装槽、123-第三环形凹槽、124-第二安装槽、2-摩擦发电模块、21-第一摩擦层、22-转子、221-保持圈、222-保持柱、223-圆锥滚子、224-圆柱磁体、23-第二摩擦层、24-电极层、241-内电极、242-外电极、3-电磁发电模块、31-线圈、4-驱动机构、5-锁扣。

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。

本发明的核心是提供一种环境机械能复合收集转化装置，该装置可以针对不同环境的特点对收集装置进行改装替换，以增加整个能量收集装置的应用范围，并且采用电磁、摩擦复合式发电设计，在大量俘获动能的同时，高效转化为电能并完成输出，从而可以实现环境机械能的高功率密度输出和高效的能量转换。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

需要说明的是，下文所述的“上方、下方、左侧、右侧”等方位词都是基于说明书附图所定义的。

请参考图1至图10，图1为本发明实施例公开的一种环境机械能复合收集转化装置的爆炸图；图2为图1的装配结构示意图；图3为图1中上壳体的结构示意图；图4为图1中下壳体的结构示意图；图5为图1中转子的结构示意图；图6为图1中电极层的内电极结构示意图；图7为图1中电极层的外电极结构示意图；图8为一种驱动机构的结构示意图；图9为另一种驱动机构的结构示意图；图10为本发明实施例公开的一种环境机械能复合收集转化装置的整体结构示意图。

本发明实施例所提供的环境机械能复合收集转化装置，用于在不同环境下通过更换对应的驱动机构4来收集当前环境中的机械能，并通过摩擦、电磁复合式的发电模块进行电能的高效转化。环境机械能复合收集转化装置包括摩擦发电模块2和电磁发电模块3，其中，摩擦发电模块2利用摩擦电的原理产生电荷并完成电流的输出，电磁发电模块3通过使线圈31中的磁通量发生变化，从而利用电磁感应原理产生感应电流并输出电流；同时，上述装置还包括设于摩擦发电模块2和电磁发电模块3外部的封装壳体1，该封装壳体1用于带动摩擦发电模块2和电磁发电模块3运行并能够起到防护摩擦发电模块2和电磁发电模块3的作用。

根据不同环境下的应用需要，该封装壳体1上可以设置对应的驱动接口并连接不同的驱动机构4进而实现环境机械能的收集，可以连接用于收集风能、波浪能、雨滴能等环境机械能的机构；这样一来，环境机械能复合收集转化装置能够有效收集环境中多种形式的机械能，可以在不同环境下更换对应机构以收集当前环境中的机械能，提高装置应用范围以及提高周围环境能量的利用率；同时，采用电磁、摩擦复合式发电设计，能够将收集到的机械能高效的转化为电能并完成输出，从而可以实现环境机械能的高功率密度输出和高效的能量转换。

本装置可安装在户外环境中，比如安装风能驱动机构，亦可安装在搭载平台中，比如安装波浪能驱动机构，搭载平台可以是海上的浮标、航行器等设备，搭载平台在波浪的作用下，产生各方向上的晃动，本装置提供的波浪能驱动机构将对搭载平台晃动的能量进行收集并间接的将波浪能转化为电能。

进一步地，摩擦发电模块2包括转子22，该转子22设于封装壳体1的内部，在封装壳体1的上壳体11的旋转带动下，转子22可以实现绕封装壳体1的轴向旋转的功能。

为了实现上述转子22的功能，封装壳体1的内部、且位于转子22的上方设有第一摩擦层21，第一摩擦层21能够与转子22发生摩擦并带动转子22旋转；具体地说，第一摩擦层21贴附于封装壳体1的上壳体11内部并与上壳体11实现固定连接，这样一来，第一摩擦层21能够实现和上壳体11的同步运动，通过摩擦作用可以进一步带动转子22转动。

相应地，封装壳体1的内部、且位于转子22的下方设有第二摩擦层23，当转子22旋转时，第二摩擦层23与转子22发生摩擦作用，这样一来，在上方的第一摩擦层21和下方的第二摩擦层23的作用下，一方面，可以辅助转子22旋转运动，另一方面，通过摩擦起电的效应可以使转子22上的圆锥滚子223带上与两个摩擦层极性相反的电荷。

根据实际需要，第一摩擦层21和第二摩擦层23的材质均可设置为fep或其他易得失电子的非导电材料薄膜，fep即为氟化乙烯丙烯共聚物，该材料不引燃，具有优良的耐磨性，摩擦系数较低；此外，为了适应封装壳体1内部的安装空间以及便于第一摩擦层21和第二摩擦层23的安装稳定性，可以将第一摩擦层21和第二摩擦层23制成圆台状，比如可以通过平面扇形卷曲成立体圆台状，上下两个圆台状摩擦层相对设置，且圆台状的第一摩擦层21的上表面贴附于上壳体11并通过粘接实现固接，圆台状的第二摩擦层23的下表面贴附于下壳体12并通过粘接实现固接。

为了完成电流的输出，该摩擦发电模块2还包括电极层24，电极层24设于封装壳体1的下壳体12中并与第二摩擦层23的下表面贴合，也就是说，电极层24的实际位置应该在第二摩擦层23与封装壳体1的下壳体12之间，并连同第二摩擦层23一起贴附于下壳体12上，在摩擦起电的基础上，电极层24可以通过静电感应的原理来完成电流的输出。

电极层24包括内电极241和外电极242，根据实际需要，内电极241和外电极242均可以设置为圆台斜面的电极，为了便于加工，可设计成如图6和图7的平面样式，图6所示为内电极241的结构示意图，图7所示为外电极242的结构示意图；也就是说，电极层24进行切割后通过首尾相接形成圆台状，以贴附于下壳体12表面，内电极241和外电极242均可以设置为环形薄铜圈加同等数量于转子22上圆锥滚子223的扇形突出，工作时，二者分别首尾相接后相互穿插且不接触，贴附于下壳体12表面。

更进一步地，转子22包括保持圈221、保持柱222、圆锥滚子223和圆柱磁体224；其中，若干个保持柱222沿保持圈221的径向均匀穿入保持圈221并与保持圈221固接，保持圈221和若干个保持柱222组成一个保持架，任一保持柱222上连接有圆锥滚子223，即圆锥滚子223与保持柱222的数量相同，圆锥滚子223用于与第一摩擦层21和第二摩擦层23发生摩擦并能够带上电荷，圆柱磁体224嵌入圆锥滚子223的内部，所有的圆柱磁体224需保证向外一面的极性相同，圆柱磁体224用于实现电磁发电，且圆柱磁体224与圆锥滚子223为一一对应的关系。

由上述可知，转子22夹于封装壳体1的上、下壳体12之间，并由上壳体11和第一摩擦层21利用摩擦力带动转动，例如，可以在保持圈221的环形圈上均布若干个圆孔，圆孔用于安装保持柱222；圆锥滚子223的数量应当设置为不少于3个，其材质采用易带静电的非导电材料，例如：尼龙等，圆锥滚子223的外形可以设置为圆台状，当然，为了有利于圆锥滚子223的转动顺畅，避免非必要摩擦，圆锥滚子223的母线延长至圆锥锥尖，则锥尖应处于整个装置的轴线上；圆锥滚子223的中心有一通孔，用于供圆锥滚子223安装在保持架上，圆锥滚子223的底部有一圆形凹槽，用于内嵌圆柱磁体224，圆柱磁体224的直径可以根据实际的发电需求进行调整。

关于摩擦发电：在第一摩擦层21的摩擦作用下能够带动圆锥滚子223滚动，在圆锥滚子223的滚动过程中，所有圆锥滚子223在保持架的约束下，同时处于外电极242表面上后又同时都运动到内电极241表面上，这样一来，由于局部电荷的不平衡，内外电极242交替出现正负电压，再经过与电线相连，可输出正负交替的交流电，电极层24的工作以及导线连接可以参考现有部分的相关技术要求，此处将不再展开。

电磁发电模块3包括若干个线圈31，线圈31固定安装于封装壳体1的下壳体12中，并沿转子22的周向分布，线圈31通电后能够产生磁场并能够与转子22中的圆柱磁体224配合，且任意两个相邻线圈31串联，线圈31的数量等同转子22中圆锥滚子223的数量。

关于电磁发电，第一摩擦层21带动圆锥滚子223滚动，所有圆锥滚子223在保持架的约束下，带动圆柱磁体224均同时靠近线圈31或同时远离线圈31，这样一来，每个线圈31中磁通量均同时增大或减少，从而由电磁感应原理可串联输出正负交替的交流电。

需要注意的是，上述转子22为摩擦发电模块2和电磁发电模块3共用，在通过封装壳体1的上壳体11将外界能量带入转子22后，转子22自身与两模块的其他组成部分通过电磁转化、摩擦电效应的原理互相弥补输出特点上的不足，共同高效转化输出收集到的能量。

封装壳体1包括上壳体11和下壳体12；其中，上壳体11与第一摩擦层21配合连接，上壳体11能够根据不同的环境设置驱动接口以及连接驱动机构4，以实现不同的机械能收集，通过传递来自驱动机构4上的能量来带动第一摩擦层21运转进而使圆锥滚子223运动；下壳体12设于上壳体11的下方并与上壳体11同轴设置，下壳体12用于固定安装第二摩擦层23和电极层24。此外，需要说明的是，在装置的运行过程中，上壳体11能够跟随驱动机构4运转，而下壳体12固定不动，起到支撑承载的作用。

例如，与上壳体11连接的驱动机构4具体可以设置为风能驱动机构、波浪能驱动机构、雨滴能驱动机构、上升气流能驱动机构4和生物能驱动机构4中的一种。安装风能驱动机构，在野外以风力驱动带动上壳体11运动并转化为电能，收集风能、波浪能的驱动机构4均依靠下侧棱柱突出与上壳体11连接以在外接激励下驱动上壳体11，风能驱动装置上侧为风叶，波浪能驱动装置上侧为一质量复摆嵌入底托内，当然，驱动机构4也可以改进为其他样式用于收集雨滴能、上升气流能等，当然，也可以将驱动机构4改为摇杆结构，这样即可人为驱动发电装置用于实现生物能应急发电。

上壳体11设有位于中心的中间轴111，中间轴111沿靠近下壳体12的方向延伸，转子22可以套在中间轴111上，中间轴111的中心设有通孔，该通孔可以设置为多边形，用于连接驱动机构4并使上壳体11跟随驱动机构4运动；上壳体11的下表面设有位于中间轴111外周的第一环形凹槽112，第一环形凹槽112用于固定安装第一摩擦层21并能够容置圆锥滚子223以供圆锥滚子223沿凹槽的周向顺畅滚动，同时该第一环形凹槽112也能够对圆锥滚子223起到轴向限位作用，当然，根据第一摩擦层21的圆台结构，该第一环形凹槽112同样可以设置为能够与圆台形第一摩擦层21配合连接的圆台形凹槽；上壳体11的下表面还设有位于第一环形凹槽112外周的第二环形凹槽113，该第二环形凹槽113用来避让线圈31，以防止上壳体11与线圈31发生干涉影响装置的稳定运行。

下壳体12包括沿其轴向开设的中间孔121，中间孔121用于供上壳体11的中间轴111穿入；下壳体12还包括若干个沿下壳体12的周向分布的第一安装槽122，第一安装槽122设于下壳体12的上表面靠近最外侧的位置，第一安装槽122用于固定安装线圈31，第一安装槽122的数量与线圈31的数量相等；下壳体12的上表面设有位于中间孔121外周的第三环形凹槽123，第三环形凹槽123用于固定安装第二摩擦层23并能够容置圆锥滚子223以供圆锥滚子223沿第三环形凹槽123的周向顺畅滚动，同时该第三环形凹槽123也能够对圆锥滚子223起到轴向限位作用，当然，第三环形凹槽123也可以设置为能够与圆台形第二摩擦层23配合连接的圆台形凹槽；第三环形凹槽123的上表面还设有第二安装槽124，第二安装槽124用于贴附电极层24，该第二安装槽124设置为与电极层24类似的形状；同时，在第三环形凹槽123内外设置小通孔，其数量与电极层24的扇形对应，小通孔用于穿设电线并使电线与电极层24的内外两极相连。

此外，还包括锁扣5，锁扣5与上壳体11连接，锁扣5用于从下壳体12下部锁住上壳体11，从而可以防止上壳体11在运行过程中脱离下壳体12，相应地，可以在下壳体12的下部开设圆槽，以实现锁扣5的安装和定位。

这样一来，整个装置视环境不同可以安装上不同的驱动机构4，在外界环境的激励下，驱动机构4产生转动运动进而带动上壳体11进行同步旋转运动，之后上壳体11通过第一摩擦层21带动圆锥滚子223进行周向滚动，同时圆锥滚子223与第一、第二摩擦层23相互摩擦产生电荷分离，使圆锥滚子223上带上一种电荷(如正电荷)，摩擦层上带上另一种电荷(如负电荷，两者具体视材质的不同可改变)。

例如，当装置安装上波浪能驱动机构时，装置搭载在水面平台上，与搭载平台在海浪作用下起伏和晃动时，本装置中的驱动机构4会因重力及惯性力作用，在装置内沿轴向发生大角度的摆动甚至转动，之后带动上壳体11、转子22运动，将能量传递至电磁发电模块3、摩擦发电模块2，由电磁感应原理、摩擦电效应、静电感应原理，将最初的机械能转化为电能。当装置上安装风能驱动装置时，装置直接放于风能环境中，由风力驱动驱动机构4进而带动上壳体11、转子22运动，同理便可输出电能，其他驱动方式亦然。

当然，可根据实际情况，调整装置结构中具体需要的圆锥滚子223的数量、长度、底圆直径。随着圆锥滚子223的改变，上壳体11、下壳体12、电极、线圈31等配套结构大小尺寸均随之改变；驱动机构4的大小要适应于装置，以避免驱动机构4无法带动装置的情况，在装置结构不变的情况下，驱动机构4的调整(如增大受力结构，改进叶片方向等)能更有利地为环境机械能复合收集转化装置提供稳定的动力或辅助装置使能够输出更稳定。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的环境机械能复合收集转化装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。