一种波浪冲击式压电-摩擦能量采集装置及方法与流程

本发明涉及摩擦发电技术及再生能源领域，尤其涉及一种波浪冲击式压电-摩擦能量采集装置及方法。

背景技术：

随着人们生活水平的提高，人们对电的需求越来越大，传统的发电装置结构复杂，操作复杂，造价成本高，而且越来越多的资源被开发利用起来，各种不可再生资源被不断使用已经变得越来越少，而且在使用的过程当中大量的污染也在逐渐产生，废水，废气，废渣不断增加，环境被破坏，传统的发电装置所需的能源需要不断的开采和运输，不仅浪费了大量的人力和物力，且对环境产生严重污染。

由于不可再生能源的日益消耗和环境问题的日益突出，绿色新能源的开发与研究将会成为新的趋势。相反，海洋能源是一种绿色清洁能源，它廉价洁净且取之不尽用之不竭。因此，如何有效利用浩瀚的海洋开发潮汐和海浪中蕴含的能量已成为当今各国争相研究的重要课题。作为一个新的研究领域，通过利用有效的技术手段，高效收集和储存海洋波浪运到中的能量，来实现微纳系统的可持续运转，对于实现可持续发展具有重大的意义，同时也是亟待解决的技术难题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种波浪冲击式压电-摩擦能量采集装置，所述装置由多个浮箱通过软管连接在一起形成浮箱阵列，所述浮箱由箱体、能量采集装置和整流桥组成，所述采集装置和所述整流桥设置在所述箱体内。

其中，所述能量采集装置为跷跷板式结构。

其中，所述能量采集装置由支座、连接板、翘板、第一电极、第二电极和滑块及罩组成；所述支座设置在所述箱体底部，所述连接板通过芯轴与所述支座连接，所述翘板固定在所述连接板上方，所述第一电极和所述第二电极并列设置在所述翘板上方，所述滑块设置在所述第一电极和所述第二电极上方，所述罩设置在所述滑块上方用于密封所述第一电极、所述第二电极和所述滑块。

其中，所述翘板两侧分别设有弹性金属片、压电片和金属电极片，所述压电片和所述金属电极片由内至外并列设置在所述翘班两侧端部，所述金属片设置在所述翘班两侧上方并位于所述罩外侧。

其中，所述第一电极和所述第二电极互不连接。

其中，所述第一电极和所述第二电极采用正极性摩擦材料制成。

其中，所述第一电极和所述第二电极采用铝、铜或金中的任意一种金属材料制成。

其中，所述滑块采用负极性摩擦材料制成。

其中，所述滑块采用全氟乙烯丙烯共聚物或聚四氟乙烯中的任意一种制成。

本发明第二方面提供了一种波浪冲击式压电-摩擦能量采集方法，其特征在于：将压电-摩擦能量采集装置放置在波浪环境中，在波浪冲击下，浮箱发生运动，带动箱体内能量采集装置中的翘板左右交替倾斜，滑块在第一电极和第二电极上往复滑动摩擦，在所述第一电极和所述第二电极表面产生不同数量的电荷，从而在所述第一电极和所述第二电极间产生电流，产生的电流经所述整流桥整流为直流电输出至外界蓄能装置；同时所述滑块运动到端部时将冲击弹性金属片使其弯曲变形，压电片受到所述弹性金属片的压力后在表面产生电荷，所述弹性金属片作为所述压电片的一个电极，所述金属电极片作为所述压电片的另一个电极，通过导线形成回路将产生的电流经整流桥整流为直流电输出至外界蓄能装置。

本发明的有益效果：

本发明提供的压电-摩擦能量采集装置设计科学合理，组合具有很大的灵活性，从小的发电单元可以任意匹配成大的发电单元，发电单元可以简单快速的复制扩大；以海洋波浪能为动力，无污染、取之不尽、用之不竭、转换率高，可满足人们日常生活及社会大发展的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中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一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的压电-摩擦能量采集装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的压电-摩擦能量采集装置中浮箱的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的压电-摩擦能量采集装置中带罩的能量采集装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的压电-摩擦能量采集装置中能量采集装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的压电-摩擦能量采集装置中能量采集装置端部的放大结构示意图；

图6是采用本发明实施例提供的压电-摩擦能量采集装置采集摩擦能量的发电原理示意图；

图7是采用本发明实施例提供的压电-摩擦能量采集装置采集压电的发电原理示意图；

附图中附图标记所对应的名称为：1-浮箱，11-箱体，12-能量采集装置，121-支座，122-芯轴，123-连接板，124-翘板，125-第一电极，126-第二电极，127-滑块，128-罩，13-整流桥，2-软管，3-弹性金属片，4-压电片，5-金属电极片。

具体实施方式

以下是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种波浪冲击式压电-摩擦能量采集装置，如图1-5所示，所述装置由多个浮箱1通过软管2连接在一起形成浮箱阵列，所述浮箱1由箱体11、能量采集装置12和三个整流桥13组成，所述采集装置12和所述整流桥13设置在所述箱体11内；所述箱体11由轻质塑料板连接形成密封空腔。

所述能量采集装置12为跷跷板式结构，所述能量采集装置12由支座121、连接板123、翘板124、第一电极125、第二电极126和滑块127及罩128组成；所述支座121设置在所述箱体11底部，所述连接板123通过芯轴122与所述支座121连接，所述翘板124固定在所述连接板123上方，所述第一电极125和所述第二电极126并列设置在所述翘板124上方，所述滑块127设置在所述第一电极125和所述第二电极126上方，所述罩128设置在所述滑块127上方用于密封所述第一电极125、所述第二电极126和所述滑块127。

所述翘板124两侧分别设有弹性金属片3、压电片4和金属电极片5，所述压电片4和所述金属电极片5由内至外并列设置在所述翘班124两侧端部，所述金属片3设置在所述翘班124两侧上方并位于所述罩128外侧。

所述第一电极125和所述第二电极126互不连接，所述第一电极125和所述第二电极126采用正极性摩擦材料铝制成；所述滑块127采用负极性摩擦材料全氟乙烯丙烯共聚物制成。

实施例2

本发明提供了一种波浪冲击式压电-摩擦能量采集装置，如图1-5所示，所述装置由多个浮箱1通过软管2连接在一起形成浮箱阵列，所述浮箱1由箱体11、能量采集装置12和三个整流桥13组成，所述采集装置12和所述整流桥13设置在所述箱体11内；所述箱体11由轻质塑料板连接形成密封空腔。

所述能量采集装置12为跷跷板式结构，所述能量采集装置12由支座121、连接板123、翘板124、第一电极125、第二电极126和滑块127及罩128组成；所述支座121设置在所述箱体11底部，所述连接板123通过芯轴122与所述支座121连接，所述翘板124固定在所述连接板123上方，所述第一电极125和所述第二电极126并列设置在所述翘板124上方，所述滑块127设置在所述第一电极125和所述第二电极126上方，所述罩128设置在所述滑块127上方用于密封所述第一电极125、所述第二电极126和所述滑块127。

所述翘板124两侧分别设有弹性金属片3、压电片4和金属电极片5，所述压电片4和所述金属电极片5由内至外并列设置在所述翘班124两侧端部，所述金属片3设置在所述翘班124两侧上方并位于所述罩128外侧。

所述第一电极125和所述第二电极126互不连接，所述第一电极125和所述第二电极126采用正极性摩擦材料铜制成；所述滑块127采用负极性摩擦材料聚四氟乙烯制成。

实施例3

本发明提供了一种波浪冲击式压电-摩擦能量采集装置，如图1-5所示，所述装置由多个浮箱1通过软管2连接在一起形成浮箱阵列，所述浮箱1由箱体11、能量采集装置12和三个整流桥13组成，所述采集装置12和所述整流桥13设置在所述箱体11内；所述箱体11由轻质塑料板连接形成密封空腔。

所述能量采集装置12为跷跷板式结构，所述能量采集装置12由支座121、连接板123、翘板124、第一电极125、第二电极126和滑块127及罩128组成；所述支座121设置在所述箱体11底部，所述连接板123通过芯轴122与所述支座121连接，所述翘板124固定在所述连接板123上方，所述第一电极125和所述第二电极126并列设置在所述翘板124上方，所述滑块127设置在所述第一电极125和所述第二电极126上方，所述罩128设置在所述滑块127上方用于密封所述第一电极125、所述第二电极126和所述滑块127。

所述翘板124两侧分别设有弹性金属片3、压电片4和金属电极片5，所述压电片4和所述金属电极片5由内至外并列设置在所述翘班124两侧端部，所述金属片3设置在所述翘班124两侧上方并位于所述罩128外侧。

所述第一电极125和所述第二电极126互不连接，所述第一电极125和所述第二电极126采用正极性摩擦材料金制成；所述滑块127采用负极性摩擦材料全氟乙烯丙烯共聚物制成。

实施例4

本发明提供了一种波浪冲击式压电-摩擦能量采集装置，如图1-5所示，所述装置由多个浮箱1通过软管2连接在一起形成浮箱阵列，所述浮箱1由箱体11、能量采集装置12和三个整流桥13组成，所述采集装置12和所述整流桥13设置在所述箱体11内；所述箱体11由轻质塑料板连接形成密封空腔。

所述能量采集装置12为跷跷板式结构，所述能量采集装置12由支座121、连接板123、翘板124、第一电极125、第二电极126和滑块127及罩128组成；所述支座121设置在所述箱体11底部，所述连接板123通过芯轴122与所述支座121连接，所述翘板124固定在所述连接板123上方，所述第一电极125和所述第二电极126并列设置在所述翘板124上方，所述滑块127设置在所述第一电极125和所述第二电极126上方，所述罩128设置在所述滑块127上方用于密封所述第一电极125、所述第二电极126和所述滑块127。

所述翘板124两侧分别设有弹性金属片3、压电片4和金属电极片5，所述压电片4和所述金属电极片5由内至外并列设置在所述翘班124两侧端部，所述金属片3设置在所述翘班124两侧上方并位于所述罩128外侧。

所述第一电极125和所述第二电极126互不连接，所述第一电极125采用正极性摩擦材料铝制成，所述第二电极126采用正极性摩擦材料铜制成；所述滑块127采用负极性摩擦材料全氟乙烯丙烯共聚物制成。

实施例5

本发明提供了一种波浪冲击式压电-摩擦能量采集装置，如图1-5所示，所述装置由多个浮箱1通过软管2连接在一起形成浮箱阵列，所述浮箱1由箱体11、能量采集装置12和三个整流桥13组成，所述采集装置12和所述整流桥13设置在所述箱体11内；所述箱体11由轻质塑料板连接形成密封空腔。

所述能量采集装置12为跷跷板式结构，所述能量采集装置12由支座121、连接板123、翘板124、第一电极125、第二电极126和滑块127及罩128组成；所述支座121设置在所述箱体11底部，所述连接板123通过芯轴122与所述支座121连接，所述翘板124固定在所述连接板123上方，所述第一电极125和所述第二电极126并列设置在所述翘板124上方，所述滑块127设置在所述第一电极125和所述第二电极126上方，所述罩128设置在所述滑块127上方用于密封所述第一电极125、所述第二电极126和所述滑块127。

所述翘板124两侧分别设有弹性金属片3、压电片4和金属电极片5，所述压电片4和所述金属电极片5由内至外并列设置在所述翘班124两侧端部，所述金属片3设置在所述翘班124两侧上方并位于所述罩128外侧。

所述第一电极125和所述第二电极126互不连接，所述第一电极125采用正极性摩擦材料铝制成，所述第二电极126采用正极性摩擦材料金制成；所述滑块127采用负极性摩擦材料聚四氟乙烯制成。

采用本发明提供的波浪冲击式压电-摩擦能量采集装置采集能量的方法为：将压电-摩擦能量采集装置放置在波浪环境中，在波浪冲击下，浮箱1发生运动，带动箱体11内能量采集装置12中的翘板124左右交替倾斜，滑块127在第一电极125和第二电极126上往复滑动摩擦，在所述第一电极125和所述第二电极126表面产生不同数量的电荷，从而在所述第一电极125和所述第二电极126间产生电流，产生的电流经所述整流桥13整流为直流电输出至外界蓄能装置；同时所述滑块127运动到端部时将冲击弹性金属片3使其弯曲变形，压电片4受到所述弹性金属片3的压力后在表面产生电荷，所述弹性金属片3作为所述压电片4的一个电极，所述金属电极片5作为所述压电片4的另一个电极，通过导线形成回路将产生的电流经整流桥5整流为直流电输出至外界蓄能装置。

进一步地，对本发明提供的波浪冲击式摩擦能量采集装置采集能量的方法工作原理叙述如下：滑块127与第一电极125接触后摩擦产生静电荷，滑块127接触表面的负电荷与第一电极125表面的正电荷相等；当滑块127与第一电极125完全重合时，如图6（i）所示，所有回路中的正电荷将被吸引到第一电极125的上表面，然后当翘板124右倾时，滑块127向第二电极126一侧滑动，回路上的正电荷将通过负载第一电极125向第二电极126流动。当滑块127与第二电极126重合时，如图6（ii）所示，所有的正电荷将流入第二电极126，这是发电的前半个周期。当翘板124左倾时，滑块127将从第二电极126向第一电极125移动，此时移动方向与正电荷移动方向相同，在负载上形成一个方向电流，这是发电的后半个周期。通过将电极产生的电流通过整流桥13整流为直流电后输出至外界蓄能装置。

另一方面，如图7所示，当滑块127运动到端部将冲击弹性金属片3使其弯曲变形，贴在弹性金属片13根部的压电片4也同样受力发生变形，根据压电材料的性质，压电片4在受到应力作用下上下表面将产生电荷，弹性金属片3作为压电片4的一个电极，金属电极片5作为压电片的另一个电极，通过导线与弹性金属片3及金属电极片5连接形成的回路将产生的电流经整流桥5整流为直流电输出至外界蓄能装置。

通过上述方法，实现了以海洋波浪能为动力、通过摩擦起电原理，达到了发电的目的。本发明提供的压电-摩擦能量采集装置设计科学合理，组合具有很大的灵活性，从小的发电单元可以任意匹配成大的发电单元，发电单元可以简单快速的复制扩大；且无污染、取之不尽、用之不竭、转换率高，可满足人们日常生活及社会大发展的需求。

以上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本发明专利范围的限制。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，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。