一种基于飞轮结构的摩擦纳米发电装置

本发明涉及发电装置领域，具体而言，尤其涉及一种基于飞轮结构的摩擦纳米发电装置。

背景技术：

随着化石燃料能源的快速消耗使用及电池技术发展的缓慢，基于摩擦电荷静电感应原理的摩擦纳米发电机近些年来发展迅猛，其制造工艺结构简单，材料便宜易获得，发电电压高等特点，使得摩擦纳米发电机成为未来收集各种环境能源转化为电能的重要选择。但是，大多数市面上现有的摩擦纳米发电机，由于其结构上的限制，无法从自然界中较低频率的输入激励转化为输出较稳定的电流特性，如何从自然界海洋中低频率激励转化为高频率高稳定性的电流输出成为了其最棘手的问题之一。所以改变其触发结构，提升摩擦纳米发电机的能量转化效率和能量输出稳定性成为了解决此问题的方法之一。

技术实现要素：

根据上述提出缺乏兼顾能量转化效率以及能量稳定输出能力的摩擦纳米发电机的技术问题，而提供一种基于飞轮结构的摩擦纳米发电装置。本发明既能产生高压达到高电压输出效果、又能对自然界中低频率激励转化为稳定高频率的输出特性。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于飞轮结构的摩擦纳米发电装置，包括海浪触发装置、陀飞轮机构以及转盘式摩擦纳米发电机，所述海浪触发装置的动力输出端连接到陀飞轮机构的驱动端，所述陀飞轮机构的动力输出端连接到所述转盘式摩擦纳米发电机的驱动端，所述转盘式摩擦纳米发电机的电力输出端连接至蓄电池或者用电器；

其中，所述海浪触发装置用于将海水周期性波动的产生的波浪动能转换为陀飞轮机构转动的驱动力；所述陀飞轮机构用于通过动力传导将所述驱动力施加至转盘式摩擦纳米发电机，促使转盘式摩擦纳米发电机的发电薄膜产生相对运动，从而产生电能。

进一步地，所述海浪触发装置包括浮球、齿条套筒、齿条、棘轮以及棘爪，所述浮球通过齿条套筒固定在齿条的一端，所述齿条与棘轮外齿啮合，棘轮内齿与棘爪相啮合；

波浪激励所述浮球周期性起伏，使得齿条随着浮球上下移动，从而带动棘轮转动。

进一步地，所述陀飞轮机构主要包括弹性储能组件以及能量释放组件；所述弹性储能组件与所述海浪触发装置的棘轮相连，将棘轮转动的动能转化为弹性势能，并通过能量释放组件缓慢释放给转盘式摩擦纳米发电机，带动发电薄膜产生相对运动。

进一步地，所述弹性储能组件包括发条；

所述能量释放组件包括发条转柄、主弹簧、棘轮、发条盒齿轮、棘轮弹簧、桶形棘爪、传动齿轮、擒纵轮、擒纵叉、冲击销外壳以及游丝；

所述发条通过发条转柄与棘轮相连；主弹簧套在棘轮轴之上，棘轮轮齿末端与发条盒内齿啮合，桶形棘爪套在棘轮弹簧上，桶形棘爪在发条盒齿轮下方与发条盒齿轮外齿相啮合，棘轮弹簧固定于内支架上

所述发条盒齿轮与传动齿轮小齿外啮合，传动齿轮大齿与擒纵轮小齿相啮合，擒纵轮大齿与擒纵叉上下两拨叉相啮合；擒纵叉末端通过销钉与冲击销外壳相连，冲击销外壳与转盘式摩擦纳米发电机的转子相连，转子与固定于后支架的游丝相连。

进一步地，所述发条、发条转柄、棘轮、主弹簧与发条盒齿轮同轴心。

进一步地，所述转盘式摩擦纳米发电机包括定子和转子；

所述定子安装固定在陀飞轮机构的底座之上；

所述转子安装在陀飞轮机构中游丝之上，与游丝具有相同的运动趋势；

所述定子的第一表面上贴附铜电极膜，所述第一表面与转子相对；

所述转子的第二表面上贴附fep膜，所述第二表面与定子相对；

所述铜电极膜与fep膜的表面相互接触。

进一步地，所述定子为圆盘结构；所述转子为圆周小扇型结构。

进一步地，所述定子和转子均包括10片面积相等的扇形叶片。

进一步地，所述转盘式摩擦纳米发电机的电力输出端通过桥式电路连接至蓄电池或者用电器。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明基于陀飞轮独特的结构与工作原理，可以通过发条将自然界中波浪能低频率激励转化为持续稳定的输出频率，和其他利用波浪能的摩擦纳米发电装置相比，可以保持更加稳定的电能输出特性。

2、本发明中发条可以蓄能，在能量输入过多时可将能量储存，再在输入不足时缓慢释放，保证发电装置持续稳定工作。

3、本发明可以进行二次设计，能够根据环境不同适配不同的能量收集装置，可以在更多的场景进行使用。

4、本发明外接输出由发条做转接，使外接触发频率、装置固有频率、发电频率三者分离。

5、本发明中海浪触发装置为独立的结构，可以有很多形式，不局限于一种，不同形式的海浪触发装置可根据工作环境不同进行更换。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于飞轮结构的摩擦纳米发电装置结构主视图。

图2为本发明基于飞轮结构的摩擦纳米发电装置结构轴测图。

图3为本发明转子结构示意图。

图4为本发明定子结构示意图。

图5为本发明陀飞轮结构主视图。

图6为本发明陀飞轮结构轴测图。

图7为本发明摩擦纳米发电机外接整流电路示意图。

图中：1、齿条；2、棘轮；3、传动齿轮；4、擒纵轮；5、齿条套筒；6、浮球；7、fep膜；8、铜电极膜；9、支架；10、支架；11、支架；12、转子；13、定子；14、发条；15、发条盒齿轮；16、棘轮；17、支架；18、支架；19、主弹簧；20、支架；21、冲击销外壳；22、游丝；23、支架；24、擒纵叉；25、桶形棘爪；26、棘轮弹簧；27、发条转柄。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供了一种基于飞轮结构的摩擦纳米发电装置，包括海浪触发装置、陀飞轮机构以及转盘式摩擦纳米发电机。其中海浪触发装置的动力输出端连接到陀飞轮机构的驱动端，陀飞轮机构的动力输出端连接到所述转盘式摩擦纳米发电机的驱动端，所述转盘式摩擦纳米发电机的电力输出端连接至蓄电池或者用电器。海浪触发装置用于将海水周期性波动的产生的波浪动能转换为陀飞轮机构转动的驱动力；所述陀飞轮机构用于通过动力传导将所述驱动力施加至转盘式摩擦纳米发电机，促使转盘式摩擦纳米发电机的发电薄膜产生相对运动，从而产生电能。

具体来说，转盘式摩擦纳米发电机包括定子和转子，所述定子固定安装在装置底座上，所述转子安装在陀飞轮游丝结构上，转子与定子可相对转动；所述定子与转子相对的表面贴附铜电极膜；所述转子与定子相对的表面贴附fep膜；所述铜电极膜与fep膜的表面相互接触。所述定子为圆盘结构，所述转子为圆周小扇型结构。进一步优选地，所述定子和转子分别由20、10个面积相等的扇形结构组成：所述fep膜的平面形状为扇形，所述铜电极膜的平面形状为扇形。

进一步地，所述海浪触发装置包括浮球、齿条套筒、齿条、棘轮以及棘爪，所述浮球通过齿条套筒固定在齿条的一端，所述齿条与棘轮外齿啮合，棘轮内齿与棘爪相啮合；波浪激励所述浮球周期性起伏，使得齿条随着浮球上下移动，从而带动棘轮转动。

具体来说，大海的海面随着风浪上下起伏，海浪的激励使浮球上下移动从而带动齿轮齿条工作，齿轮的旋转带动棘轮棘爪系统工作，从而上紧陀飞轮结构的发条。本文中只给出了浮球式棘轮棘爪海浪触发装置，可依据具体工作状态的不同，灵活进行切换海浪触发装置。

进一步地，所述陀飞轮机构主要包括弹性储能组件以及能量释放组件；所述弹性储能组件与所述海浪触发装置的棘轮相连，将棘轮转动的动能转化为弹性势能，并通过能量释放组件缓慢释放给转盘式摩擦纳米发电机，带动发电薄膜产生相对运动。

具体来说，陀飞轮结构包括发条装置、齿轮传动机构、擒纵装置、底座支架。其工作原理如下：在外部的作用力下为发条输入能量，上紧发条后，发条具有变松的趋势，因此发条盒转动。发条盒转动带动齿轮转动。齿轮最终会带动擒纵轮转动，但擒纵轮为间歇转动的机械部件，它的运动状态被擒纵叉控制。擒纵轮与擒纵叉构成擒纵装置。擒纵叉的摆动被游丝与摆盘控制。游丝与摆盘相互连接，游丝像弹簧一样使得摆盘做简谐运动，即摆盘的往复旋转。摆盘上有一小销，在往复运动中将碰撞擒纵叉，使其发生摆动，擒纵叉在摆动的过程中会控制擒纵轮的间歇转动。在发条源源不断的能量输出下，由发条、齿轮、擒纵轮、擒纵叉、游丝、摆轮构成的系统将以一特定频率(该频率由游丝与摆轮的简谐运动频率决定)持续工作。

进一步地，转盘式摩擦纳米发电机的电力输出端通过桥式电路连接至蓄电池或者用电器。

下面通过具体的应用实例对本发明的方案进行详细说明。

如图1-7所示，一种陀飞轮结构摩擦纳米发电装置，包括海浪触发装置、陀飞轮机构、摩擦纳米发电机。海浪触发装置的一端连接陀飞轮机构，所述陀飞轮机构的另一端连接转盘式摩擦纳米发电机，所述转盘式摩擦纳米发电机的输出端连接外电路到充电电源或各用电器进行供电输出。摩擦纳米发电机包括定子13和转子12，所述定子13安装固定在陀飞轮机构的底座17之上，所述转子12安装在陀飞轮机构中游丝22之上，与游丝22具有相同的运动趋势；所述定子13与转子12相对的表面贴附铜电极膜8；所述转子12与定子13相对的表面贴附fep膜7；所述铜电极膜8与fep膜7的表面相互接触。所述定子13为圆盘结构；所述转子12为圆周小扇型结构。所述定子13和转子12分别由20、10个面积相等的扇形结构组成：所述fep膜7的平面形状为扇形，所述铜电极膜8的平面形状为扇形。

进一步地，陀飞轮机构包括发条14、发条转柄27、主弹簧19、棘轮16、发条盒齿轮15、棘轮弹簧26、桶形棘爪25、传动齿轮3、擒纵轮4、擒纵叉24、冲击销外壳21、游丝22、支架(20、17、18、23、9、10、11)；发条14通过发条转柄27与棘轮16相连；主弹簧19套在棘轮轴16之上，棘轮16轮齿末端与发条盒15内齿啮合，桶形棘爪25套在棘轮弹簧26上，桶形棘爪25在发条盒齿轮15下方与发条盒齿轮15外齿相啮合，棘轮弹簧26固定于内支架20上。其中发条14、发条转柄27、棘轮16、主弹簧19与发条盒齿轮15同轴心。发条盒齿轮15与传动齿轮3小齿外啮合，传动齿轮3大齿与小齿同轴同转速，传动齿轮3大齿与擒纵轮4小齿相啮合，擒纵轮4大齿与小齿同轴同转速，擒纵轮4大齿与擒纵叉24上下两拨叉相啮合；擒纵叉24末端通过销钉与冲击销外壳21相连，冲击销外壳21通过圆周两槽内的销钉与转盘式摩擦纳米发电机的转子12相连，转子12与固定于后支架17的游丝22相连。其中发条转柄27连接在支架20之上，传动齿轮3和擒纵轮4与矩形支架10相连接，擒纵轮4另一端与支架11相连接，擒纵叉24与内支架23相连，各支架处于同一水平线之上。

所述海浪触发装置包括浮球6、齿条套筒5、齿条1、棘轮2、棘爪14(即陀飞轮机构发条)。浮球6为空心结构浮于海面之上，齿条套筒5固定于浮球上；浮球6上方连接齿条1，齿条1与棘轮2外齿相啮合；棘轮2内齿与棘爪14相啮合，棘爪14的转动即为上紧发条的过程。

本发明的工作原理如下：本发明海浪拍打带动海浪触发装置工作，海浪触发装置经过陀飞轮机构储存能量，稳定持续带动转盘式摩擦纳米发电机运转，转子12上的fep膜7随转子12做往复旋转运动与定子13上的铜电极膜8产生接触分离运动产生电能，然后通过外电路为电源充电或为传感器等用电器即时供电。

海浪触发装置工作过程，海浪的上下起伏带动浮球6上下浮动，从而带动齿条1上下线性运动，齿条1与棘轮2外齿相啮合，从而带动棘轮2转动，棘轮2内齿与棘爪14相啮合，齿条1向上运动时，带动棘轮2棘爪14顺时针运动，上紧发条。当齿条1向下时，棘轮2逆时针转动，由于棘轮棘爪机构的运动单向性，棘爪14并不会逆时针转动。即不会放松发条。

陀飞轮机构工作过程，上紧发条14后，发条主弹簧19具有变松的趋势，因此发条主弹簧19带动棘轮16逆时针转动。棘轮16轮齿与发条盒齿轮15内齿啮合，因此带动发条盒齿轮15转动。发条盒齿轮15与传动齿轮3小齿外啮合从而带动传动齿轮3顺时针旋转，传动齿轮3大齿轮与擒纵轮4小齿相啮合，最终会带动擒纵轮4逆时针转动，但擒纵轮4为间歇转动的机械部件，它的运动状态被擒纵叉24控制。擒纵叉24的摆动被游丝22与转子12控制。游丝22与转子12相互连接，游丝22像弹簧一样使得转子12做简谐运动，即转子12的往复旋转。冲击销外壳21上有一小销，在往复运动中将碰撞擒纵叉24，使其发生摆动，擒纵叉24在摆动的过程中会控制擒纵轮4的间歇转动。而如果出现意外情况，即发条盒齿轮15受反向力有回转的趋势时桶形棘爪25与棘轮弹簧26工作，桶形棘爪25会卡到发条盒齿轮15外齿内，阻止其逆向旋转。在发条14源源不断的能量输出下，由发条14、齿轮(15、3)、擒纵轮4、擒纵叉24、游丝22、转子12构成的系统将以一特定频率(该频率由游丝22与转子12的简谐运动频率决定)持续工作。

摩擦纳米发电机工作过程，fep膜7与铜电极膜8初始处于接触状态，铜电极膜8中电子为自由电子。由于电负性的差异，铜电极膜8中的一部分电子转移到了fep膜7中，达到了平恒状态。fep膜7随转子12转动时，当fep膜7开始与两块铜电极膜8同时接触时，第二块铜电极膜8中一部分电子转移到了fep膜7上，第一块铜电极膜8向fep膜7上转移的电子数量减少，间接的实现了电子在两块铜电极膜8上的运动，产生了感应电流。摩擦纳米发电机完成发电工作，两极经整流二极管外电路(图6)即可为各用电器供电。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。