涡轮盘式摩擦纳米发电机的制作方法

1.本实用新型涉及摩擦纳米发电技术领域。具体地说是涡轮盘式摩擦纳米发电机。


背景技术：

2.目前，能源短缺问题已成为世界各国广泛关注的重要问题，传统的化石燃料不仅对周围环境造成污染，而且是不可再生的能源，因此越来越多的科学家不得不探索新能源。在对风能的开发和利用过程中，采用传统电磁发电机不仅转换效率低、制备成本高，还存在发电机容易受到环境侵蚀等问题。
3.摩擦纳米发电机(teng)于2012年发明，是一项将机械能转化为电能的有前途的技术，它可以有效地收集环境机械能源，并将各种能源转化为电能，如风能、振动能、雨滴能、生物能和蓝色能源；与传统电磁发电机相比，它具有轻巧、制造方便、转换效率高、材料选择多样、应用范围广等独特优势。但目前，将摩擦纳米发电机用于风能的收集发电技术还不成熟，尤其是对地面附近的低速风能采集的效率不高，对安装环境有一定的要求，且耐用性也较差。


技术实现要素：

4.为此，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种可以有效收集地面附近的低风速风能，对安装环境要求较低，且耐用性好的涡轮盘式摩擦纳米发电机，以解决当前风能发电机只能在高空建造，且存在会破坏环境、改变气候或影响飞行动物，以及耐用性差等问题。
5.为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：
6.涡轮盘式摩擦纳米发电机，包括摩擦纳米发电机单元、绝缘涡轮盘、导电滑环和钢管；所述绝缘涡轮盘有两个或两个以上，每个所述绝缘涡轮盘上均安装有两个或两个以上所述摩擦纳米发电机单元，两个或两个以上所述摩擦纳米发电机单元沿所述绝缘涡轮盘的周向等间距分布；每个所述绝缘涡轮盘的中心均开设有导电滑环安装孔，所述导电滑环安装在所述导电滑环安装孔中且与所述绝缘涡轮盘相对固定在一起，所述钢管上套装有与所述绝缘涡轮盘数量相等的第一轴承，每个所述绝缘涡轮盘通过其上的所述导电滑环套装在所述第一轴承上，所述绝缘涡轮盘与其上的所述导电滑环一起可以所述钢管为轴旋转；所述钢管的底端固定安装在底座上。
7.上述涡轮盘式摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机单元包括风扇叶、衬底和转轴；所述转轴的两端分别安装有第二轴承，所述第二轴承安装在所述绝缘涡轮盘的上，所述衬底固定在所述绝缘涡轮盘的上表面上，所述风扇叶与所述转轴固定连接且所述风扇叶位于所述衬底的正上方，所述风扇叶可以所述转轴为轴转动做远离或靠近所述衬底的往复运动。
8.上述涡轮盘式摩擦纳米发电机，所述绝缘涡轮盘的上表面沿周向等间距设置有与所述摩擦纳米发电机单元相同数量的转轴仓，所述绝缘涡轮盘的下表面沿周向等间距设置
teng)可以输出230v的开路电压和短路电流9μa,转移电荷的数量82nc,且在外接负载电阻为7mω时，最大峰值功率达到0.37mw,这可以直接点亮180串联发光二极管。
附图说明
20.图1本实用新型涡轮盘式摩擦纳米发电机的结构示意图；
21.图2本实用新型涡轮盘式摩擦纳米发电机的另一张结构示意图；
22.图3本实用新型摩擦纳米发电机单元安装在绝缘涡轮盘上的结构示意图；
23.图4本实用新型绝缘涡轮盘的下底面的结构示意图；
24.图5本实用新型绝缘涡轮盘的上表面的结构示意图；
25.图6本实用新型风扇叶的结构示意图(仰视图)；
26.图7本实用新型风扇叶的另一张结构示意图(俯视图)；
27.图8本实用新型衬底的结构示意图；
28.图9本实用新型衬底的另一张结构示意图；
29.图10本实用新型导电滑环的结构示意图。
30.图中附图标记表示为：1-底座；2-钢管；3-绝缘涡轮盘；4-摩擦纳米发电机单元；5-圆锥体；6-导电滑环；7-转轴仓；8-固定螺栓孔；9-导电滑环安装孔；10-轴承安装孔；11-第二轴承；12-风扇叶；13-第一磁铁；14-第二磁铁；15-衬底；16-盖板；17-支撑板；18-翻边板；19-安装耳；20-转轴；21-转轴凹槽；22-第一侧板；23-挡板；24-第二侧板；25-主板。
具体实施方式
31.本实施例的涡轮盘式摩擦纳米发电机结构如图1和图2所示，包括摩擦纳米发电机单元4、绝缘涡轮盘3、导电滑环6和钢管2；绝缘涡轮盘3有两个，每个绝缘涡轮盘3上均安装有3个摩擦纳米发电机单元4，3个摩擦纳米发电机单元4沿绝缘涡轮盘3的周向等间距分布；每个绝缘涡轮盘3的中心均开设有导电滑环安装孔9，导电滑环6安装在导电滑环安装孔9中且与绝缘涡轮盘3相对固定在一起，钢管2上自上而下依次套装有3个第一轴承，每个所述绝缘涡轮盘3通过其上的导电滑环6套装在第一轴承上，绝缘涡轮盘3与其上的导电滑环6一起可以钢管2为轴旋转，两个绝缘涡轮盘3的直径自上而下依次增大，上面的绝缘涡轮盘3的直径为26
㎝
，下面的绝缘涡轮盘3的直径为32cm；钢管2的底端固定安装在底座1上，钢管2的自由端的端头固定安装有圆锥体5。
32.如图3、图6和图9所示，摩擦纳米发电机单元4包括风扇叶12、衬底15和转轴20；转轴20的两端分别安装有第二轴承11，第二轴承11安装在绝缘涡轮盘3的上表面上，衬底15固定在绝缘涡轮盘3的上表面上，风扇叶12与转轴20固定连接且风扇叶12位于衬底15的正上方，风扇叶12能够以转轴20为轴转动做远离或靠近衬底15的往复运动。风扇叶12的上表面上邻近转轴20的位置上设置有第一磁铁13，见图7；挡板23上设置有第二磁铁14，且第二磁铁14与第一磁铁13为同极磁铁，当风扇叶以转轴转动靠近挡板时，第一磁铁和第二磁铁的磁极面相对，因此，风扇叶下落时除了受到逆风与自身重力作用外，还受到第二磁铁与第一磁铁之间的斥力作用，使它更快速的与衬底的接触，见图3。
33.风扇叶12自上而下依次包括第一树脂壳、第一铝电极层和第一摩擦介电膜；衬底15自下而上依次包括第二树脂壳、第二铝电极层和第二摩擦介电膜；风扇叶12与衬底15通
过第一摩擦介电膜和第二摩擦介电膜原位接触，即第一摩擦介电膜和第二摩擦介电膜在接触时不发生相对滑动。第一摩擦介电膜为氟化乙丙烯膜(fep膜)，第二摩擦介电膜为聚丙烯膜(pp膜)；第一摩擦介电膜的厚度和第二摩擦介电膜的厚度均为80μm，第一铝电极层的厚度和第二铝电极层的厚度均为20μm；上面的绝缘涡轮盘3上的风扇叶12的有效接触面积为44cm2,下面的绝缘涡轮盘3上的风扇叶12的有效接触面积为83cm2,第二树脂壳为中空结构，见图8。
34.如图4、图5和图10所示，绝缘涡轮盘3的上表面沿周向等间距设置有与摩擦纳米发电机单元4相同数量的转轴仓7，绝缘涡轮盘3的下表面沿周向等间距设置有与摩擦纳米发电机单元4相同数量的支撑板17，且支撑板17在绝缘涡轮盘3的周向方向上与转轴仓7交替设置；转轴20和第二轴承11均位于转轴仓7内；绝缘涡轮盘3上开设有固定螺栓孔8，导电滑环6圆周面上的安装耳19与固定螺栓孔8通过螺栓固定连接。
35.如图5所示，转轴仓7包括转轴凹槽21、第一侧板22、挡板23、第二侧板24和盖板16；第一侧板22、挡板23和第二侧板24的板面均垂直于绝缘涡轮盘3的上表面；第一侧板22和第二侧板24为大小形状均相同的两块l型板，l型板由主板25和垂直于主板25板面的翻边板18组成，第一侧板22通过主板25远离翻边板18的侧边与挡板23的一端板面垂直固定连接，第二侧板24通过主板25远离翻边板18的侧边与挡板23的另一端板面垂直固定连接；第一侧板22的翻边板18和第二侧板24的翻边板18的直线距离小于挡板23的长度；转轴凹槽21开设在绝缘涡轮盘3的上表面上，且转轴凹槽21位于第一侧板22、挡板23和第二侧板24围成的区域内，挡板23沿转轴凹槽21的长度方向安装在绝缘涡轮盘3的上表面上，主板25沿转轴凹槽21的宽度方向安装在绝缘涡轮盘3的上表面上；转轴凹槽21的两端分别开设有贯穿绝缘涡轮盘3盘面的轴承安装孔10，第二轴承11安装在轴承安装孔10内；第一侧板22和第二侧板24的上端面分别安装有盖板16。
36.工作原理：在使用时，通过导线将摩擦纳米发电机单元4的第一铝电极层和第二铝电极层分别与导电滑环6电连接；当刮风(顺风)时，摩擦纳米发电机单元4上的风扇叶12被吹起并打开一定角度，带动绝缘涡轮盘3旋转；接下来，绝缘涡轮盘3会旋转到另一个风扇叶12打开的位置，而此风扇叶叶片会受到风阻的影响而恢复到原来的状态。这样，绝缘涡轮盘3上的三个风扇叶被风依次抬升，绝缘涡轮盘以钢管为轴顺时针旋转；在初始状态下，当风扇叶12上的第一摩擦介电膜(fep膜)与底座上的第二摩擦介电膜(pp膜)接触时，fep膜具有负电荷，而pp膜具有相同数量的正电荷。当风扇叶被风抬升一段时间时，由于接触带电，fep膜比pp膜具有更强的电负性，因此fep膜倾向于获得电子，以保持与第一铝电极层上的正电荷相等。这时，电荷通过外部电路从第一铝电极层转移到第二铝电极层，以保持静电电压的平衡。当风扇叶完全抬起时，第一铝电极层和第二铝电极层正负电荷相等，外部电路无电荷转移。当风扇叶旋转到逆风状态时，风扇叶12会快速下降。此时，第二铝电极层将获得更多的电子。为了保持静电电势平衡，电子将通过外部电路转移到第一铝电极。由于风扇叶的升降过程是周期性的，第一铝电极层和第二铝电极层引起的电荷转移也是周期性的，因此电信号是交流输出。
37.本实施例在直线电机产生的理想触发条件下，精确测量了td-teng器件的输出性能。利用前置电流放大器(keithley6514系统静电计)测量了td-teng器件的短路电流、开路电压和转移电荷以及不同电容器的充电电压。数据的显示和存储是通过在计算机上安装
labvi ew软件来完成的。
38.测试结果：当风扇叶12的有效接触面积为44cm2时，该装置可产生高达50nc的转移电荷，开路电压为150v，短路电流为7μa；当风扇叶12的有效接触面积为83cm2时，可产生82nc的转移电荷，开路电压为230v，短路电流为9μa，且在外接负载电阻为7mω时，最大峰值功率达到0.37mw,这可以直接点亮180串联发光二极管；随着风扇叶12接触面积的增加，不仅风扇叶12的风阻会增强，需要提升的风速也会增加。当环境风速很小时，上层绝缘涡轮盘上的摩擦纳米发电机单元会正常运行，当环境风速很大时，上下两层绝缘涡轮盘上的摩擦纳米发电机单元会同时有序运行。
39.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。