[发明专利]基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置及采集方法

说明书

本发明提供一种基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置，包括水流动能转换模块及超低频能量采集模块，水流动能转换模块包括固定支架、水车车轮、中心轴及转动拨片，中心轴与固定支架相连接，水车车轮穿设在中心轴上，转动拨片与水车车轮的周向边缘相连接；超低频能量采集模块包括支撑架、弹性拨片及摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机位于支撑架上，摩擦纳米发电机包括上摩擦层及下摩擦层，上摩擦层及下摩擦层与输出导线电连接；弹性拨片一端与支撑架相连接，另一端在初始状态下与摩擦纳米发电机表面接触。相较于现有技术，本发明具有制作材料价格低廉且易获取、结构设计简单、能源转换效率高以及输出电能稳定不受水波频率影响等优势。

技术领域

本发明涉及能量采集技术领域，尤其涉及超低速水流能量的采集，特别是涉及一种基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置及采集方法。

背景技术

随着社会经济的飞速发展与人们生活水平的不断提升，对电能的需求越来越大，电能短缺问题日益突出。节约能源以及提高能源的利用率已经成为关乎我国经济可持续发展的重要举措。在我们日常生活中，周围环境的机械能，如风能、海洋能、水流动能以及生物机械能分布广泛而且蕴含体量丰富，但是落后的能源采集技术以及过低的能源转换率极大地限制了对此类低频环境振动能的开发利用。

2012年，王中林院士团队发明的摩擦纳米发电机(TENG)为有效收集环境机械能提供了一种全新的模式。基于摩擦发电效应与静电感应效应的耦合，摩擦纳米发电机可以将机械能高效低成本地转化为电能输出。虽然摩擦纳米发电机在低频环境机械能采集领域展现出良好的应用前景，但现有技术中，实现高效收集超低速水流动能仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的是针对水流速度随机波动大，部分河水流速超低等条件限制，提出一种可以高效实现超低速水流动能采集的能量采集装置，该能量采集装置具有结构简单、输出电能大小不受水流速度限制等优势，在超低速水流动能采集方面显示出独特优势。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置，所述超低速水流能量采集装置包括水流动能转换模块及超低频能量采集模块，所述水流动能转换模块位于所述超低频能量采集模块的一侧，所述水流动能转换模块包括固定支架、水车车轮、中心轴及转动拨片，所述中心轴与所述固定支架相连接，所述水车车轮穿设在所述中心轴上且可绕所述中心轴转动，所述转动拨片一端与所述水车车轮的周向边缘相连接；所述超低频能量采集模块包括支撑架、弹性拨片及摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机位于所述支撑架上，所述摩擦纳米发电机包括上摩擦层及下摩擦层，上摩擦层及下摩擦层与输出导线电连接；所述弹性拨片位于所述摩擦纳米发电机的上方，且一端与所述支撑架相连接，另一端在初始状态下与摩擦纳米发电机表面接触；

当所述水车车轮在水流作用下转动时，位于水车车轮上的转动拨片拍打弹性拨片以使弹性拨片产生弹性变形，弹性拨片由于弹性势能的作用向下运动拍打摩擦纳米发电机，以使摩擦纳米发电机的上摩擦层和下摩擦层之间发生接触和分离循环，由此产生电能并输出。

可选地，所述固定支架高度可调，所述固定支架上设置有高度调节旋钮。

可选地，所述转动拨片为多个，多个转动拨片在所述水车车轮的周向边缘均匀间隔分布。

可选地，所述超低速水流能量采集装置还包括底座，所述支撑架及固定支架均固定于所述底座上。

可选地，上摩擦层和下摩擦层均包括导电材料层，且上摩擦层和下摩擦层中的至少一者还包括微纳结构薄膜层，所述微纳结构薄膜层为将蚕丝蛋白溶液喷涂在基底表面并经干燥而成，所述上摩擦层和下摩擦层之间通过间隔层相间隔。

可选地，所述导电材料层的材质包括金、银、铜、铝及ITO导电玻璃中的任意一种或多种。

可选地，所述基底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中的任意一种或多种，所述间隔层包括PDMS层。