[发明专利]一种具有重力势能储蓄功能的旋转式摩擦纳米发电机

说明书

本发明公开了一种具有重力势能储蓄功能的旋转式摩擦纳米发电机，包括外圆筒、内圆筒、中心轴杆、第一单向轴承、第二单向轴承、电极阵列、柔性叶片、片状薄膜阵列、第一质量块、第二质量块，片状薄膜阵列包括若干个交替布置的第一摩擦单元和第二摩擦单元；所有与第一摩擦单元相对应的电极单元串联形成第一电极，所有与第二摩擦单元相对应的电极单元串联形成第二电极；内圆筒相对外圆筒转动过程中，柔性叶片与片状薄膜阵列发生摩擦产生电荷转移，同时片状薄膜阵列与电极阵列之间发生静电感应，从而通过第一电极和第二电极向外电路输出电信号。本发明能将外界振动能首先转换为重力势能，再将重力势能转换为电能，从而提高输出电流的大小和稳定性。

技术领域

本发明属于发电机技术领域，具体地，涉及一种具有重力势能储蓄功能的旋转式摩擦纳米发电机。

背景技术

无线传感器网络是一种分布式传感网络，由大量可以感知和监测外部世界的无线传感器网络节点组成，可以在长期无人值守的状态下工作，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，在军事、工业、医疗、环境监测、交通管理、抢险救灾等领域有着巨大的应用价值和潜在的应用前景。随着无线传感器网络的深入应用，在一些复杂的使用条件下，如传感器节点需要嵌入到桥梁、建筑、机械设备内部，或者需要放置在充斥着有毒、有害物质等危险区域。工作人员无法到达这些位置，传感器节点一经放置便无法再重新为其更换电池。而电池容量有限，能源一旦耗尽则节点废弃。废弃的节点不仅导致被测对象局部位置的信息数据无法获取，还会破坏整个无线传感器网络的拓扑结构，大大降低了无线传感器网络的稳定性、可靠性。能量供应问题制约了无线传感器网络的发展。因此，无线传感网络迫切需要一种新的能量供给方式来应对传统供电方式的弊端。

在各种能量收集器中，摩擦纳米发电机由于其高瞬时输出功率、广泛的可用材料、环保和低价的制造工艺以及针对目标应用而定制的各种工作模式而受到了广泛的关注。摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦纳米发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等从没被人们注意过的环境随机能源，还可以是车轮的转动、机器的轰鸣等。其中，海洋能作为一种可再生资源，具有体积大，分布广泛，对环境的依赖性小等特点。因此，引起了世界各国能源界的广泛关注。

目前用于采集波浪能的摩擦纳米发电多以复摆结构为主。该种结构虽然可以采集波浪能，但是其输出性能受到波浪能的频率和振幅的制约。当复摆结构的共振频率与波浪能的频率不匹配时，摩擦纳米发电机的电流就会大幅度的下降。另外，振幅较小的波浪无法使得摩擦纳米发电机有较高的输出电流。然而，电流的稳定性是摩擦纳米发电机输出性能的重要指标，不稳定的输出不能驱动电子模块正常工作，甚至会损坏精密的电子设备。

发明内容

本发明的目的在于迎合现今能量采集和传感器需求，提供一种具有重力势能储蓄功能的旋转式摩擦纳米发电机，该结构将外界振动能首先转换为重力势能并储蓄起来，然后将重力势能转换为电能，从而提高摩擦纳米发电机输出电流的大小和稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有重力势能储蓄功能的旋转式摩擦纳米发电机，包括同轴设置的外圆筒和内圆筒，所述外圆筒的内径大于内圆筒的外径，外圆筒和内圆筒通过中心轴杆连接；所述中心轴杆与内圆筒固定连接；所述中心轴杆的一端通过第一单向轴承与外圆筒连接，所述中心轴杆的另一端与外圆筒转动连接；其中：

所述中心轴杆的一侧设置有第一质量块，所述第一质量块通过第二单向轴承与中心轴杆连接，所述第二单向轴承与第一单向轴承安装完成后其能够自由转动的方向相反。优选的，所述第二单向轴承的外圈一侧固定连接有扇形板，所述第一质量块通过扇形板与第二单向轴承固定连接。进一步优选的，所述第一质量块的重心位于内圆筒任一素线中点与内圆筒轴线中点的连线上。