一種發電機的制作方法

本發明涉及發電機技術領域，尤其涉及一種發電機。

背景技術：

隨著燃料短缺和能源危機的日益增加，從人們生活的自然環境中尋找新的能量來源吸引了業內的廣泛關注。水波能、風能以及太陽能等作為清潔的可再生能源，具有極大的應用前景，其中，海洋中的水波能相比其它清潔能源表現出了更多的優勢，如不依賴于季節、晝夜、天氣以及溫度等條件的限制。目前，將水波能轉換為電能主要依靠傳統的電磁感應發電機，傳統的電磁感應發電機具有體積龐大、成本較高、易被腐蝕以及在海洋波頻率下工作效率低等缺點，基于此，摩擦納米發電機(Triboelectric Nanogenerators，簡稱TENG)應運而生。

摩擦納米發電機是一種新型的收集機械能的能源裝置，它具有高輸出功率、高效率、低制造成本和無污染的特點。其工作原理為：利用摩擦電效應和靜電感應的原理，在外界機械振動的作用下，使材料發生摩擦并在材料表面產生電荷，將產生的電荷中的正負電荷分離，以產生較高的電勢，利用產生的電勢驅動材料中的電子發生定向移動，以在外電路中產生電流，從而將從環境中收集的微弱機械能轉化為電能并加以利用。

然而，現有的摩擦納米發電機的工作頻率與外界的機械振動頻率相同，因而當外界的機械振動頻率較低(如海洋波浪運動)時，摩擦納米發電機在一定時間內收集的機械能和轉換的電能都十分有限，這就導致摩擦納米發電機在收集低頻振動能源時的能量轉化效率較低，電能的輸出功率也較低。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種發電機，以提高其在收集低頻振動能源時的能量轉化效率，進而提高電能的輸出功率。

本發明實施例提供一種發電機，包括固定架、運動組件以及第一電極，其中：所述固定架包括第一擋塊、第二擋塊以及位于第一擋塊與第二擋塊之間的振動方向限制部件；所述運動組件包括第一質量塊、第二質量塊、連接第一質量塊與第二質量塊的第一彈性部件、以及設置在第二質量塊與第二擋塊之間的第二彈性部件，所述第二質量塊的質量大于第一質量塊的質量，所述第一質量塊和第二質量塊限制在所述第一擋塊與第二擋塊之間往復運動；所述第一電極設置于第一擋塊或者第一質量塊的表面，用于當運動組件在外部刺激下撞擊第一擋塊時，導出摩擦產生的感應電流。

采用本發明實施例的發電機，在外界機械刺激下，運動組件會發生運動，假設初始運動為運動組件以速度V₀朝向第二擋塊運動，在這種情況下，由于第二質量塊的質量大于第一質量塊的質量，因而第二質量塊會先到達第二擋塊并獲得朝向第一擋塊方向的速度V₂，隨后第二質量塊會與仍舊朝向第二擋塊方向運動的第一質量塊碰撞，根據動量守恒定律和能量守恒定律，第一質量塊會獲得朝向第一擋塊方向的速度V₁，并且V₁比V₀大很多，這就意味著第一質量塊可以以更大的速度撞擊第一擋塊，相比現有技術而言，第一質量塊撞擊第一擋塊的頻率更大，因而采用本發明實施例提供的發電機進行發電時，能量轉換效率較高，電能輸出功率也較高。

優選的，所述振動方向限制部件為位于所述第一擋塊與第二擋塊之間的固定軸，所述運動組件套設于所述固定軸的外部；或者所述振動方向限制部件為直筒狀結構，運動組件設置在第一擋塊、第二擋塊與筒狀結構的振動方向限制部件圍成的空間內往復振動。

優選的，所述發電機還包括第一摩擦層，當所述第一電極設置于第一擋塊的表面時，所述第一摩擦層設置于第一質量塊的表面；當所述第一電極設置于第一質量塊的表面時，所述第一摩擦層設置于第一擋塊的表面。

優選的，所述第一質量塊與所述第二質量塊的質量關系為：

m₂＝(5～15)m₁

其中，m₁為第一質量塊的質量，m₂為第二質量塊的質量。

更優的，所述第一質量塊與所述第二質量塊的質量關系為：m₂＝10m₁。

優選的，當運動組件在外部刺激下運動時，第一彈性部件與第二彈性部件的振動頻率相同。

具體的，所述第一電極電連接至地或等電位。

優選的，所述發電機還包括罩設于所述固定架和運動組件外側的套筒，所述套筒的外周面交錯設置有第二電極和第三電極，所述第二電極和第三電極用于在所述運動組件與所述套筒發生摩擦時，導出摩擦產生的感應電流。

優選的，所述第二電極和所述第三電極呈叉指形設置。

優選的，所述第一質量塊的周側和/或所述第二質量塊的周側設置有第二摩擦層，所述第二摩擦層呈叉指形設置。

具體的，所述第一彈性部件和所述第二彈性部件均為彈簧。

附圖說明

圖1為本發明一實施例發電機的結構示意圖；

圖2為本發明實施例發電機在受到外界刺激時運動組件的運動速度示意圖；

圖3為本發明實施例發電機的工作原理示意圖；

圖4為本發明另一實施例發電機的結構示意圖；

圖5為本發明實施例一所示的發電機在不同的振動頻率下，短路電流隨時間的變化曲線圖；

圖6為本發明對比例一所示的發電機在不同的振動頻率下，短路電流隨時間的變化曲線圖；

圖7為本發明實施例一所示的發電機在不同的振動頻率下連接不同負載時的平均功率曲線圖；

圖8為本發明對比例一所示的發電機在不同的振動頻率下連接不同負載時的平均功率曲線圖；

圖9為實施例一和對比例一所示的發電機在不同的振動頻率下的最大輸出功率曲線圖；

圖10為實施例一和對比例一所示的發電機在不同的振動頻率下給同一電容器(0.33mF)充電30s后，電容器的電壓增量曲線圖。

附圖標記說明：

100-固定架

101-第一擋塊

102-第二擋塊

103-固定軸

200-運動組件

10-第一質量塊

20-第二質量塊

30-第一彈性部件

40-第二彈性部件

50-第一電極

60-第一摩擦層

70-套筒

80-第二電極

90-第三電極

具體實施方式

為了提高發電機在收集低頻振動能源時的能量轉化效率，進而提高電能的輸出功率，本發明實施例提供了一種發電機。下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

如圖1所示，本發明實施例提供一種發電機，包括固定架100、運動組件200以及第一電極50，其中：

固定架100包括第一擋塊101、第二擋塊102以及位于第一擋塊101與第二擋塊102之間的振動方向限制部件；

運動組件200包括第一質量塊10、第二質量塊20、連接第一質量塊10與第二質量塊20的第一彈性部件30、以及設置在第二質量塊20與第二擋塊102之間的第二彈性部件40，第二質量塊20的質量大于第一質量塊10的質量，第一質量塊10和第二質量塊20限制在第一擋塊101與第二擋塊102之間往復運動；

第一電極50設置于第一擋塊101的表面或者第一質量塊10的表面(圖1所示第一電極設置于第一擋塊的表面)，用于當運動組件200在外部刺激下撞擊第一擋塊101時，導出摩擦產生的感應電流。

固定架100中的振動方向限制部件，可以使運動組件沿著一個方向往復運動。振動方向限制部件的具體類型不限，例如可以為位于第一擋塊101與第二擋塊102之間的固定軸103，除了這種固定軸的模式，也可以是筒狀結構的振動方向限制部件，例如第一擋塊與第二擋塊之間由直筒狀結構的振動方向限制部件連接，運動組件在第一擋塊、第二擋塊與筒狀結構的振動方向限制部件圍成的空間往復振動。當然，也可以采用其他結構的重點限位部件，只要保證運動組件的第一質量塊和第二質量塊在第一擋塊與第二擋塊之間往復運動即可。

第二彈性部件40可以與第二質量塊20、第二擋塊102連接，也可以與第二質量塊20、第二擋塊102均不連接。

采用本發明實施例的發電機，在外界機械刺激下，運動組件會發生運動，假設初始運動為運動組件以速度V₀朝向第二擋塊運動，在這種情況下，由于第二質量塊的質量大于第一質量塊的質量，因而第二質量塊會先到達第二擋塊并獲得朝向第一擋塊方向的速度V₂，隨后第二質量塊會與仍舊朝向第二擋塊方向運動的第一質量塊碰撞，根據動量守恒定律和能量守恒定律，第一質量塊會獲得朝向第一擋塊方向的速度V₁，并且V₁比V₀大很多，這就意味著第一質量塊可以以更大的速度撞擊第一擋塊，相比現有技術而言，第一質量塊撞擊第一擋塊的頻率更大，因而采用本發明實施例提供的發電機進行發電時，能量轉換效率較高，電能輸出功率也較高。

具體的，請參考圖2所示，設定第一質量塊的質量為m₁，第二質量塊的質量為m₂，運動組件的初始運動方向朝向第二擋塊，且初始運動速度為V₀，第二質量塊撞擊到第二擋塊后獲得的朝向第一擋塊方向的速度為V₂；第二質量塊撞擊第一質量塊后，第一質量塊獲得的朝向第一擋塊方向的速度為V₁，第二質量塊撞擊第一質量塊后，第二質量塊的速度為V₂′，則在此過程中，根據動量守恒定律和能量守恒定律：

能量守恒定律：

動量守恒定律：-m₁V₀+m₂V₂＝m₁V₁+m₂V₂′，

根據能量守恒定律和動量守恒定律可得到：V₁＝V₂+V₂′+V₀

因而，從上述推理過程可以看出，V₁要遠大于V₀。

可以理解的，第一電極50的具體材質不限，考慮到導電效果，第一電極的材質優選采用銅或者鋁，當然，這只是本發明的一種優選情況，而并不能成為本發明的限制，凡是具有導電效果的材料，例如具有導電功能的金屬層等，均可以作為一電極的材質。

需要說明的是，第一電極電連接至地或等電位，用于當運動組件在外部刺激下撞擊第一擋塊時，導出摩擦產生的感應電流。

其中，第一彈性部件和第二彈性部件的具體類型不限，優選采用彈簧。

在本發明的一個優選實施例中，發電機還包括第一摩擦層60，請繼續參考圖1所示，當第一電極50設置于第一擋塊101的表面時，第一摩擦層60設置于第一質量塊10的表面；當第一電極設置于第一質量塊的表面時，第一摩擦層設置于第一擋塊的表面。其中，第一摩擦層的具體材質不限，優選采用高分子薄膜，例如聚偏氟乙烯(PVDF)或者聚四氟乙烯(PTFE)，在具體實施時，由于聚四氟乙烯的采購和實驗操作均較為方便，因而優選采用聚四氟乙烯作為第一摩擦層的材質。

以第一電極設置于第一擋塊的表面，第一摩擦層設置于第一質量塊的表面為例，如圖3所示，本發明實施例的發電機的工作原理為：

(1)在外界機械刺激下，第一質量塊會撞擊第一擋塊，進而會在第一電極和第一摩擦層表面產生電性相反的電荷，例如，在第一電極表面產生正電荷，在第一摩擦層表面產生負電荷；

(2)在第一彈性部件和第二彈性部件的作用下，第一質量塊會與第一擋塊分離，第一電極與第一摩擦層之間會產生電動勢，在電動勢的作用下，電子會向第一電極流動，進而在外電路中產生如圖所示方向的感應電流；

(3)當第一電極與第一摩擦層分離至最大距離處時，電流為零；

(4)繼而，在彈性部件的作用下，第一質量塊會與第一擋塊重新靠近，在重新靠近的過程中，由于靜電感應，第一摩擦層表面的負電荷會重新在第一電極感應出正電荷，因而會在外電路中產生與(1)中方向相反的感應電流，直至第一質量塊重新撞擊第一擋塊。

上述實施例中已提到，第二質量塊的質量要大于第一質量塊的質量，其中，一種優選方式為：m₂＝(5～15)m₁。更優的，m₂＝10m₁，其中，m₁為第一質量塊的質量，m₂為第二質量塊的質量。

特別的，當運動組件在外部刺激下運動時，第一彈性部件30與第二彈性部件40的振動頻率相同，在這種情況下，第一質量塊與第二質量塊會發生共振，因而第一質量塊朝向第一擋塊振動的振幅可以達到最大，從而大大降低了第一質量塊撞擊第一擋塊的難度，進而可以提高發電機的能量轉化效率，并提高電能的輸出功率。

基于上述實施例的一個優選實施例中，請參考圖4所示，發電機還包括罩設于固定架100和運動組件200外側的套筒70，套筒70的外周面交錯設置有第二電極80和第三電極90，第二電極80和第三電極90用于在運動組件200與套筒70發生摩擦時，導出摩擦產生的感應電流。

在該實施例中，當運動組件在外部刺激下發生運動時，運動組件會與位于其周側的套筒發生摩擦，第二電極和第三電極用于導出摩擦產生的感應電流。采用這樣的設計，可以充分利用運動組件的運動，進而使發電機的能量轉化效率更高，電能輸出功率更高。

優選的，第二電極80和第三電極90呈叉指形設置。其中，第二電極和第三電極可包括多個子電極，在具體實施時，第二電極的子電極和第三電極的子電極可間隔設置在套筒的外周面(或者內周面)，且多個第二電極電連接作為發電機的一個輸出端，多個第三電極電連接作為發電機的另一個輸出端。

基于上述實施例，第一質量塊的周側和/或第二質量塊的周側設置有第三摩擦層，第三摩擦層呈叉指形設置。與上述實施例相同，第三摩擦層的材質優選采用聚四氟乙烯(PTFE)。

由此可見，根據本發明的發電機可選因素較多，根據權利要求可以組合出不同的實施例。因此實施例僅用于對本發明的說明和描述，并不是對本發明進行限制，下面將結合本發明的實施例對本發明進行說明。

實施例一：

第一質量塊的材質為鋁，直徑1英寸，厚度0.1英寸，重量4.28g，第二質量塊的材質為黃銅，直徑1英寸，厚度0.5英寸，重量55.91g；第一彈性部件和第二彈性部件均為彈簧，第一彈性部件未發生形變時的長度為0.25英寸，彈性系數為13.5磅/英寸，第二彈性部件未發生形變時的的長度為0.75英寸，彈性系數為2.5磅/英寸；固定軸的長度為3英寸，直徑為1/8英寸；第一電極與第一擋塊通過絕緣膠帶粘接，第一摩擦層與第一質量塊通過泡沫膠粘接。

對比例一：

第一質量塊與第二質量塊之間采用塑料部件進行剛性連接，由于塑料部件的質量較小，因而可忽略，其它條件完全相同。

其中，圖5和圖6分別為實施例一和對比例一中的發電機在不同的振動頻率下(3.5Hz、4Hz和405Hz)短路電流隨時間變化的曲線圖，從圖中可以明顯看出，采用實施例一中的發電機進行發電時，短路電流更大。

圖7和圖8分別為實施例一和對比例一中的發電機在不同的振動頻率下連接不同負載時的平均輸出功率曲線圖，可以明顯看出，相同條件下，實施例一中的發電機在連接負載時的平均功率更高。

圖9為實施例一和對比例一中的發電機在不同的振動頻率下的最大輸出功率曲線圖，不難看出，實施例一中的發電機相比于對比例一中的發電機而言，最大輸出功率有明顯提高。

圖10為實施例一和對比例一中的發電機在不同的振動頻率下給同一電容器(0.33mF)充電30s后，電容器的電壓增量曲線圖，從圖中可以明顯看出，采用實施例一中的發電機給電容器充電，電容器的電壓增量更大。

綜上可知，采用本發明實施例提供的發電機進行發電時，能量轉化效率更高，電能輸出功率更大。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。