本發(fā)明屬于水波能量收集，具體涉及一種多向水波能收集的復(fù)合發(fā)電裝置，用于高效收集任意方向水波能量并將其轉(zhuǎn)化為電能。
背景技術(shù)：
1、隨著人們的生活水平不斷提升和全球不可再生化石能源消耗的日益增加，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻。尋找清潔、可再生的替代能源成為當(dāng)前科學(xué)研究的重要方向之一。水波能作為一種極具潛力的可再生能源，具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。從分布范圍來看，地球表面約71％被海洋覆蓋，廣闊的海域意味著水波能分布極為廣泛，無論是在淺海區(qū)域還是深海，都存在著豐富的水波能資源。而且，水波能能量密度高且受季節(jié)、溫度和天氣條件影響較小，具有巨大的開發(fā)潛力。然而，現(xiàn)有的水波能收集技術(shù)存在諸多局限性，例如傳統(tǒng)電磁發(fā)電機(jī)(electromagnetic?generator,emg)基于電磁感應(yīng)定律，通過線圈在磁場中切割磁感線產(chǎn)生電能，具有發(fā)電電流大、電壓低的特點(diǎn)，其發(fā)電效率與磁場在線圈中的變化頻率呈正相關(guān)性。但在面對(duì)低頻水波激勵(lì)時(shí)，由于水波頻率低，線圈切割磁感線的速度慢，導(dǎo)致產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較小，從而使得發(fā)電效率極為低下，且設(shè)備維護(hù)困難、成本高昂，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。
2、近年來，基于摩擦電效應(yīng)和靜電感應(yīng)相結(jié)合的摩擦納米發(fā)電機(jī)(triboelectricnanogenerator,teng)作為一種新興的能量收集技術(shù)，能夠高效地將低頻、隨機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。teng具有低成本、輕量化、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)、風(fēng)能、基礎(chǔ)設(shè)施振動(dòng)等多種機(jī)械能收集場景。在水波能收集領(lǐng)域，teng展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠適應(yīng)水波的低頻和隨機(jī)特性，為解決海洋能利用難題提供了新的思路。teng發(fā)電具有電壓大、電流低的特點(diǎn)，這正好與emg的特點(diǎn)互補(bǔ)。
3、然而，現(xiàn)有的emg方案和teng方案在水波能收集方面仍存在一些不足。例如，無法充分利用水波的多方向性，并礙于水波頻率較低，在大規(guī)模能量收集時(shí)存在輸出功率有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。因此，開發(fā)一種能夠高效收集多方向水波能量、能將低頻水波能激勵(lì)頻率放大，且結(jié)構(gòu)簡單、易于擴(kuò)展的emg與teng復(fù)合發(fā)電裝置具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提出一種多向水波能收集的復(fù)合發(fā)電裝置，以解決上述背景技術(shù)中提出的現(xiàn)有技術(shù)無法充分利用水波的多方向性且輸出功率有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的技術(shù)問題。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
3、一種多向水波能收集的復(fù)合發(fā)電裝置，包括能密封防水的殼體，設(shè)于所述殼體內(nèi)的摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁發(fā)電機(jī)組，所述電磁發(fā)電機(jī)組包含多個(gè)繞所述摩擦納米發(fā)電機(jī)周向布置的由磁絲杠副驅(qū)動(dòng)的電磁發(fā)電機(jī)組成，所述摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁發(fā)電機(jī)組通過擺動(dòng)圓盤的往復(fù)擺動(dòng)同步協(xié)同發(fā)電。
4、進(jìn)一步地，所述摩擦納米發(fā)電機(jī)由內(nèi)附負(fù)電材料薄膜和銅箔電極的中空環(huán)形軌道、包裹正電材料的滾球、主連桿組件、擺動(dòng)圓盤以及萬向底座組成，所述滾球可在所述中空環(huán)形軌道內(nèi)自由滾動(dòng)，所述主連桿組件連接所述殼體、擺動(dòng)圓盤以及萬向底座，所述中空環(huán)形軌道安裝在所述擺動(dòng)圓盤上表面。
5、進(jìn)一步地，設(shè)置一個(gè)或多個(gè)所述中空環(huán)形軌道；多個(gè)中空環(huán)形軌道同心且半徑不同，多個(gè)中空環(huán)形軌道的軌道截面直徑可相同或可從外向內(nèi)依次減??；所述中空環(huán)形軌道均由上下兩個(gè)半環(huán)面拼接而成，拼接面留有導(dǎo)線孔；所述中空環(huán)形軌道的內(nèi)側(cè)表面周向等距間隔貼有環(huán)形銅箔電極，相鄰兩個(gè)銅箔電極為一組，通過導(dǎo)線連接，所述銅箔電極的內(nèi)側(cè)貼有負(fù)電材料薄膜。
6、進(jìn)一步地，所述主連桿組件包括主連桿、內(nèi)螺紋桿端關(guān)節(jié)軸承、鈍角連桿、法蘭型直線軸承以及平面推力軸承，所述主連桿的兩端與中部均設(shè)有外螺紋，其中部外螺紋與所述擺動(dòng)圓盤連接，所述主連桿的頂部連接所述內(nèi)螺紋桿端關(guān)節(jié)軸承，所述主連桿的底部與所述萬向底座連接，所述內(nèi)螺紋桿端關(guān)節(jié)軸承的螺紋端與所述鈍角連桿下端連接，所述鈍角連桿上端依次穿過法蘭型直線軸承和平面推力軸承用螺母固定，所述鈍角連桿角度決定了所述擺動(dòng)圓盤的擺動(dòng)角度。
7、進(jìn)一步地，所述萬向底座由大滾珠、小滾珠、座體、上蓋組成，所述大滾珠上設(shè)有螺紋安裝孔與所述主連桿底部連接，所述上蓋開有直徑略小于所述大滾珠直徑的孔，所述座體開有半球形凹槽，所述大滾珠與所述半球形凹槽之間鋪有小滾珠。
8、進(jìn)一步地，所述電磁發(fā)電機(jī)組還包含與所述磁絲杠副的磁絲桿連接的垂直連桿，以及支撐圓盤組件，所述電磁發(fā)電機(jī)由磁絲杠副通過同步帶驅(qū)動(dòng)。
9、進(jìn)一步地，所述支撐圓盤組件包括上支撐圓盤、中支撐圓盤和下支撐圓盤，各支撐圓盤的中間均開設(shè)通孔b，所述通孔b周邊均勻開設(shè)供所述磁絲桿或垂直連桿穿過的小通孔，所述上支撐圓盤的小通孔安裝有中部直線軸承，各支撐圓盤之間以及下支撐圓盤與所述殼體底部之間均通過支撐柱連接。
10、進(jìn)一步地，所述垂直連桿的上端部設(shè)有滾珠接頭，所述垂直連桿下部穿過支撐彈簧并與磁絲桿上端固定連接，在所述支撐彈簧的作用下，所述滾珠接頭始終保持與所述擺動(dòng)圓盤的下表面接觸。
11、進(jìn)一步地，所述磁絲杠副由磁絲桿與磁螺母組成，所述磁絲桿和磁螺母上均螺旋布置有永磁磁瓦，所述磁螺母的中部固定安裝有主同步帶輪。
12、進(jìn)一步地，所述電磁發(fā)電機(jī)主要由中心軸、上固定盤、上永磁圓盤、線圈圓盤、下永磁圓盤、下固定盤和支撐桿構(gòu)成，所述中心軸依次穿過上固定盤、上永磁圓盤、線圈圓盤、下永磁圓盤、下固定盤，所述中心軸分別與上固定盤和下固定盤轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述中心軸分別與上永磁圓盤和下永磁圓盤固定連接，所述上永磁圓盤和下永磁圓盤朝向所述線圈圓盤的一側(cè)延周向布置若干圓柱形永磁體，所述線圈圓盤延周向布置若干導(dǎo)電線圈，在上固定盤與線圈圓盤之間以及線圈圓盤與下固定盤之間，均通過所述支撐桿連接。
13、本發(fā)明具有以下有益效果：
14、本發(fā)明通過摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)協(xié)同發(fā)電。在海浪作用下，利用滾球在中空環(huán)形軌道內(nèi)滾動(dòng)，促使?jié)L球表面包裹的正電材料與中空環(huán)形軌道內(nèi)表面的間隔布置的負(fù)電材料薄膜發(fā)生周期性地接觸和分離，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并通過與負(fù)電材料薄膜貼合的銅箔電極與導(dǎo)線，將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)用于外接電路，達(dá)到收集海浪能并用于發(fā)電的效果。同時(shí)，滾球的滾動(dòng)將導(dǎo)致擺動(dòng)圓盤的擺動(dòng)，利用垂向連桿與磁絲杠副，將此擺動(dòng)轉(zhuǎn)換為電磁發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過電磁發(fā)電機(jī)發(fā)電?；跐L球、中空環(huán)形軌道和擺動(dòng)圓盤的設(shè)計(jì)，可將任意方向的海浪激勵(lì)轉(zhuǎn)換成電能，并采用teng和emg并聯(lián)的復(fù)合發(fā)電的方案，提高發(fā)電機(jī)的輸出功率。同時(shí)，利用周向間隔布置的負(fù)電材料薄膜與銅箔電極，以及磁絲杠副與電磁發(fā)電機(jī)的頻率放大效果，有效克服了海浪激勵(lì)頻率過低不易利用的特點(diǎn)，可將海浪激勵(lì)頻率有效放大，提升了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此外，磁絲杠副傳動(dòng)還避免了諸如機(jī)械卡滯、沖擊過載等問題。該復(fù)合發(fā)電機(jī)可充分收集海洋河流等能源，在自供電傳感器、海洋監(jiān)測等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。利用emg與teng復(fù)合發(fā)電的方案，可以最大限度利用水波能量，提升發(fā)電效率。適用于大規(guī)模海洋能開發(fā)和其他藍(lán)色能源應(yīng)用。
1.一種多向水波能收集的復(fù)合發(fā)電裝置，其特征在于，包括能密封防水的殼體(1)，設(shè)于所述殼體(1)內(nèi)的摩擦納米發(fā)電機(jī)(2)和電磁發(fā)電機(jī)組(3)，所述電磁發(fā)電機(jī)組(3)包含多個(gè)繞所述摩擦納米發(fā)電機(jī)(2)周向布置的由磁絲杠副驅(qū)動(dòng)的電磁發(fā)電機(jī)(31)組成，所述摩擦納米發(fā)電機(jī)(2)和電磁發(fā)電機(jī)組(3)通過擺動(dòng)圓盤(24)的往復(fù)擺動(dòng)同步協(xié)同發(fā)電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多向水波能收集的復(fù)合發(fā)電裝置，其特征在于，所述摩擦納米發(fā)電機(jī)(2)由內(nèi)附負(fù)電材料薄膜和銅箔電極的中空環(huán)形軌道(21)、包裹正電材料的滾球(22)、主連桿組件(23)、擺動(dòng)圓盤(24)以及萬向底座(25)組成，所述滾球(22)可在所述中空環(huán)形軌道(21)內(nèi)自由滾動(dòng)，所述主連桿組件(23)連接所述殼體(1)、擺動(dòng)圓盤(24)以及萬向底座(25)，所述中空環(huán)形軌道(21)安裝在所述擺動(dòng)圓盤(24)上表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多向水波能收集的復(fù)合發(fā)電裝置，其特征在于，設(shè)置一個(gè)或多個(gè)所述中空環(huán)形軌道(21)；多個(gè)中空環(huán)形軌道同心且半徑不同，多個(gè)中空環(huán)形軌道的軌道截面直徑可相同或可從外向內(nèi)依次減小；所述中空環(huán)形軌道(21)均由上下兩個(gè)半環(huán)面拼接而成，拼接面留有導(dǎo)線孔；所述中空環(huán)形軌道(21)的內(nèi)側(cè)表面周向等距間隔貼有環(huán)形銅箔電極(213)，相鄰兩個(gè)銅箔電極為一組，通過導(dǎo)線連接，所述銅箔電極(213)的內(nèi)側(cè)貼有負(fù)電材料薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種多向水波能收集的復(fù)合發(fā)電裝置，其特征在于，所述主連桿組件(23)包括主連桿(231)、內(nèi)螺紋桿端關(guān)節(jié)軸承(232)、鈍角連桿(233)、法蘭型直線軸承(234)以及平面推力軸承(235)，所述主連桿(231)的兩端與中部均設(shè)有外螺紋，其中部外螺紋與所述擺動(dòng)圓盤(24)連接，所述主連桿(231)的頂部連接所述內(nèi)螺紋桿端關(guān)節(jié)軸承(232)，所述主連桿(231)的底部與所述萬向底座(25)連接，所述內(nèi)螺紋桿端關(guān)節(jié)軸承(232)的螺紋端與所述鈍角連桿(233)下端連接，所述鈍角連桿(233)上端依次穿過法蘭型直線軸承(234)和平面推力軸承(235)用螺母固定，所述鈍角連桿(233)角度決定了所述擺動(dòng)圓盤(24)的擺動(dòng)角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種多向水波能收集的復(fù)合發(fā)電裝置，其特征在于，所述萬向底座(25)由大滾珠(251)、小滾珠、座體(252)、上蓋(253)組成，所述大滾珠(251)上設(shè)有螺紋安裝孔與所述主連桿(231)底部連接，所述上蓋(253)開有直徑略小于所述大滾珠(251)直徑的孔，所述座體(252)開有半球形凹槽，所述大滾珠(251)與所述半球形凹槽之間鋪有小滾珠。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種多向水波能收集的復(fù)合發(fā)電裝置，其特征在于，所述電磁發(fā)電機(jī)組(3)還包含與所述磁絲杠副的磁絲桿(36)連接的垂直連桿(33)，以及支撐圓盤組件(34)，所述電磁發(fā)電機(jī)(31)由磁絲杠副通過同步帶(32)驅(qū)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多向水波能收集的復(fù)合發(fā)電裝置，其特征在于，所述支撐圓盤組件(34)包括上支撐圓盤(341)、中支撐圓盤(342)和下支撐圓盤(343)，各支撐圓盤的中間均開設(shè)通孔b(344)，所述通孔b(344)周邊均勻開設(shè)供所述磁絲桿(36)或垂直連桿(33)穿過的小通孔，所述上支撐圓盤(341)的小通孔安裝有中部直線軸承(346)，各支撐圓盤之間以及下支撐圓盤(343)與所述殼體(1)底部之間均通過支撐柱(345)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多向水波能收集的復(fù)合發(fā)電裝置，其特征在于，所述垂直連桿(33)的上端部設(shè)有滾珠接頭(331)，所述垂直連桿(33)下部穿過支撐彈簧(35)并與磁絲桿(36)上端固定連接，在所述支撐彈簧(35)的作用下，所述滾珠接頭(331)始終保持與所述擺動(dòng)圓盤(24)的下表面接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多向水波能收集的復(fù)合發(fā)電裝置，其特征在于，所述磁絲杠副由磁絲桿(36)與磁螺母(37)組成，所述磁絲桿(36)和磁螺母(37)上均螺旋布置有永磁磁瓦，所述磁螺母(37)的中部固定安裝有主同步帶輪(373)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)所述的一種多向水波能收集的復(fù)合發(fā)電裝置，其特征在于，所述電磁發(fā)電機(jī)(31)主要由中心軸(311)、上固定盤(312)、上永磁圓盤(313)、線圈圓盤(314)、下永磁圓盤(315)、下固定盤(316)和支撐桿(317)構(gòu)成，所述中心軸(311)依次穿過上固定盤(312)、上永磁圓盤(313)、線圈圓盤(314)、下永磁圓盤(315)、下固定盤(316)，所述中心軸(311)分別與上固定盤(312)和下固定盤(316)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述中心軸(311)分別與上永磁圓盤(313)和下永磁圓盤(315)固定連接，所述上永磁圓盤(313)和下永磁圓盤(315)朝向所述線圈圓盤(314)的一側(cè)延周向布置若干圓柱形永磁體(319)，所述線圈圓盤(314)延周向布置若干導(dǎo)電線圈，在上固定盤(312)與線圈圓盤(314)之間以及線圈圓盤(314)與下固定盤(316)之間，均通過所述支撐桿(317)連接。