摩擦纳米发电机及试验装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术实施例提供一种摩擦纳米发电机及试验装置，该发电机应用于铁道系统的轨道和道床板之间，安装在每两个相邻轨枕之间的轨段中点，所述摩擦纳米发电机包括层状结构和包覆所述层状结构的绝缘防水封装保护层，所述层状结构从上至下依次包括上支撑层、上电极层、摩擦对、下电极层、下支撑层以及缓冲层。通过收集列车驶过时轨道和道床板振动产生的机械能，将该机械能转化为电能进行存储或直接为铁道相关用电设备供电。该实用新型专利技术的试验装置可以研究摩擦纳米发电机在不同轨道振动条件、以及不同摩擦对间隙设计情况下的电信号输出性能。

【技术实现步骤摘要】
摩擦纳米发电机及试验装置
本技术实施例涉及一种摩擦纳米发电机，尤其涉及一种摩擦纳米发电机及试验装置，尤其应用于地铁轨道和轨道板之间。
技术介绍
随着我国地下轨道交通建设的发展，地铁运营里程和运量快速提升，相关的运营安全问题也日益凸显。轨道交通健康监测系统可实时监控地铁运营状态，但监测系统中包含有大量的传感器及相关采集设备，其供能问题尚存在很大挑战：若采用传统的有线供能形式，由于供电电源与部分传感器的距离较远，容易产生电缆受损；若采用电池供电，一则其需要频繁更换电池，大大增加了人力成本，二则电池的大量使用也加剧了对环境和人体的潜在危害。为此，能够收集环境能量并将其转化为电能的俘能技术得到了广泛关注，但由于地下运营环境的限制，太阳能、风能等俘能设备并不适用于地铁系统。国家纳米科学中心王中林教授在2012年提出的摩擦纳米发电机(公开CN103368447A)是一种收集环境机械能的高效手段。但目前，该摩擦纳米发电机仅作为概念机，无法适用于复杂环境，要将其应用于地下轨道交通系统，还存在以下不足：1、该摩擦纳米发电机的摩擦对之间的初始间隙在制备时已经固定，当外力施加的变形幅值小于固定间隙时，摩擦对无法接触产生电荷交换；幅度远大于间隙时，摩擦对将受到极大的外力作用，必然会受到破坏，因此不能灵活应用于多种工况。实际上，轨道的振动受到车速、车重、扣件刚度等几十种车轨参数的影响，其振动幅值在各种工况下有较大的差异，因此传统摩擦纳米发电机难以直接应用于地铁轨道振动俘能。2、该摩擦纳米发电机设置了支撑体为两个绝缘材料分离提供回复力，对于外力可以使得摩擦纳米发电机自动回复的应用场景，例如轨道的往复竖向运动使其可以直接回复，该支撑体结构实际上阻碍了摩擦对平整地完全接触，降低了发电机输出性能。3、该摩擦纳米发电机未设置缓冲层，当外力所提供的变形大于初始间隙时，则绝缘材料和电极材料将会受到巨大的外力作用，产生额外变形，容易受到破坏，特别是在轨道系统中，多变的轨道位移使得摩擦纳米发电机的变形区间较大，当轨道位移大于摩擦对初始间隙时，容易压坏摩擦纳米发电机。4、未对摩擦纳米发电机进行合理的绝缘封装处理，应结合应用场景加以考虑，特别是轨道中复杂的环境。5、其俘能效率和输出功率等未针对应用场景设计专门的试验装置进行测试和验证。
技术实现思路
鉴于此，本技术实施例提供一种摩擦纳米发电机及试验装置，解决了摩擦纳米发电机能通过设置缓冲层而能灵活应用于轨道的不同振动幅值工况，从而通过收集轨道振动能为轨道中用电设备供能的问题。本技术实施例解决技术问题的技术方案是：本技术实施例提供一种摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括层状结构和包覆所述层状结构的绝缘防水封装保护层，所述层状结构从上至下依次包括上支撑层、上电极层、摩擦对、下电极层、下支撑层以及缓冲层。进一步地，所述摩擦对由顶部介电材料层和底部介电材料层组成，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层面积相同、极性相反，且均采用薄膜形式完全铺平且平行相对，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层之间保留有初始间隙。进一步地，所述上电极层和下电极层为铜箔片，分别粘接于所述顶部介电材料层的上表面和所述底部介电材料层的下表面，所述铜箔片上连接有导线，用于输出电流。进一步地，所述上支撑层和下支撑层为亚力克平板，分别粘接于所述上电极层的上表面和所述下电极层的下表面。进一步地，所述缓冲层为海绵、橡胶材料等材料，位于所述下支撑层的表面，起到增强发电机俘能效率、缓冲列车荷载，同时保护摩擦纳米发电机结构安全的重要效果。所述缓冲层的效果是：当轨道向下位移幅度大于所述摩擦对的顶部介电材料和底部介电材料的间隙时，缓冲层受力压缩，使得所述摩擦对在保持接触的同时整体向下移动，避免因轮轨的巨大压力造成介电材料的破坏，并且向摩擦对提供了一定的反力以增加摩擦纳米发电机输出效果。进一步地，为方便调整所述摩擦对的顶部介电材料和底部介电材料的间隙，在所述缓冲层下方，亦即整个摩擦纳米发电机下方设置刚性垫层，所述刚性垫层的厚度根据轨道振动幅值以及摩擦纳米发电机的整体高度计算得到，并刚性连接于轨道板，所述刚性垫层材料可以是混凝土或不锈钢。进一步地，所述摩擦对之间的初始间隙小于等于轨道最大振动幅值。所述摩擦对的顶部介电材料和底部介电材料之间的初始间隙由轨道振动幅值决定，使其小于等于轨道振动最大幅值以保证列车运营时摩擦对可以相互完全接触。进一步地，所述绝缘防水封装保护层位于整个摩擦纳米发电机的外表面，由绝缘防水且耐久性和柔韧性良好的材料制作，所述绝缘防水封装保护层留置导线连接到外部的电路出口，所述电路出口封装在高分子防水柔性绝缘套管内。需要说明的是，多个所述摩擦纳米发电机可以串联在一起形成供电电路，该供电电路依次连接至稳压整流器、变压装置、电能存储器以及连接用电设备的电路输出端口，所述供电电路封装在高分子防水柔性绝缘套管内。本技术实施例还提供一种摩擦纳米发电试验装置，包括：轨道模型，所述轨道模型包括用于模拟枕木的木块和用于模拟轨道底面的钢片，所述钢片的两端分别通过螺栓固定在两块木块上，所述两块木块之间设置钢块，所述钢片和所述钢块之间安装有摩擦纳米发电机；这里钢片可以为多个，以随时改变摩擦对之间的间距；所述摩擦纳米发电机包括层状结构和包覆所述层状结构的绝缘防水封装保护层，所述层状结构从上至下依次包括上支撑层、上电极层、摩擦对、下电极层、下支撑层以及缓冲层；还包括用于给钢片提供模拟轨道振动荷载的激振器，以及用于测量激振器施加于轨道模型所产生的振动响应和测量所述摩擦纳米发电机的输出指标的测试设备。进一步地，为提高试验准确性，所述模拟轨道底面的钢片长度应采用实际轨道中两轨枕之间的轨段长度，同时所述模拟枕木的木块宽度可以和钢片相同，木块高度只要大于摩擦纳米发电机高度加上摩擦对间隙即可。在轨道模型中点使用激振器施加振动荷载，包括正弦荷载和三角荷载以更准确地模拟轨道振动的荷载波形；使用示波器、电流计记录摩擦纳米发电机的电压或电流时程曲线，使用位移计记录轨道中点的位移时程曲线，既可以分析摩擦纳米发电机的输出与振动荷载各参数的关系，也可以分析输出信号和位移时程曲线上的对应关系。采用上述技术方案，本技术的有益效果如下：本技术的摩擦纳米发电机的摩擦对初始间隙可灵活调整，能适用于不同轨道振动位移的工况。此外，所述摩擦纳米发电机的下部设置有缓冲层，当列车载重变化使得钢轨位移增大时，可保护摩擦对不受列车轮轨荷载的冲击破坏，并可提高性能输出，因此所述摩擦纳米发电机可以适应轨道振动特性，高效采集轨道振动能从而为轨道中用电设备供能。所述摩擦纳米发电机针对轨道下恶劣的工作环境和其本身结构特征设计了保护层，提高了其耐久性。并且针对轨道振动特性设计了该摩擦纳米发电机性能的试验装置，可以预测该发电机发电效率并通过室内试验改良发电机设计。附图说明此处所说明的附图用来提供对本实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种摩擦纳米发电机，其特征是：所述摩擦纳米发电机包括层状结构和包覆所述层状结构的绝缘防水封装保护层，所述层状结构从上至下依次包括上支撑层、上电极层、摩擦对、下电极层、下支撑层以及缓冲层。/n

【技术特征摘要】
1.一种摩擦纳米发电机，其特征是：所述摩擦纳米发电机包括层状结构和包覆所述层状结构的绝缘防水封装保护层，所述层状结构从上至下依次包括上支撑层、上电极层、摩擦对、下电极层、下支撑层以及缓冲层。


2.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机，其特征是，所述摩擦对由顶部介电材料层和底部介电材料层组成，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层面积相同、极性相反，且均采用薄膜形式完全铺平且平行相对，所述顶部介电材料层和所述底部介电材料层之间保留有初始间隙。


3.根据权利要求2所述的一种摩擦纳米发电机，其特征是，所述上电极层和下电极层为铜箔片，分别粘接于所述顶部介电材料层的上表面和所述底部介电材料层的下表面，所述铜箔片上连接有导线，用于输出电流。


4.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机，其特征是，所述上支撑层和下支撑层为亚力克平板，分别粘接于所述上电极层的上表面和所述下电极层的下表面。


5.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机，其特征是，...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋吉清，苏鑫杰，张鹤，董北北，章亦然，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33