本发明专利技术公开了一种用于低流速水流能收集的植物纤维基摩擦纳米发电装置。包括摩擦纳米发电装置和水车驱动机构；转子位于定子内，定子内周面覆盖设有铜电极，转子外周面设置有摩擦电负性材料，摩擦电负性材料和铜电极不接触、具有空气间隙；定子内周面还设有植物纤维毛刷；转子和水车驱动机构的驱动轴同轴连接，在水流的作用下驱动水车驱动机构运行带动摩擦纳米发电装置运转。本发明专利技术引入植物纤维毛刷提高了TENG的耐久性和输出功率密度，补充电荷损耗，减少铜电极和聚氯乙烯膜直接接触磨损，降低阻尼，可在较小力驱动下工作；通过轴与水车装置连接，可在外界灌溉水流能作用下实现低流速水流能的收集。流速水流能的收集。流速水流能的收集。
【技术实现步骤摘要】
一种用于低流速水流能收集的植物纤维基摩擦纳米发电装置
[0001]本专利技术涉及了新能源
的一种水流能的摩擦纳米发电装置，尤其涉及一种用于低流速水流能收集的植物纤维基软接触低阻尼摩擦纳米发电装置。
技术介绍
[0002]水流能是农业环境中最普遍、最可持续、最易获取的清洁可再生能源之一，其数量巨大，有望实现大规模开发和应用。由于TENG具有功率密度高、重量轻、成本低、材料和结构多样等优点，因此TENG被用于有效地收集水能。对于传统的TENG，直接接触摩擦副之间的充分摩擦是产生更多摩擦电荷和更高输出功率密度的必要条件，但长期运行后可能会导致严重磨损，降低设备寿命周期。到目前为止，已经做出了各种努力来提高设备的耐用性，例如滚动充电、摆锤运动、电刷和自动模式切换的结构设计。在之前的工作中，TENG的软接触操作模式已被证实是提高耐久性的有效策略。植物纤维具有柔软的特性，当与另一摩擦电层摩擦时，可以保持紧密接触，阻力较小。通过在TENG中引入柔性植物纤维作为摩擦电材料，不仅可以向电介质表面注入更多的正摩擦电荷，而且可以大大减少材料的磨损。随着输出密度的增加和设备耐用性的提高，外部驱动力可以显著降低。
[0003]目前，TENG主要收集海洋能源，但对农业环境中的低速和低频流动能源(如河流能源和灌溉能源)的研究较少。自然界中的河流水流流速以及农业灌溉用水的水流流速比较慢，传统的TENG运行阻尼比较大，一般无法收集低流速的水流能。本文设计并制造了一种用于低流速河流和灌溉能收集的软接触式TENG。柔软的棉花等植物纤维毛刷是一种典型的正摩擦能材料，而蚀刻聚氯乙烯(PVC)由于其较大的表面粗糙度和氟的引入，具有很强的摩擦电负性，因此摩擦副可以有效地将微弱的机械能转化为电能。与各种硬接触竞争对手相比，PFB
‑
TENG在相同的扭矩和速度下表现出更多的转移电荷、更高的输出性能和更好的耐用性，这意味着设计的PFB
‑
TENG可以在低流量灌溉和河流能量收集环境中最大限度地利用弱离散动能。
技术实现思路
[0004]为了解决
技术介绍
中存在的问题和填补空白，本专利技术的目的在于将植物纤维作为一种新的摩擦电材料引入摩擦发电装置领域中，并且创新地将基于植物纤维毛刷的软接触摩擦纳米发电装置用于低流速水流能的收集，形成一种用于水流能收集的植物纤维基软接触低阻尼摩擦纳米发电装置。
[0005]本专利技术所述的低阻尼是指阻尼低于0.06N
·
m。实例中采用狗尾巴草毛刷、芦苇毛刷、蒲苇毛刷以及棉花毛刷作为补充电荷材料时，装置的工作阻尼均小于0.06N
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m；其中棉花毛刷在不同转速下产生的阻尼最小，均小于0.05N
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m，最小可以达到0.015N
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m。
[0006]本专利技术所述的低流速是指流速低于1m3/h。本专利技术可以实现0.5，0.6，0.7，.0.8，0.9和1m3/h不同流速水流能的收集，最小可以实现0.5m3/h的低流速水流能收集。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]所述装置包括摩擦纳米发电装置和水车驱动机构的两部分；
[0009]摩擦纳米发电装置包含转子、定子、铜电极、摩擦电负性材料和植物纤维毛刷；转子位于定子内，定子内周面覆盖设有铜电极，转子外周面至少一处设置有摩擦电负性材料，摩擦电负性材料和铜电极不接触、具有空气间隙；定子内周面还设有至少一处植物纤维毛刷；
[0010]转子和水车驱动机构的驱动轴同轴连接，在水流的作用下驱动水车驱动机构运行带动摩擦纳米发电装置运转。
[0011]所述的转子在旋转过程中摩擦电负性材料和植物纤维毛刷刮擦软接触以传递电荷。
[0012]所述的水车驱动机构包括水车、驱动轴和轴承座，水车套装在驱动轴上，驱动轴支撑安装于轴承座，驱动轴和转子同轴连接。
[0013]所述的植物纤维毛刷用天然的植物纤维制备，包括棉花、芦苇、蒲苇和狗尾巴草等含有柔软纤维材料的植物。
[0014]所述的转子外周面沿周向设置有多处摩擦电负性材料。
[0015]所述的铜电极是由沿轴向方向穿叉间隔布置的叉指电极布置构成，叉指电极布置在基底上，基底固定覆盖在定子内周面。
[0016]所述的摩擦电负性材料固定贴附在基底上，且和铜电极不接触。
[0017]所述的摩擦电负性材料采用聚氯乙烯PVC、聚四氟乙烯Teflon、聚酰亚胺Kapton、硅橡胶Ecoflex、聚乳酸PLA等材料中的一种。
[0018]本专利技术的植物纤维基摩擦纳米发电装置用于灌溉能或者低流速的水流能收集。
[0019]自然界种的河流以及农业种灌溉用水的水流流速一般比较低，本专利技术所设计的植物纤维基低阻尼TENG还可以通过轴与水车装置固定在同一轴上，水车在外界灌溉水流能的作用下带动TENG中的转子转动，实现低流速水流能的收集。
[0020]本专利技术的有益效果是：
[0021]与之前报道的独立层式软接触摩擦纳米发电装置相比，本专利技术首次将柔软的天然植物纤维毛刷引入TENG的制备，降低TENG运转过程中的阻尼，从而实现低流速水流能的收集。植物纤维毛刷的引入提高了TENG的耐久性和输出功率密度，降低TENG运行过程中的阻尼，因此植物纤维基TENG可以在较小的力驱动下工作。
[0022]本专利技术的摩擦纳米发电装置中，柔软的植物纤维毛刷可以作为电荷传递介质，避免摩擦副之间的直接接触，降低器件运转过程的阻尼。植物纤维具有柔软的特性，当与另一摩擦介电层摩擦时，可以保持紧密接触，阻力较小。
[0023]本专利技术通过在TENG中引入柔性植物纤维作为摩擦电材料，不仅可以向电介质表面注入更多的正摩擦电荷，而且可以大大减少材料的磨损，提高TENG的输出密度的增加的同时可以降低TENG运转时的阻尼，实现对低流速水流能的收集。
附图说明
[0024]图1是植物纤维基摩擦纳米发电机的截面图。
[0025]图2是植物纤维基摩擦纳米发电装置的结构示意图。
[0026]图3是四种植物纤维毛刷的共聚焦显微图和SEM图，从左至右依次是棉花、蒲苇、芦
苇和狗尾巴草毛刷。
[0027]图4是四种不同的植物纤维基摩擦纳米发电装置的在不同转速下运转时的阻尼。
[0028]图5是在不同流量的水流作用下PFB
‑
TENG的转移电荷(图5a)和短路电流(图5b)。
[0029]图6是本专利技术所涉及的用于灌溉能收集的植物纤维基软接触低阻尼摩擦纳米发电装置为负载电阻或者电容器供电的等效电路图。
[0030]图7是在水流驱动下的PFB
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TENG给不同电容充电的电压随时间变化图。
[0031]图8是在水流驱动下的PFB
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TENG供电的土壤传感器上的电压曲线有几个工作周期图。
[0032]图9是植物纤维基摩擦纳米发电机的立体图。
[0033]图中：转子1、定子2、铜电极3、摩擦本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于低流速水流能收集的植物纤维基摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述装置包括摩擦纳米发电装置和水车驱动机构的两部分；摩擦纳米发电装置包含转子(1)、定子(2)、铜电极(3)、摩擦电负性材料(4)和植物纤维毛刷(5)；转子(1)位于定子(2)内，定子(2)内周面覆盖设有铜电极(3)，转子(1)外周面至少一处设置有摩擦电负性材料(4)，摩擦电负性材料(4)和铜电极(3)不接触、具有空气间隙(6)；定子(2)内周面还设有至少一处植物纤维毛刷(5)；转子(1)和水车驱动机构的驱动轴(8)同轴连接，在水流的作用下驱动水车驱动机构运行带动摩擦纳米发电装置运转。2.根据权利要求1所述的一种用于低流速水流能收集的植物纤维基摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述的转子(1)在旋转过程中摩擦电负性材料(4)和植物纤维毛刷(5)刮擦软接触以传递电荷。3.根据权利要求1所述的一种用于低流速水流能收集的植物纤维基摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述的水车驱动机构包括水车(7)、驱动轴(8)和轴承座(9)，水车(7)套装在驱动轴(8)上，驱动轴(8)支撑安装于轴承座(9)，驱动轴(8)和转子(1)同轴连接。4.根据权利要求1所述的一种用于低流速水流...
【专利技术属性】
技术研发人员：应义斌，代淑芬，李逊甲，平建峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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