水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置

1.本发明属于摩擦纳米发电领域，涉及一种水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置。


背景技术：

2.水波能是世界上储量丰富的绿色可再生能源之一。摩擦纳米发电技术作为一种近几年热门的能量收集技术，发电原理是利用摩擦起电效应与静电起电效应的耦合，利用此技术将水流中的机械能和离子能进行收集，它在低频流速的水流中具有良好的发电性能，即临界水流低频率以下的水流频率波段是水轮形结构摩擦纳米发电装置的优势发电频率波段，据报道临界水流低频率是5hz。目前开展水轮形摩擦纳米发电机对水波能收集是将叶片部分和轴内部结构分离。其中以往研究中叶片部分采用的是单独的发电结构，即液-固接触式，通过改性、掺杂、表面修饰等技术手段，提升固液摩擦纳米发电机的发电性能。
3.水流通常的频率波处于临界水流低频率的频率以下，水流频率波处于临界水流低频率以下，液-固摩擦纳米发电机能保持良好且稳定的发电性能，水流频率处于临界水流低频率以下是液-固摩擦纳米发电机的优势发电的水流频率波段。然而当水流频率超过临界水流低频率，液-固摩擦纳米发电机发电性能逐渐相对下降，这种发电性能逐渐下降相当于水流频率临界变化造成发电性能相对稍明显下降。可考虑使用两种不同类型发电装置组合以解决上述波动问题，水流频率处于临界水流低频率以下液-固摩擦纳米发电处于优势的水流频率，水流频率处于临界水流低频率以上电磁发电逐渐处于优势的水流频率，因此，在水流频率由临界水流低频率增加，虽然摩擦发电性能相对稍明显下降，然而电磁发电性能逐渐增加，整体装置的发电性能的下降相对更小。但在实践中发现，考虑大多数的时间水流处于临界水流低频率以下的水流频率波段，也就是说更多的时间，摩擦纳米发电装置优势发电，而电磁发电装置不处于优势发电状态。因此，电磁发电装置大部分时间不能充分发挥发电性能。


技术实现要素：

4.为了同步解决避免单类型的液-固摩擦纳米发电机因水流频率临界变化造成发电性能相对稍明显下降以及电磁发电装置在非发电优势的水流频率段能更充分发挥发电性能的问题。
5.根据本技术一些实施例的一种水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，包括
6.第一转动发电装置，所述第一转动发电装置包括用于转动驱动的电磁发电部分；
7.第二转动发电装置，所述第二转动发电装置包括用于转动驱动的摩擦纳米发电部分；
8.传动装置，所述第二转动发电装置通过所述传动装置向所述第一转动发电装置传递机械动力。
9.根据本技术一些实施例的一种水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，所述第一转动发电装置还包括用于转动驱动的摩擦纳米发电部分。
10.根据本技术一些实施例的一种水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，所述传动装置包括第一齿轮、第二齿轮和传动链条。
11.根据本技术一些实施例的一种水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，所述第一转动发电装置包括第一固定轴、第一轴承、第一水轮装置以及第一滑环，其中：
12.所述第一轴承设置在所述第一固定轴上，所述第一水轮装置设置在所述第一轴承上，使所述第一水轮装置能通过所述第一轴承绕所述第一固定轴转动；
13.所述第一水轮装置包括第一轴外环、第一轴内环、第一隔离空心仓、第一密封板、第一磁铁、第一线圈以及第一叶片；
14.所述第一轴内环的贯通的环心孔中设置所述第一轴承，所述第一轴承固定在所述第一轴内环中；所述第一隔离空心仓连接在同心设置的所述第一轴外环与所述第一轴内环之间，由若干所述第一隔离空心仓将所述第一轴外环与所述第一轴内环之间的空间分隔成若干个第一容置空间；
15.所述第一轴外环与所述第一轴内环之间的轴向端面设置所述第一密封板，每一个空心密封的所述第一容置空间中设置所述第一磁铁，每个所述第一隔离空心仓两个仓板之间具有一定距离，使相邻两个所述第一容置空间中的第一磁铁具有至少第一隔离空心仓两个仓板之间的距离；所述第一叶片间隔设置在所述第一轴外环的外周面，所述第一叶片的表面设置摩擦发电材料；
16.所述第一线盒固定在所述第一固定轴上且设置在所述第一水轮装置的第一端面所在的一侧，与所述第一端面相对，所述第一线盒内部设置若干第一安装柱，所述第一安装柱与所述第一容置空间中的所述第一磁铁一一对应，所述第一线圈设置在所述第一固定柱上使得固定在所述第一安装柱的所述第一线圈与所述第一容置空间中的所述第一磁铁一一对应，使所述第一磁铁随所述第一水轮装置能通过所述第一轴承绕所述第一固定轴转动，并相对于所述静止设置在所述第一固定轴的第一线盒内部的所述线圈转动；
17.所述第一齿轮设置在所述第一水轮装置的第二端面上，且所述第一齿轮轴向第一底面连接在所述第一水轮装置的第二端面上，所述第一齿轮轴向开设贯通的中心孔以及分布在所述中心孔外侧的穿线孔，所述第一轴承通过所述第一齿轮的中心孔，且不与所述中心孔接触，所述第一齿轮随所述第一水轮装置绕所述第一固定轴转动；
18.所述第一滑环包括第一内环、第一外环，所述第一内环设置在所述第一齿轮轴向的第二底面，且所述第一内环连接在第一齿轮轴向的第二底面，由所述第一叶片的表面设置的摩擦发电材料的在所述第二端面侧边沿接出的导线穿过所述第一齿轮的的所述穿线孔而与所述第一内环的接线端连接，藉由连接所述导线的所述第一内环随第一齿轮绕所述第一固定轴转动，以允许所述第一水轮装置的所述第一叶片转动导致的所述导线随动转动，所述第一固定轴通过所述第一外环的轴向的中心孔，且不与所述中心孔接触，所述第一外环与外部基板固定，所述第一内环连接的所述导线的接线端与所述第一外环的输出导线导电连接；
19.所述第二转动发电装置包括第二固定轴、第二轴承、第二水轮装置以及第二滑环，
其中：
20.所述第二轴承设置在所述第二固定轴上，所述第二水轮装置设置在所述第二轴承上，使所述第二水轮装置能通过所述第二轴承绕所述第二固定轴转动；
21.所述第二水轮装置包括第二轴外环、第二轴内环以及第二叶片；
22.所述第二轴内环的贯通的环心孔中设置所述第二轴承，所述第二轴承固定在所述第二轴内环中；
23.所述第二叶片间隔设置在所述第二轴外环的外周面，所述第二叶片的表面设置摩擦发电材料；
24.所述第二齿轮设置在所述第二水轮装置的第二端面上，且所述第二齿轮轴向第二底面连接在所述第二水轮装置的第二端面上，所述第二齿轮轴向开设贯通的中心孔和以及分布在所述中心孔外侧的穿线孔，所述第二齿轮轴向开设贯通的中心孔中设置所述第二轴承，所述第二轴承固定在所述第二齿轮中，使所述第二齿轮随所述第二水轮装置能通过所述第二轴承绕所述第二固定轴转动；
25.所述第二滑环包括第二内环、第二外环，所述第二内环设置在所述第二齿轮轴向的第二底面，且所述第二内环连接在第二齿轮轴向的第二底面，由所述第二叶片的表面设置的摩擦发电材料的在所述第二端面侧边沿接出的导线穿过所述第二齿轮的所述穿线孔而与所述第二内环的接线端连接，藉由连接所述导线的所述第二内环随第二齿轮绕所述第二固定轴转动，以允许所述第二水轮装置的所述第二叶片转动导致的所述导线随动转动，所述第二固定轴通过所述第二外环的轴向的中心孔，且不与所述中心孔接触，所述第二外环与外部基板固定，所述第二内环连接的所述导线的接线端与所述第二外环的输出导线导电连接；
26.所述第一齿轮与所述第二齿轮在两个齿轮之间的方向相对设置，所述传动链条啮合于所述第一齿轮、所述第二齿轮，且在所述第一齿轮和第二齿轮之间传动，所述第一水轮装置的第一叶片大于第二水轮装置的第二叶片，所述第一齿轮的直径大于第二齿轮的直径。
27.根据本技术一些实施例的一种水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，所述第一齿轮的直径是所述第二齿轮直径的1/2，所述第一叶片的面积是所述第二叶片面积的1/2或者所述第一叶片沿所述第一固定轴的轴向方向的长度是所述第二叶片沿所述第二固定轴的轴向方向的长度的1/2，且所述第一叶片的高度小于或等于所述第二叶片的高度。
28.根据本技术一些实施例的一种水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，所述第一磁铁的周面与所述相邻的两个第一隔离空心仓的相对的仓面以及第一轴外环的内表面相抵，使所述第一磁铁随所述第一水轮装置转动而不在所述第一容置空间中窜动。
29.根据本技术一些实施例的一种水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，所述摩擦发电材料粘贴在所述第一叶片表面，摩擦发电材料包括第一层聚四氟乙烯薄膜、第一层聚酰亚胺、铝箔层和第二层聚酰亚胺，所述第一层聚酰亚胺粘接在所述第一层聚四氟乙烯薄膜与铝箔层间，所述第二层聚酰亚胺粘接在所述铝箔层和第一叶片表面间，所述导线由所述铝箔层接出。
30.根据本技术一些实施例的一种水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，所述摩擦发电材料边沿处通过玻璃胶密封。
31.根据本技术一些实施例的一种水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，所述第一水轮装置包括包括四个间隔90度等分设置的第一隔离空心仓，所述第二转动发电装置包括四个间隔90度等分设置的第二支撑。
32.根据本技术一些实施例的一种水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，所述电磁发电的输出导线经所述第一线盒输出。
33.本发明的有益效果：本发明的水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，包括第一转动发电装置、第二转动发电装置和传动装置，所述第一转动发电装置包括电磁发电装置，所述第二转动发电装置包括摩擦纳米发电装置，所述第二转动发电装置通过所述传动装置向所述第二转动发电装置传递机械动力，临界水流低频率以下的水流频率波段是本发明的摩擦纳米发电装置的优势发电的水波能频率波段，临界水流低频率以上的水流频率波段是本发明的电磁发电装置的优势发电的水波能频率波段。
34.本发明在第一方面将两种不同水波能频率波段优势发电的不同类型的发电装置组合，能够在更宽广的水流频率波段都具有优势发电类型的装置，以不至面对相同类型的发电装置组合面临的只能在一个水波能的频率波段具有发电优势，能够解决因水流频率临界变化造成发电性能相对稍明显下降的问题，使得本发明在更宽广的频率波段都能具有优势发电装置，与单一装置相比，复合结构能够有效提升能量收集效率。
35.第二方面，电磁发电机的输出电压和电流都与转子的旋转频率成正比，因此输出功率与频率的平方成正比，本发明考虑到，大多数的时间水流处于临界水流低频率以下的水流频率波段，也就是说更多的时间，本发明的摩擦纳米发电装置优势发电，而电磁发电装置不处于优势发电状态。为此，本发明由所述第二转动发电装置通过所述传动装置向所述第二转动发电装置传递机械动力，从而加速所述第一转动发电装置的转速以提高电磁发电量，并且提高第二转动发电装置转速相当于在一定程度提高附近水波能频率，在电磁发电处于劣势水波能频率波段却不仅能够提高发电量，还使其实际所处水域范围的水波能频率更接近于其发电优势频率。在另一方面，在电磁发电处于优势频率波段能极大促进其发电量提高，并使得实际所处水域范围的水波能频率更高，进一步促进发电优势提升，同步解决了避免单类型的液-固摩擦纳米发电机因水流频率临界变化造成发电性能相对稍明显下降以及电磁发电装置在非发电优势的水流频率段能更充分发挥发电性能的问题。
36.在第三方面，本发明电磁发电所在的第一转动发电装置本身还复合水轮叶片纳米摩擦发电，即第一转动发电装置包括电磁发电和摩擦纳米发电方式，能够进一步提高发电性能，此外，本发明通过这种方式进一步优化水轮形结构，设置叶片上的摩擦纳米发电和轴内部的电磁发电机，避免了单一发电装置在外界强机械冲击下不稳定的现象，并且，就结构本身还具有两种发电技术之间尽可能的降低相互影响的效果。
37.由此，需要强调的是，本发明相较于两个摩擦发电装置在水流低频段或者两个电磁发电装置在水流高频段的组合方式，能够解决因水流频率临界变化造成发电性能相对稍明显下降的问题，使得本发明在更宽广的水流频率波段都能具有优势发电装置。同时，相较于仅仅使用不同类型发电装置组合的方式，而未形成本发明的传动连接结构，本发明在电磁发电装置非发电优势的水流频率段能更充分发挥发电性能。。同步解决了避免单类型的
液-固摩擦纳米发电机因水流频率临界变化造成发电性能相对稍明显下降以及电磁发电装置在非发电优势的水流频率段能更充分发挥发电性能的问题。本发明还进一步提升了水轮结构，将电磁发电装置再复合水轮纳米摩擦发电，进一步提升发电性能，还能够降低复合发电的相互影响。
38.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
39.图1是实施例中水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置的结构示意图。
40.图2是实施例中水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置结构示意图(外环未图示)。
41.图3是实施例中第一水轮装置内部示意图。
42.图4是实施例中第一线盒结构示意图。
43.图5是第一水轮装置结构示意图。
44.图6是第二水轮装置结构示意图。
45.图7是第一齿轮与第一内环连接示意图。
46.图8是第二齿轮与第二内环连接示意图。
47.图9是轴承示意图。
48.附图标记：100.第一转动发电装置，110.第一固定轴，120.第一轴承，130.第一水轮装置，131.第一轴外环，132.第一轴内环，133.第一隔离空心仓，134.第一密封板，135.第一磁铁，136.空间内壁，137.第一叶片，138.第一容置空间，140.第一滑环，141.第一内环，142.第一外环。
49.200.第二转动发电装置，210.第二固定轴，220.第二轴承，230.第二水轮装置，231.第二轴外环，232.第二轴内环，233.第二叶片，240.第二滑环，241.第二内环，242.第二外环。
50.310.第一齿轮，320.第二齿轮，330.链条。
51.400.第一线盒，410.第一安装柱，411.第一线圈
具体实施方式
52.下面通过参考附图详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
53.实施例1：如图1和2所示的一种水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，包括
54.第一转动发电装置100，所述第一转动发电装置100包括包括用于转动驱动的电磁发电部分。
55.第二转动发电装置200，所述第二转动发电装置200第二转动发电装置200包括用于转动驱动的摩擦纳米发电部分。
56.传动装置，所述第二转动发电装置200通过所述传动装置向所述第一转动发电装
置100传递机械动力。
57.在这种方案中，所述第一转动发电装置100还包括用于转动驱动的摩擦纳米发电部分。
58.在这种方案中，所述传动装置包括第一齿轮310、第二齿轮320和传动链条330。
59.在这种方案中，所述第一转动发电装置100包括第一固定轴110、第一轴承120、第一水轮装置130以及第一滑环140，其中：
60.所述第一轴承120设置在所述第一固定轴110上，所述第一水轮装置130设置在所述第一轴承120上，使所述第一水轮装置130能通过所述第一轴承120绕所述第一固定轴110转动。
61.如图3和5所示，所述第一水轮装置130包括第一轴外环131、第一轴内环132、第一隔离空心仓133、第一密封板134、第一磁铁135、第一线圈411以及第一叶片137。
62.所述第一轴内环132的贯通的环心孔中设置所述第一轴承120，所述第一轴承120固定在所述第一轴内环132中。所述第一隔离空心仓133连接在同心设置的所述第一轴外环131与所述第一轴内环132之间，由若干所述第一隔离空心仓133将所述第一轴外环131与所述第一轴内环132之间的空间分隔成若干个第一容置空间138。
63.所述第一轴外环131与所述第一轴内环132之间的轴向端面设置所述第一密封板134，每一个空心密封的所述第一容置空间138中设置所述第一磁铁135，每个所述第一隔离空心仓133两个仓板之间具有一定距离，使相邻两个所述第一容置空间138中的第一磁铁135具有至少第一隔离空心仓133两个仓板之间的距离。所述第一叶片137间隔设置在所述第一轴外环131的外周面，所述第一叶片137的表面设置摩擦发电材料。
64.如图4所示，所述第一线盒固定在所述第一固定轴110上且设置在所述第一水轮装置130的第一端面所在的一侧，与所述第一端面相对，所述第一线盒内部设置若干第一安装柱，所述第一安装柱与所述第一容置空间138中的所述第一磁铁135一一对应，所述第一线圈411设置在所述第一固定柱上使得固定在所述第一安装柱的所述第一线圈411与所述第一容置空间138中的所述第一磁铁135一一对应，使所述第一磁铁135随所述第一水轮装置130能通过所述第一轴承120绕所述第一固定轴110转动，并相对于所述静止设置在所述第一固定轴110的第一线盒内部的所述线圈转动。
65.所述第一齿轮310设置在所述第一水轮装置130的第二端面上，且所述第一齿轮310轴向第一底面连接在所述第一水轮装置130的第二端面上，所述第一齿轮310轴向开设贯通的中心孔以及分布在所述中心孔外侧的穿线孔，所述第一轴承120通过所述第一齿轮310的中心孔，且不与所述中心孔接触，所述第一齿轮310随所述第一水轮装置130绕所述第一固定轴110转动；
66.如图7所示，所述第一滑环140包括第一内环141、第一外环142，所述第一内环141设置在所述第一齿轮310轴向的第二底面，且所述第一内环141连接在第一齿轮310轴向的第二底面，由所述第一叶片137的表面设置的摩擦发电材料的在所述第二端面侧边沿接出的导线穿过所述第一齿轮310的的所述穿线孔而与所述第一内环141的接线端连接，藉由连接所述导线的所述第一内环141随第一齿轮310绕所述第一固定轴110转动，以允许所述第一水轮装置130的所述第一叶片137转动导致的所述导线随动转动，所述第一固定轴110通过所述第一外环142的轴向的中心孔，且不与所述中心孔接触，所述第一外环142与外部基
板固定，所述第一内环141连接的所述导线的接线端与所述第一外环142的输出导线导电连接；
67.如图1、2和4所示，所述第二转动发电装置200包括第二固定轴210、第二轴承220、第二水轮装置230以及第二滑环240，其中：
68.所述第二轴承220设置在所述第二固定轴210上，所述第二水轮装置230设置在所述第二轴承220上，使所述第二水轮装置230能通过所述第二轴承220绕所述第二固定轴210转动。
69.所述第二水轮装置230包括第二轴外环231、第二轴内环232以及第二叶片233。
70.所述第二轴内环232的贯通的环心孔中设置所述第二轴承220，所述第二轴承220固定在所述第二轴内环232中。
71.所述第二叶片233间隔设置在所述第二轴外环231的外周面，所述第二叶片233的表面设置摩擦发电材料。
72.如图8所示，所述第二齿轮320设置在所述第二水轮装置230的第二端面上，且所述第二齿轮320轴向第二底面连接在所述第二水轮装置230的第二端面上，所述第二齿轮320轴向开设贯通的中心孔和以及分布在所述中心孔外侧的穿线孔，所述第二齿轮320轴向开设贯通的中心孔中设置所述第二轴承220，所述第二轴承220固定在所述第二齿轮320中，使所述第二齿轮320随所述第二水轮装置230能通过所述第二轴承220绕所述第二固定轴210转动；
73.所述第二滑环240包括第二内环241、第二外环242，所述第二内环241设置在所述第二齿轮320轴向的第二底面，且所述第二内环241连接在第二齿轮320轴向的第二底面，由所述第二叶片233的表面设置的摩擦发电材料的在所述第二端面侧边沿接出的导线穿过所述第二齿轮320的所述穿线孔而与所述第二内环241的接线端连接，藉由连接所述导线的所述第二内环241随第二齿轮320绕所述第二固定轴210转动，以允许所述第二水轮装置230的所述第二叶片233转动导致的所述导线随动转动，所述第二固定轴210通过所述第二外环242的轴向的中心孔，且不与所述中心孔接触，所述第二外环242与外部基板固定，所述第二内环241连接的所述导线的接线端与所述第二外环242的输出导线导电连接；
74.所述第一齿轮310与所述第二齿轮320在两个齿轮之间的方向相对设置，所述传动链条330啮合于所述第一齿轮310、所述第二齿轮320，且在所述第一齿轮310和第二齿轮320之间传动，所述第一水轮装置130的第一叶片137大于第二水轮装置230的第二叶片233，所述第一齿轮310的直径大于第二齿轮320的直径。
75.在这种方案中，所述第一齿轮310的直径是所述第二齿轮(320)直径的1/2，所述第一叶片137的面积是所述第二叶片233面积的1/2或者所述第一叶片137沿所述第一固定轴110的轴向方向的长度是所述第二叶片233沿所述第二固定轴210的轴向方向的长度的1/2，且所述第一叶片137的高度小于或等于所述第二叶片233的高度。
76.在这种方案中，所述第一磁铁135的周面与所述相邻的两个第一隔离空心仓133的相对的仓面以及第一轴外环131的内表面相抵，使所述第一磁铁135随所述第一水轮装置130转动而不在所述第一容置空间138中窜动。
77.在这种方案中，所述摩擦发电材料粘贴在所述第一叶片137表面，摩擦发电材料包括第一层聚四氟乙烯薄膜、第一层聚酰亚胺、铝箔层和第二层聚酰亚胺，所述第一层聚酰亚
胺粘接在所述第一层聚四氟乙烯薄膜与铝箔层间，所述第二层聚酰亚胺粘接在所述铝箔层和第一叶片137表面间，所述导线由所述铝箔层接出。
78.在这种方案中，所述摩擦发电材料边沿处通过玻璃胶密封。
79.在这种方案中，所述第一水轮装置130包括包括四个间隔90度等分设置的第一隔离空心仓133，所述第二转动发电装置200包括四个间隔90度等分设置的第二支撑。
80.在这种方案中，所述电磁发电的输出导线经所述第一线盒输出。
81.摩擦纳米发电机的输出电压是一个常数，取决于材料表面上的介电性能，并且它的输出电流与频率成正比，因此它的输出功率也与频率成正比。电磁发电机的输出电压和电流都与转子的旋转频率成正比，因此输出功率与频率的平方成正比。
82.本发明的水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，包括第一转动发电装置、第二转动发电装置和传动装置，所述第一转动发电装置包括电磁发电装置，所述第二转动发电装置包括摩擦纳米发电装置，所述第二转动发电装置通过所述传动装置向所述第二转动发电装置传递机械动力，临界水流低频率以下的水流频率波段是本发明的摩擦纳米发电装置的优势发电的水波能频率波段，临界水流低频率以上的水流频率波段是本发明的电磁发电装置的优势发电的水波能频率波段。
83.本发明在第一方面将两种不同水波能频率波段优势发电的不同类型的发电装置组合，能够在更宽广的水流频率波段都具有优势发电类型的装置，以不至面对相同类型的发电装置组合面临的只能在一个水波能的频率波段具有发电优势，能够解决因水流频率临界变化造成发电性能相对稍明显下降的问题，使得本发明在更宽广的频率波段都能具有优势发电装置。
84.第二方面，电磁发电机的输出电压和电流都与转子的旋转频率成正比，因此输出功率与频率的平方成正比，本发明考虑到，大多数的时间水流处于临界水流低频率以下的水流频率波段，也就是说更多的时间，本发明的摩擦纳米发电装置优势发电，而电磁发电装置不处于优势发电状态。为此，本发明由所述第二转动发电装置通过所述传动装置向所述第二转动发电装置传递机械动力，从而加速所述第一转动发电装置的转速以提高电磁发电量，并且提高第二转动发电装置转速相当于在一定程度提高附近水波能频率，在电磁发电处于劣势水波能频率波段却不仅能够提高发电量，还使其实际所处水域范围的水波能频率更接近于其发电优势频率。在另一方面，在电磁发电处于优势频率波段能极大促进其发电量提高，并使得实际所处水域范围的水波能频率更高，进一步促进发电优势提升，同步解决了避免单类型的液-固摩擦纳米发电机因水流频率临界变化造成发电性能相对稍明显下降以及电磁发电装置在非发电优势的水流频率段能更充分发挥发电性能的问题。
85.在第三方面，本发明电磁发电所在的第一转动发电装置本身还复合水轮叶片纳米摩擦发电，即第一转动发电装置包括电磁发电和摩擦纳米发电方式，能够进一步提高发电性能，此外，本发明通过这种方式进一步优化水轮形结构，设置叶片上的摩擦纳米发电和轴内部的电磁发电机，避免了单一发电装置在外界强机械冲击下不稳定的现象，并且，就结构本身还具有两种发电技术之间尽可能的降低相互影响的效果。
86.由此，需要强调的是，本发明相较于两个摩擦发电装置在水流低频段或者两个电磁发电装置在水流高频段的组合方式，能够解决因水流频率临界变化造成发电性能相对稍明显下降的问题，使得本发明在更宽广的水流频率波段都能具有优势发电装置，促进发电
稳定性。同时，相较于仅仅使用不同类型发电装置组合的方式，而未形成本发明的传动连接结构，本发明在电磁发电装置非发电优势的水流频率段能更充分发挥发电性能。同步解决了避免单类型的液-固摩擦纳米发电机因水流频率临界变化造成发电性能相对稍明显下降以及电磁发电装置在非发电优势的水流频率段能更充分发挥发电性能的问题。本发明还进一步提升了水轮结构，将电磁发电装置再复合水轮纳米摩擦发电，进一步提升发电性能，还能够降低复合发电的相互影响。
87.实施例2：水波能是一种取之不尽用之不竭的丰富可再生绿色能源，若能有效的开发和利用，可极大的缓解能源危机、降低环境恶化。但是环境中的水波能具有低频特性，并且绝大部分水体所蕴含的能量都分布在水体的表面，这使传统的电磁感应发电机在回收这种能量时有一定的局限性，为了收集这类能量就需要设计一种适用于低频波段的摩擦纳米发电结构。而水轮形结构恰好符合此需求，其水流机械能的激励下，此结构能够长时间处于稳定的工作状态，同时满足上述对水体表面能量的收集。在水轮叶片部分搭建单电极摩擦纳米发电机和水轮轴内部磁铁与外部线圈组成电磁发电机，同时将辅助与发电水轮用链条330相连接，复合发电装置就能够实现更优异的电能输出。
88.影响电势大小的因素除了分离间距大小外，材料本身的介电常数，表面电荷密度也至关重要，原因是材料得失电子的能力取决于它的极性。聚四氟乙烯ptfe疏水性好、极性强、表面电荷密度大，因此本发明选取ptfe为摩擦层材料。
89.本发明设计的一种水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置主要的结构为设计有随水波冲击而转动结构，包括不锈钢杆制作的固定轴、线盒、线圈、轴承、ptfe薄膜、聚酰亚胺导电胶带、导线、磁铁、隔离框架、发电水轮、链条330、辅助水轮。
90.对于电磁发电机复合摩擦纳米发电机的第一转动发电装置100，水轮装置通过不锈钢杆制作的固定轴而支撑，随着水流中的机械能做功，推动水轮装置的叶片旋转。摩擦纳米发电机在水轮装置的叶片上粘贴疏水性材料。电磁发电机是由外部固定线盒内的线圈与水轮装置的中空内部安装的磁铁组成，同样在转动时电磁发电。
91.疏水性材料粘贴位置是在水轮叶片上，由几层结构组成，最上层是ptfe薄膜，由聚酰亚胺作为导电胶将ptfe薄膜和铝箔粘贴起来，由聚酰亚胺作为导电胶将在铝箔与粘贴起来，由铝箔引出电线，上述几种材料的尺寸与叶片尺寸一致，当粘贴完成后，材料四周用玻璃胶进行密封。
92.电磁发电部分主要分为磁铁和线圈两个部分，磁铁密封在水轮装置内部空间中，共设置有四组，每组磁铁之间为3d打印的隔离材料，隔离材料具有空心间隙，保证每组磁铁有一定的相对空间。线圈通过所在的线盒与固定轴连接到一起，不随着水轮装置转动而转动，内部有四个位置上对应磁铁的放置桩可以用以线圈的固定。
93.亚克力叶片厚度太薄会在水流冲击时造成形变，太厚会增加结构自重，经过测试选择5毫米。ptfe太厚会降低附着电极上的感应电荷量，使得发电性能降低，太薄易破损，影响器件耐用性，经过测试选择0.05毫米ptfe薄膜。
94.摩擦纳米和电磁发电单元都需要连接外部电路，摩擦纳米发电机是单电极模式，此模式更有利于在这个结构下对水的机械能进行收集，此外6个叶片组成6个摩擦纳米发电机，外接储能电路就可以对能量进行收集。电磁发电机，由四个磁铁和两个线盒组成，线盒位于发电水轮主体左、右两侧，每个线盒内部有四个线圈，在转动过程中线圈磁通量不断变
化，从而产生电流，电流通过导线和滑环引出。
95.对于只有摩擦纳米发电机的第二转动发电装置200，与第一转动发电装置100的水轮装置之间用齿轮和链条330搭配连接，特点是大尺寸叶片、重量轻、吃水线更深等，能够更好的收集水体表面的机械能，然后通过变速齿轮结构，将能量传递给第一转动发电装置100，提高第一转动发电装置100转速。
96.由上述方案，本发明的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，在此结构上将摩擦纳米与电磁两种发电技术相结合，解决了在水波的波动幅度不稳定时单个发电机效率低的问题。同时优化了水轮形电磁发电机的结构，发电水轮轴内部的磁铁和外置固定的线圈两者相分离，避免了在轴内部空间狭小时运动过程中易受干扰的问题。
97.由上述方案，本发明的水轮形复合发电装置与此结构上单独的发电装置相比，以摩擦纳米发电机为例，添加电磁发电结构增加的自重带来的发电性能影响很低，同一时间段内复合装置收集的能量远远高于单独的发电装置，可产生更高的电荷输出。辅助水轮结构具有更大的叶片可以增加水波中机械能收集，辅助与发电两个水轮同一侧分别通过大、小两个齿轮在同一平面内垂直连接，提高发电水轮的转速，从而提升发电效能。
98.由上述方案，本发明的两个水轮结构对水波中的能量进行收集，辅助水轮结构能够更好的收集水波中的机械能，通过连动装置将能量传递给发电水轮，加速发电水轮旋转。发电水轮利用摩擦纳米与电磁两种发电机技术，对环境中可在生能源水波能收集。
99.根据上述装置，本发明的第一转动发电装置100的摩擦纳米发电机制备过程如下：
100.1提前将准备好的亚克力叶片擦拭干净，在叶片上贴上聚酰亚胺导电胶带，粘贴平整。
101.2在步骤1中贴上胶带的亚克力板上贴上导电铝箔，并在铝箔的背面引出一根导线，用于连接外部储能电路。
102.3将裁剪好的ptfe薄膜粘贴在底部的聚酰亚胺导电胶上连接铝箔，粘贴平整无气泡，并在边缘用透明的玻璃胶进行密封防止进水，等玻璃胶完全固化后即单电极摩擦纳米发电机器件制备完毕。
103.4图3是一种水轮形摩擦纳米发电机的结构图，包括摩擦层、电极层以及支撑结构，其中摩擦层采用ptfe薄膜，电极层采用导电铝箔，支撑结构是0.5厘米的亚克力材料。将上述摩擦纳米发电机制备完成的器件封装后，用6514静电计连接，一端接摩擦纳米发电机，另一端接地，测试其开路电压和短路电流。
104.根据上述装置，本发明的第一转动发电装置100的电磁发电机器件制备过程如下：
105.1线圈是和不锈钢杆连接固定的，在水轮转动时保持不动，线圈内部有四个放置线圈的圆柱，圆柱之间角度为90度，其位置与内部磁铁位置一一对应。
106.2其中如图1所示支撑轴承部分起到的作用是将水轮主体和杆隔离，轴承的内轴与不锈钢杆连接，外轴与水轮主体连接，因此在水轮转动时水轮主体和杆之间没有贴合部分，减少了水轮转动时的摩擦。
107.3将四组线圈放置完毕后，导线接外部储能电路，在此条件下将上述电磁发电机制备完成的器件封装。
108.根据上述装置，本发明的第二转动发电装置200的水轮结构搭建过程如下：
109.1辅助水轮与不锈钢杆连接，发电和辅助水轮中的不锈钢杆在同一个水平面上，并
且确保两者间距不影响发电和辅助水轮正常转动。
110.2发电和辅助水轮在同一测都有固定的齿轮结构，两个齿轮直径比为1:2，叶片宽度比为1:2，齿轮通过链条330连接。由于发电水轮结构自重更大，相对转速低于辅助水轮，因此两者连接后，能够增加发电水轮转速。
111.在发电水轮结构上有两种能量收集技术，其一单电极摩擦纳米发电机的发电原理是：只需要一个电极连接在摩擦纳米发电机的一个起电面上，而另一个电极只是作为电势的参考电极，即将另一端接地，在水轮形结构上，叶片上的摩擦材料与水接触时，表面电荷密度随着接触和分离的过程发生改变，为平衡两端的电势差，电荷随着导线移动，因此产生电流。其二电磁发电机的发电原理是：在水轮结构内部的磁铁和外部的线圈分别作为发电机的转子和定子，在水流的激励下，水车转动，旋转电磁发电机能够通过线圈中磁通量的周期性变化来提供交流电，从而实现对电磁能量的收集。
112.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
113.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
114.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
115.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
116.在本发明中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“至少一个”是指一个或一个以上；“a和b中的至少一个”，类似于“a和/或b”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和b中的至少一个，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
117.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示
例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
118.以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

技术特征：
1.一种水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，其特征在于，包括第一转动发电装置(100)，所述第一转动发电装置(100)包括用于转动驱动的电磁发电部分；第二转动发电装置(200)，所述第二转动发电装置(200)包括用于转动驱动的摩擦纳米发电部分；传动装置，所述第二转动发电装置(200)通过所述传动装置向所述第一转动发电装置(100)传递机械动力。2.根据权利要求1所述的水流多频率波段适用的水轮形摩擦-纳米电磁复合发电装置，其特征在于，所述第一转动发电装置(100)还包括用于转动驱动的摩擦纳米发电部分。3.根据权利要求2所述的水流多频率波段适用的水轮形摩擦-纳米电磁复合发电装置，其特征在于，所述传动装置包括第一齿轮(310)、第二齿轮(320)和传动链条(330)。4.根据权利要求3所述的水流多频率波段适用的水轮形摩擦-纳米电磁复合发电装置，其特征在于，所述第一转动发电装置(100)包括第一固定轴(110)、第一轴承(120)、第一水轮装置(130)以及第一滑环(140)，其中：所述第一轴承(120)设置在所述第一固定轴(110)上，所述第一水轮装置(130)设置在所述第一轴承(120)上，使所述第一水轮装置(130)能通过所述第一轴承(120)绕所述第一固定轴(110)转动；所述第一水轮装置(130)包括第一轴外环(131)、第一轴内环(132)、第一隔离空心仓(133)、第一密封板(134)、第一磁铁(135)、第一线圈(411)以及第一叶片(137)；所述第一轴内环(132)的贯通的环心孔中设置所述第一轴承(120)，所述第一轴承(120)固定在所述第一轴内环(132)中；所述第一隔离空心仓(133)连接在同心设置的所述第一轴外环(131)与所述第一轴内环(132)之间，由若干所述第一隔离空心仓(133)将所述第一轴外环(131)与所述第一轴内环(132)之间的空间分隔成若干个第一容置空间(138)；所述第一轴外环(131)与所述第一轴内环(132)之间的轴向端面设置所述第一密封板(134)，每一个空心密封的所述第一容置空间(138)中设置所述第一磁铁(135)，每个所述第一隔离空心仓(133)两个仓板之间具有一定距离，使相邻两个所述第一容置空间(138)中的第一磁铁(135)具有至少第一隔离空心仓(133)两个仓板之间的距离；所述第一叶片(137)间隔设置在所述第一轴外环(131)的外周面，所述第一叶片(137)的表面设置摩擦发电材料；所述第一线盒固定在所述第一固定轴(110)上且设置在所述第一水轮装置(130)的第一端面所在的一侧，与所述第一端面相对，所述第一线盒内部设置若干第一安装柱，所述第一安装柱与所述第一容置空间(138)中的所述第一磁铁(135)一一对应，所述第一线圈(411)设置在所述第一固定柱上使得固定在所述第一安装柱的所述第一线圈(411)与所述第一容置空间(138)中的所述第一磁铁(135)一一对应，使所述第一磁铁(135)随所述第一水轮装置(130)能通过所述第一轴承(120)绕所述第一固定轴(110)转动，并相对于所述静止设置在所述第一固定轴(110)的第一线盒内部的所述线圈转动；所述第一齿轮(310)设置在所述第一水轮装置(130)的第二端面上，且所述第一齿轮(310)轴向第一底面连接在所述第一水轮装置(130)的第二端面上，所述第一齿轮(310)轴向开设贯通的中心孔以及分布在所述中心孔外侧的穿线孔，所述第一轴承(120)通过所述
第一齿轮(310)的中心孔，且不与所述中心孔接触，所述第一齿轮(310)随所述第一水轮装置(130)绕所述第一固定轴(110)转动；所述第一滑环(140)包括第一内环(141)、第一外环(142)，所述第一内环(141)设置在所述第一齿轮(310)轴向的第二底面，且所述第一内环(141)连接在第一齿轮(310)轴向的第二底面，由所述第一叶片(137)的表面设置的摩擦发电材料的在所述第二端面侧边沿接出的导线穿过所述第一齿轮(310)的的所述穿线孔而与所述第一内环(141)的接线端连接，藉由连接所述导线的所述第一内环(141)随第一齿轮(310)绕所述第一固定轴(110)转动，以允许所述第一水轮装置(130)的所述第一叶片(137)转动导致的所述导线随动转动，所述第一固定轴(110)通过所述第一外环(142)的轴向的中心孔，且不与所述中心孔接触，所述第一外环(142)与外部基板固定，所述第一内环(141)连接的所述导线的接线端与所述第一外环(142)的输出导线导电连接；所述第二转动发电装置(200)包括第二固定轴(210)、第二轴承(220)、第二水轮装置(230)以及第二滑环(240)，其中：所述第二轴承(220)设置在所述第二固定轴(210)上，所述第二水轮装置(230)设置在所述第二轴承(220)上，使所述第二水轮装置(230)能通过所述第二轴承(220)绕所述第二固定轴(210)转动；所述第二水轮装置(230)包括第二轴外环(231)、第二轴内环(232)以及第二叶片(233)；所述第二轴内环(232)的贯通的环心孔中设置所述第二轴承(220)，所述第二轴承(220)固定在所述第二轴内环(232)中；所述第二叶片(233)间隔设置在所述第二轴外环(231)的外周面，所述第二叶片(233)的表面设置摩擦发电材料；所述第二齿轮(320)设置在所述第二水轮装置(230)的第二端面上，且所述第二齿轮(320)轴向第二底面连接在所述第二水轮装置(230)的第二端面上，所述第二齿轮(320)轴向开设贯通的中心孔和以及分布在所述中心孔外侧的穿线孔，所述第二齿轮(320)轴向开设贯通的中心孔中设置所述第二轴承(220)，所述第二轴承(220)固定在所述第二齿轮(320)中，使所述第二齿轮(320)随所述第二水轮装置(230)能通过所述第二轴承(220)绕所述第二固定轴(210)转动；所述第二滑环(240)包括第二内环(241)、第二外环(242)，所述第二内环(241)设置在所述第二齿轮(320)轴向的第二底面，且所述第二内环(241)连接在第二齿轮(320)轴向的第二底面，由所述第二叶片(233)的表面设置的摩擦发电材料的在所述第二端面侧边沿接出的导线穿过所述第二齿轮(320)的所述穿线孔而与所述第二内环(241)的接线端连接，藉由连接所述导线的所述第二内环(241)随第二齿轮(320)绕所述第二固定轴(210)转动，以允许所述第二水轮装置(230)的所述第二叶片(233)转动导致的所述导线随动转动，所述第二固定轴(210)通过所述第二外环(242)的轴向的中心孔，且不与所述中心孔接触，所述第二外环(242)与外部基板固定，所述第二内环(241)连接的所述导线的接线端与所述第二外环(242)的输出导线导电连接；所述第一齿轮(310)与所述第二齿轮(320)在两个齿轮之间的方向相对设置，所述传动链条(330)啮合于所述第一齿轮(310)、所述第二齿轮(320)，且在所述第一齿轮(310)和第
二齿轮(320)之间传动，所述第一水轮装置(130)的第一叶片(137)大于第二水轮装置(230)的第二叶片(233)，所述第一齿轮(310)的直径大于第二齿轮(320)的直径。5.根据权利要求4所述的水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，其特征在于，所述第一齿轮(310)的直径是所述第二齿轮(320)直径的1/2，所述第一叶片(137)的面积是所述第二叶片(233)面积的1/2或者所述第一叶片(137)沿所述第一固定轴(110)的轴向方向的长度是所述第二叶片(233)沿所述第二固定轴(210)的轴向方向的长度的1/2，且所述第一叶片(137)的高度小于或等于所述第二叶片(233)的高度。6.根据权利要求4所述的水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，其特征在于，所述第一磁铁(135)的周面与所述相邻的两个第一隔离空心仓(133)的相对的仓面以及第一轴外环(131)的内表面相抵，使所述第一磁铁(135)随所述第一水轮装置(130)转动而不在所述第一容置空间(138)中窜动。7.根据权利要求4所述的水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，其特征在于，所述摩擦发电材料粘贴在所述第一叶片(137)表面，摩擦发电材料包括第一层聚四氟乙烯薄膜、第一层聚酰亚胺、铝箔层和第二层聚酰亚胺，所述第一层聚酰亚胺粘接在所述第一层聚四氟乙烯薄膜与铝箔层间，所述第二层聚酰亚胺粘接在所述铝箔层和第一叶片(137)表面间，所述导线由所述铝箔层接出。8.根据权利要求7所述的水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，其特征在于，所述摩擦发电材料边沿处通过玻璃胶密封。9.根据权利要求4所述的水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，其特征在于，所述第一水轮装置(130)包括包括四个间隔90度等分设置的第一隔离空心仓(133)，所述第二转动发电装置(200)包括四个间隔90度等分设置的第二支撑。10.根据权利要求4所述的水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，其特征在于，所述电磁发电的输出导线经所述第一线盒输出。

技术总结
水流多频率波段适用的水轮形摩擦纳米-电磁复合发电装置，属于摩擦纳米发电领域，为了同步解决避免单类型的液-固摩擦纳米发电机因临界水流低频率变化造成发电性能相对稍明显下降，第一转动发电装置，所述第一转动发电装置包括用于转动驱动的电磁发电部分；第二转动发电装置，所述第二转动发电装置包括用于转动驱动的摩擦纳米发电部分；传动装置，所述第二转动发电装置通过所述传动装置向所述第一转动发电装置传递机械动力，效果是提高发电性能。能。能。


技术研发人员：柳霆 刘文跃 杜海英 辛易达 龙飞飞
受保护的技术使用者：大连民族大学
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/6/27