CN106609722B - 发电系统和发电网络 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米发电领域，公开了一种发电系统。其中该系统包括水上发电装置、水下发电装置和电源管理电路，其中：所述水上发电装置包括波浪能发电单元；所述水下发电装置包括洋流能发电单元；以及所述电源管理电路用于对所述水上发电装置和所述水下发电装置的电输出进行管理。通过使用本发明上述的发电系统，将其应用于海洋系统中，能够实现海洋能的多方位同时采集。

Description

发电系统和发电网络
技术领域
本发明涉及纳米发电领域，具体地，涉及一种发电系统以及由发电系统连接形成的发电网络。
背景技术
海洋能(例如潮流能、海浪能、洋流能等)是一种巨大的能量来源，作为可再生能源，储量丰富，分布广泛，具有很好的发展前景和价值。但是现如今对于海洋能的利用还处于起步阶段，存在着较大的局限性，无法实现对海洋能的全方位同时采集。
发明内容
本发明的目的是提供一种发电系统，以解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种发电系统和由多个发电系统互相连接形成的发电网络。其中该系统包括水上发电装置、水下发电装置和电源管理电路，其中：所述水上发电装置包括波浪能发电单元；所述水下发电装置包括洋流能发电单元；以及所述电源管理电路用于对所述水上发电装置和所述水下发电装置的电输出进行管理。
通过上述技术方案，例如可以将上述的发电系统应用于海洋系统中，利用包括波浪能发电单元的水上发电装置对海洋上的波浪能进行采集发电、利用包括洋流能发电单元的水下发电装置对海洋下的洋流能进行采集发电，并利用电源管理电路用于对所述水上发电装置和所述水下发电装置的电输出进行管理。由此，不仅可以对海洋上的能源进行采集发电，还可以对海洋下的能源进行采集发电。也就是，可以实现海洋能的多方位同时采集。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明一种实施方式的发电系统的结构示意图；
图2是根据本发明一种实施方式的洋流能发电单元和/或风能发电单元的结构示意图；
图3是根据本发明一种实施方式的连接单元与活动框架的连接示意图；
图4是根据本发明一种实施方式的发电机本体的结构示意图；
图5是根据本发明一种实施方式的调整电路示意图；
图6是根据本发明一种实施方式的波浪能发电单元的结构示意图；以及
图7是根据本发明一种实施方式的发电网络的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是根据本发明一种实施方式的发电系统的结构示意图。
如图1所示，根据本发明一种实施方式的发电系统包括水上发电装置100、水下发电装置200和电源管理电路(未示出)，其中：所述水上发电装置100包括波浪能发电单元50；所述水下发电装置200包括洋流能发电单元40；以及所述电源管理电路用于对所述水上发电装置100和所述水下发电装置200的电输出进行管理。
通过将上述的发电系统应用于海洋系统中，利用包括波浪能发电单元的水上发电装置对海洋上的波浪能进行采集发电、利用包括洋流能发电单元的水下发电装置对海洋下的洋流能进行采集发电，并利用电源管理电路用于对所述水上发电装置和所述水下发电装置的电输出进行管理。由此，不仅可以对海洋上的能源进行采集发电，还可以对海洋下的能源进行采集发电。也就是，实现了海洋能的多方位同时采集。
类似地，本发明提供的发电系统也可以应用于江水、河流、湖泊中，本发明不对此进行限定。相应地，洋流能与水流能相对应。
根据本发明一种实施方式，所述水上发电装置100还包括太阳能电池板20。由此，本发明的发电系统在对海洋能进行采集的同时，还可以对太阳能进行收集，实现能源的多样化采集。
其中，所述太阳能电池板20可以为以下中的一种：染料敏化太阳能电池板、有机薄膜太阳能电池板、钙钛矿太阳能电池板和硅基太阳能电池板等。
根据本发明一种实施方式，所述水上发电装置100还包括风能发电单元30。由此，本发明的发电系统在上述的对海洋能以及太阳能进行采集的同时，还可以对风能进行收集，实现能源的多样化采集。
其中，电源管理电路用于对所述水上发电装置100和所述水下发电装置200的电输出进行管理包括：电源管理电路能够将水上发电机装置100和水下发电机装置200(即洋流能发电单元40、波浪能发电单元50和太阳能电池板20)的输出叠加(并联输出)，或是将采集的能量储存于电存储单元中。该电存储单元可以集成在所述电源管理电路中，也可以独立于电源管理电路进行设置。
根据本发明一种实施方式，所述发电系统还包括中空浮体单元10，所述电源管理电路设置在所述中空浮体单元10中，所述风能发电单元30设置在所述中空浮体单元10的上表面，所述波浪能发电单元50设置在所述中空浮体单元10的上表面或侧面，所述洋流能发电单元40设置在所述中空浮体单元10的下表面。此外，所述太阳能电池板20设置在所述中空浮体单元10的上表面。
通过设置该中空浮体单元10，可以使得该发电系统漂浮在水面上。
此外，波浪能发电单元50还可以通过线与中空浮体单元10连接而直接置于水面。
其中，所述中空浮体单元10可以为长方体、立方体、球体和多面体等结构中的任意一种。
根据本发明一种实施方式，所述发电系统还包括连接单元401，所述连接单元401将多个所述洋流能发电单元40和/或多个所述风能发电单元30串接形成洋流能发电单元串和/或风能发电单元串，且所述洋流能发电单元40通过所述连接单元连接至所述中空浮体单元10的下表面，所述风能发电单元30通过所述连接单元连接至所述中空浮体单元10的上表面。
虽然以上描述了通过连接单元401将多个所述风能发电单元30和多个所述洋流能发电单元40分别串接形成风能发电单元串和洋流能发电单元串后连接在中空浮体单元10的上下表面，但本发明不限于此。例如，对于直接将单独的洋流能发电单元40和单独的所述风能发电单元30连接在中空浮体单元10的上下表面的情形同样适用于本发明。
图2是根据本发明一种实施方式的洋流能发电单元和/或风能发电单元的结构示意图。
如图2所示，所述洋流能发电单元40和/或所述风能发电单元30包括活动框架402、发电机本体403、螺旋桨404和连接所述发电机本体403和所述螺旋桨404的连接件405，其中所述连接单元401与所述活动框架402连接，所述发电机本体403、所述螺旋桨404和所述连接件405设置在所述活动框架402内。
图3是根据本发明一种实施方式的连接单元与活动框架的连接示意图。
如图3所示，所述连接单元401与所述活动框架402之间可以通过多个刚性小球406活动连接。由此，活动框架402可以以连接单元401为轴发生旋转运动。优选地，所述连接单元401可以为固定杆。
由此，在不同方向的水流或风的作用下，活动框架402与固定杆之间可以发生相对转动，使得螺旋桨404始终与水流和风的方向正对，从而可以收集多方向的水流能和风能。
此外，也可以利用现有技术中其他的活动连接方式对所述连接单元401与所述活动框架402进行连接，只要保证所述连接单元401与所述活动框架402之间能够发生相对旋转运动即可。
图4是根据本发明一种实施方式的发电机本体403的结构示意图；
如图4所示，所述发电机本体403为摩擦电磁复合发电单元，包括摩擦纳米发电机、电磁式发电机和第一密闭腔体4023，其中，电磁式发电机包括：第一转动部件4020、固定在第一转动部件4020上的第一磁铁单元4021、固定在密闭腔体上的线圈单元4022和设置在密闭腔体内的第二磁铁单元4026，第一转动部件4020通过转轴连接在第一密闭腔体4023的外壁上；摩擦纳米发电机设置在第一密闭腔体4023内部，包括互相接触设置并可以相对转动的第二转动部件4024和固定部件4025，固定部件4025固定在第一密闭腔体4023内壁上，第二磁铁单元4026固定设置在第二转动部件4024上。当第一转动部件4020与第一磁铁单元4021一同转动时，在磁力作用下，第二磁铁单元4026带动第二转动部件4024相对于固定部件4025转动，在二者接触的表面产生滑动摩擦，摩擦纳米发电机产生电信号。同时，第一磁铁单元4021和第二磁铁单元4026相对于线圈单元4022转动，线圈单元4022切割磁力线产生电信号输出。
电磁式发电机的第一磁铁单元4021、第二磁铁单元4026和线圈单元4022可以设置多个，优选数量相同，如图4中所示，例如可以等距的设置4个或者8个。
摩擦纳米发电机的结构并不限于上面提到的结构，现有已经公开的所有结构的摩擦纳米发电机均可以使用，在本发明中不做特别的限定。可以为如第二转动部件4024与固定部件4025接触的表面上设置有多个从中心放射状设置的摩擦单元，所述摩擦单元由绝缘材料制成，可以采用高分子绝缘材料；固定部件4025与第二转动部件4024接触的表面上设置有两组互相绝缘的电极作为摩擦纳米发电机的输出端，每组电极包括多个互相导通的从中心放射状设置的电极单元，两组电极的电极单元互相交叉设置。当第二转动部件4024相对于固定部件4025转动时，摩擦单元依次与两租电极中的电极单元接触摩擦，摩擦单元带有的表面电荷在两组电极中感应出感生电荷，就是摩擦纳米发电机的输出电信号
其中，所述第一转动部件4020与第一密闭腔体4023之间通过转轴活动连接，第二转动部件4020的旋转运动通过所述第一磁铁单元4021和所述第二磁铁单元4026之间的吸引作用力间接带动。
此外，所述摩擦纳米发电机的形状还可以为以下中任意一种：盘状、管状和方块状等。
图5是根据本发明一种实施方式的发电机本体的调整电路示意图。
如图5所示，所述发电机本体还包括调整电路，包括两个三相变压器600和两个整流桥500，其中，两个三相变压器600用于将摩擦纳米发电机300的电压降低、电流提高，以及用于电磁式发电机400的电压提高、电流降低；同时匹配摩擦纳米发电机300和所述电磁式发电机400的输出阻抗，实现二者的复合式发电。两个整流桥500用于将所述摩擦纳米发电机300和所述电磁式发电机400经过三相变压器调整后输出的电信号整流为直流电信号。两个整流桥500输出的电信号可以连接至电源管理电路。
摩擦纳米发电机300是基于摩擦电和静电感应原理工作，其特点是输出电压较大，同电磁式发电相比，其主要优点在于能够收集极低频率的机械运动，并且其输出电压大小保持不变。
此外，所述摩擦纳米发电机300和所述电磁式发电机400可以设置在全封闭的腔体内，以避免海水等液体的侵蚀。
通过将摩擦纳米发电机300和电磁式发电机400相结合使用，能够在收集极低频率的外部机械能的同时在高频率的外部机械驱动下能够具有高的功率输出。
所述波浪能发电单元50可以为摩擦纳米发电机，图6是根据本发明一种实施方式的波浪能发电单元的结构示意图。
如图6所示，所述波浪能发电单元50包括第二密闭腔体501和置于所述第二密闭腔体内的电极503和活动球502，所述电极503形成在所述第二密闭腔体的部分内表面上，所述波浪能发电单元50在受到波浪扰动的情况下，所述活动球502在第二密闭腔体501内滚动，在滚动的过程中与所述电极503发生接触和分离，并通过所述电极503输出电信号(即，通过静电感应作用时电极503上的电荷移动，从而对外输出电信号)。
此外，可以将多个本发明上述的发电系统互相连接形成网络，设置在海面上，形成巨大的发电网络，从而大范围地收集海洋能。
在本发明中，各发电单元及太阳能电池板的输出端可以在直接进行并联后接入整流桥，也可以在接入整流桥之后再进行并联。优选为在接入整流桥之后再进行并联。并且，所述发电系统本身以及其所包括的各部件的数量可以根据实际情况进行设定，本发明不对此进行限定。
由于在本发明的发电系统中应用了摩擦纳米发电机，而摩擦纳米发电机的优点在于具有材料成本低、发电单元质量轻、能量转化效率高等特点，因此使得本发明的发电系统也能够具有成本低、重量轻、易于实现等优点。并且，基于摩擦电和静电感应原理，摩擦纳米发电机还具有在极低外界机械驱动下同样具有稳定的输出电压特性的优点，而在高的外界机械驱动下通过与电磁式发电机的复合，还能够得到高的功率输出，由此使得本发明的发电系统能够还具有高的功率输出。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种发电系统，其中，该系统包括水上发电装置、水下发电装置和电源管理电路，其中：
所述水上发电装置包括波浪能发电单元；
所述水下发电装置包括洋流能发电单元；以及
所述电源管理电路用于对所述水上发电装置和所述水下发电装置的电输出进行管理；
其中，所述洋流能发电单元包括活动框架、发电机本体、螺旋桨和连接所述发电机本体和所述螺旋桨的连接件，其中所述连接件与所述活动框架连接，所述发电机本体、所述螺旋桨和所述连接件设置在所述活动框架内；
所述发电机本体包括摩擦纳米发电机、电磁式发电机和第一密闭腔体，其中，电磁式发电机包括：第一转动部件、固定在第一转动部件上的第一磁铁单元、固定在密闭腔体上的线圈单元和设置在密闭腔体内的第二磁铁单元，第一转动部件通过转轴连接在第一密闭腔体的外壁上；摩擦纳米发电机设置在第一密闭腔体内部，包括互相接触设置并可以相对转动的第二转动部件和固定部件，固定部件固定在第一密闭腔体内壁上，第二磁铁单元固定设置在第二转动部件上；
当第一转动部件与第一磁铁单元一同转动时，在磁力作用下，第二磁铁单元带动第二转动部件相对于固定部件转动，在二者接触的表面产生滑动摩擦，摩擦纳米发电机产生电信号；同时，第一磁铁单元和第二磁铁单元相对于线圈单元转动，线圈单元切割磁力线产生电信号输出。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述水上发电装置还包括太阳能电池板。
3.根据权利要求2所述的发电系统，其中，所述太阳能电池板为以下中的一种：染料敏化太阳能电池板、有机薄膜太阳能电池板、钙钛矿太阳能电池板或硅基太阳能电池板。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的发电系统，其中，所述水上发电装置还包括风能发电单元。
5.根据权利要求4所述的发电系统，其中，所述发电系统还包括中空浮体单元，所述电源管理电路设置在所述中空浮体单元中，所述风能发电单元设置在所述中空浮体单元的上表面，所述波浪能发电单元设置在所述中空浮体单元的上表面或侧面，所述洋流能发电单元设置在所述中空浮体单元的下表面。
6.根据权利要求5所述的发电系统，其中，所述发电系统还包括连接单元，所述连接单元将多个所述洋流能发电单元和/或多个所述风能发电单元串接，且所述洋流能发电单元通过所述连接单元连接至所述中空浮体单元的下表面，所述风能发电单元通过所述连接单元连接至所述中空浮体单元的上表面。
7.根据权利要求6所述的发电系统，其中，所述风能发电单元与所述洋流能发电单元结构相同。
8.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述连接件与所述活动框架之间通过多个刚性小球活动连接。
9.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述发电机本体还包括调整电路，其中，
两个三相变压器用于：将摩擦纳米发电机的电压降低、电流提高，以及用于电磁式发电机的电压提高、电流降低；同时匹配摩擦纳米发电机和所述电磁式发电机的输出阻抗；
两个整流桥用于将所述摩擦纳米发电机和电磁式发电机经过三相变压器调整后输出的电信号整流为直流电信号。
10.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述波浪能发电单元包括第二密闭腔体和置于所述第二密闭腔体内的电极和活动球，所述电极形成在所述第二密闭腔体的部分内表面上，所述波浪能发电单元在受到波浪扰动的情况下，所述活动球在所述第二密闭腔体内滚动，在滚动的过程中与所述电极发生接触和分离，并通过所述电极输出电信号。
11.一种发电网络，其中，包括多个权利要求1-10任一项所述的发电系统，多个所述发电系统互相连接形成网络。
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