CN108322083B - 基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置，该装置中若干弧形结构发电单元密封安装在外壳内且由导线并联连接；发电单元中，电极弧面的曲率可随波浪频率及波高的变化进行设计更换，在不规则的波浪作用下介电球与介电薄膜之间相互滑动摩擦，在金属电极层中产生感应电荷；这种结构可以最大化的收集海洋中低频不规则的波浪能，同时多层的曲面设计表现出优异的输出电性能。本发明结构简单、牢固，有效的减少海水拍打的压力及海水腐蚀对装置输出性能的影响。对于复杂的海洋环境，将多个发电装置通过导线并联连接组成网络状波浪能发电系统，以提高海洋波浪能转换率。本发明不仅能收集低频率的波浪能,而且可以收集风能，洋流能，潮汐能等。
Description
技术领域
本发明属于利用波浪能发电技术领域，涉及一种将不规则低频振动的波浪能转化为电能的发电技术，具体涉及一种基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置。
背景技术
我国拥有广袤的海岸线并且海洋波浪能、洋流能能量密度大，能源广泛，发展蓝色能源成为当下解决能源问题的重中之重。在早期中国以及外国的科学家们就已经意识到了海洋能量的巨大，但是一直以来都没有实质性的突破。由于海洋波浪运动的不规则性、海水腐蚀、波浪拍打导致这种能量极为不易收集起来。目前用于收集波浪能的发电装置大都属于电磁发电，成本高昂，利润低。海洋中的波浪能大都属于低频振动，现有的电磁发电机并不能收集到这种低频的振动能量。面向巨大的海洋蓝色能源，如何能高效的将波浪能收集成为近期的首要任务。
发明内容
为了实现上述目的,本发明提供一种基于表现出优异的输出电性能的摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置，包括外壳、若干发电单元、顶盖、底盖和导线，若干发电单元密封安装在外壳内且由导线并联连接，外壳的顶部和底部分别安装有顶盖和底盖，形成密封腔体，其中：
所述的发电单元包括金属电极、介电薄膜、介电球、电极弧面和弧面支架，电极弧面固定在弧面支架上，弧面支架固定在外壳上；金属电极镀在电极弧面上，介电薄膜覆在金属电极表面，介电球放置在电极弧面内，与介电薄膜相互滚动摩擦发电；导线与各层所述金属电极进行连接。
进一步地，所述的发电单元在外壳中叠加安装，外壳底部的发电单元的电极弧面弹性支撑固定在外壳底部。
进一步地，所述金属电极为导电材料薄膜或单层导电材料。
进一步地，金属电极的外表面经由纳米处理，以增强发电单元的输出性能。
进一步地，所述的金属电极镀在电极弧面上，金属电极镀在所述弧面内部的两侧，中间留有空隙，金属电极相互连接，形成并联电路。
进一步地，所述的电极弧面曲率根据波浪频率及波高的变化进行设计更换。
进一步地，所述的电极弧面的曲率为11m～22m。
进一步地,所述电极弧面和弧面支架采用3D打印制作。
进一步地，所述介电球与所述介电薄膜表面材料的电极序存在差异。
进一步地，所述的介电薄膜的表面材料为第一摩擦材料,所述第一摩擦材料为绝缘体或者半导体材料。
进一步地，所述的介电球材料为第二摩擦材料,所述第二摩擦材料为绝缘体或者半导体材料。
进一步地，所述介电薄膜经由纳米处理，以增强发电单元的输出性能。
进一步地，所述介电球为高分子聚合物球,其外壳为亚克力材料。
进一步地，所述介电球直径范围为3mm～50mm。
进一步地，所述的单个发电单元中的介电球的数量为20～30个。
进一步地，所述的外壳的顶部和底部分别安装有顶盖和底盖，形成密封腔体，所述的顶盖和底盖为弧形结构，腔体内安装整流器。
进一步地，所述外壳、顶盖和底盖采用防腐材料制成。
进一步地，多个基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置通过导线并联连接组成网络状波浪能发电系统，以提高了海洋波浪能转换率。
本发明的原理是：
如图4所示，本发明利用摩擦起电和静电感应产生电流，当无外力作用时，介电球与介电薄膜之间不会发生滚动摩擦产生感应电荷，而在外部波浪激励作用下，如波浪向左推动发电装置移动时，其内部的介电球也会相应向左发生移动，第一次与介电薄膜接触摩擦后，介电球上会由于电极序的差异性与介电薄膜摩擦从而产生负电荷；当介电球滚动到左侧时，介电球会在其下的电极弧面内左侧的金属电极上感应出正电荷，这时会在外部电路中产生电流并从电极弧面内的左侧金属电极向右侧金属电极；当波浪向右推动发电装置移动时，由于惯性力与回复力的作用，介电球会向右发生移动，会在其下的电极弧面内的右侧的金属电极中产生正电荷，这时会在外部电路中产生电流并从电极弧面内的右侧金属电极向左侧金属电极，从而得到相反方向的电流。
本发明利用两种材料互相碰撞产生摩擦电以及静电感应的原理,介电球的材料与介电薄膜表面的材料的电极序存在差异，这两种材料可以从绝缘材料、半导体材料中选择，介电薄膜表面材料为第一摩擦材料,第一摩擦材料可以为绝缘材料或者半导体材料。相应的，金属电极为导电材料薄膜，也可以为单层导电材料,例如铜膜,这里不做限定。介电球表面材料为第二摩擦材料，第二摩擦材料的材料可以为绝缘体或者半导体材料,只要与第一摩擦材料为不同的材料即可。
与电磁发电机相比，摩擦纳米发电机的优势在于质量轻、浮于水面、低频下具有高能量转化效率、对无规和随机的机械运动更好的适应性，所以它是收集波浪能的理想技术；摩擦纳米发电机的电压与频率无关，电流和功率都与频率成正比，这就导致存在一个阈值频率(通常为5Hz)使得相同尺寸的摩擦纳米发电机输出要高于电磁发电机；另外，通常二极管具有约0.5V的开启电压使得存在另一阈值频率，在这个频率之上电磁发电机才能产生有用的输出功率，造成大的功率损失，而摩擦纳米发电机的高电压使得输出功率几乎没有损失；所以在低于5Hz的海洋波浪频率下，摩擦纳米发电机是唯一的选择。当外界海洋的波浪频率发生改变时，由于频率的变化与介电球的角速度有关，而角速度只与电极弧面的曲率半径变化有关。所以可以通过设计曲率，用来收集不同频率，波高的波浪能。此外在海洋环境中，波浪的运动是一种无规则的运动，本装置采用弧面的设计可以增加装置吸收在各个方向波浪能。对于复杂的海洋环境，将多个发电装置通过导线连接组成网络状波浪能发电系统，各个基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置之间的导线连接为并联连接，从而大大的提高了海洋波浪能转换率。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、弧形结构的发电单元的电极弧面的曲率可随波浪频率及波高的变化进行设计更换；在不规则的波浪作用下介电球与介电薄膜之间相互滑动摩擦，在金属电极层中产生感应电荷，这种结构可以最大化的收集海洋中低频不规则的波浪能，同时多层的曲面设计表现出优异的输出电性能，无需体积较大的能量管理电路，并且可以避免所述球壳直接接触水面失去电荷；
2、采用弧形结构的发电单元，可以根据环境及发明需求灵活设计组装发电装置大中发电单元的数量；
3、对于复杂的海洋环境，将多个发电装置通过导线并联连接组成网络状波浪能发电系统，从而大大的提高了海洋波浪能转换率；
4、本发明结构简单、牢固，不仅可以有效的减少海水拍打的压力,而且可以减少海水腐蚀对装置输出性能的影响；
5、本发明可以直接给海洋设备或传感器进行供电,在配备超级电容器或电池组成自充电能量系统后,直接收集波浪能、洋流能等能量,无需体积较大的能量管理电路,就能够持续不断的驱动各种海洋设备。
6、本发明不仅可以高效的收集低频率的波浪能,而且可以收集风能，洋流能，潮汐能等可再生能源；
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中的基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置结构示意图；
图2是图1的分解结构示意图；
图3是图1中发电单元的结构示意图；
图4是本发明基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置的发电原理图；
图5是本发明实施例1中的基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置的三维结构示意图；
图6是本发明实施例2中多个基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置组成的网络状波浪能发电系统的三维结构示意图；
图7是本发明实施例2中整流桥与基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置的连接电路图。
图中：1、外壳，2、顶盖，3、介电球，4、电极弧面，5、弧面支架，6、介电薄膜，7、金属电极，8、底盖，9、基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置，10、导线，11、整流桥，12、外部用电器。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案作进一步具体说明。
实施例1
如图1所示，基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置，包括外壳1、若干发电单元、顶盖2、底盖8和导线，外壳1高度范围为12cm～200cm，外壳1内密封安装有5个发电单元，外壳1采用玻璃胶进行密封；5个发电单元叠加安装在壳体1内且由导线并联连接，外壳1底部的发电单元的电极弧面4弹性支撑固定在外壳1底部；外壳1的顶部和底部分别安装有弧形的顶盖2和底盖8，选择亚克力作为外壳1、顶盖2、底盖8的材料，以隔绝海水腐蚀。
如图2所示，所述的发电单元包括金属电极7、介电薄膜6、介电球3、电极弧面4和弧面支架5，电极弧面4固定在弧面支架5上，所述的电极弧面4的曲率没有特别的限定，其可以根据海况的频率和波高计算出在当前环境下最适合的弧面曲率，本实施例中电极弧面4的曲率为11m～22m，电极弧面4和弧面支架5采用3D打印制作，弧面支架5的材料优选为3D打印的PLA材料也可以为柔性材料，弧面支架5用热熔胶粘接固定在外壳1上。
如图3所示，金属电极7为导电材料薄膜，金属电极7镀在所述电极弧面4内部的两侧，中间留有空隙，金属电极7相互连接，形成并联电路；介电薄膜6覆在金属电极7表面，介电球3放置在电极弧面4内，与介电薄膜6相互滚动摩擦发电；导线与各层所述金属电极7进行连接。
如图4所示，本发明利用摩擦起电和静电感应产生电流，当无外力作用时，介电球3与介电薄膜6之间不会发生滚动摩擦产生感应电荷，而在外部波浪激励作用下，如波浪向左推动发电装置移动时，其内部的介电球3也会相应向左发生移动，第一次与介电薄膜6接触摩擦后，介电球3上会由于电极序的差异性与介电薄膜6摩擦从而产生负电荷；当介电球3滚动到左侧时，介电球3会在其下的电极弧面4内左侧的金属电极7上感应出正电荷，这时会在外部电路中产生电流并从电极弧面4内的左侧金属电极7向右侧金属电极7，见图中(Ⅰ)和(Ⅱ)；当波浪向右推动发电装置移动时，由于惯性力与回复力的作用，介电球3会向右发生移动，会在其下的电极弧面4内的右侧的金属电极7中产生正电荷，这时会在外部电路中产生电流并从电极弧面4内的右侧金属电极7向左侧金属电极7，从而得到相反方向的电流，见图中(Ⅲ)和(Ⅳ)。
本发明利用两种材料互相碰撞产生摩擦电以及静电感应的原理,介电球3的材料与介电薄膜6表面的材料的电极序存在差异，这两种材料可以从绝缘材料、半导体材料中选择，介电薄膜6表面材料为第一摩擦材料,第一摩擦材料可以为绝缘材料或者半导体材料。相应的,金属电极7为导电材料薄膜,也可以为单层导电材料,例如铜膜,这里不做限定。介电球3表面材料为第二摩擦材料，第二摩擦材料的材料可以为绝缘体或者半导体材料,只要与第一摩擦材料为不同的材料即可。
绝缘体材料可以为聚合物高分子材料,可以选择的聚合物高分子材料有很多,可以从下列材料中任意选择胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酞胺尼龙66、聚酞胺尼龙11、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、棉及其织物、聚氨醋弹性体、苯乙烯-丙烯睛共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、硬橡胶、醋酸醋、人造纤维、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸醋、聚对苯二甲酸乙二醇醋、聚酞亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。半导体材料可以为无机半导体或者有机半导体材料,可以为下列材料中的一种或几种硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体、有机半导体,以及非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物半导体。
本实施例中，介电球3的材料为PTFE(polytetrafluoroethylene,聚四氟乙烯)聚合物球，其外壳为亚克力材料，在电极弧面4中设置的介电球3的数量没有特别限定,可以根据发明装置尺寸适当选择,介电球直径范围为3mm～50mm，单个发电单元的数量可以为20～30个。
为了提高发电效率,在介电薄膜6的内表面的部分或者全部表面分布有微米或次微米量级的微结构。该微结构优选为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构,以及由前述结构形成的阵列,特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列,可以是通过光刻蚀、等离子刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列,阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，只要不影响介电薄膜6的机械强度,具体微结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。
同样,在金属电极7的外表面也可以分布有上述的微米或次微米量级的微结构,进一步提高发电效率。
图5为本装置收集波浪能的三维示意图，发电单元结构的设置，结构轻便，易更换，又极大的增强了装置的输出性能。本发明不仅可以有效的减少海水拍打的压力,而且可以减少海水腐蚀对装置输出性能的影响。本发明可以收集风能，洋流能，潮汐能等可再生能源，同时装置表现出优异的输出电性能。
实施例2
如图6所示，在复杂的海洋环境中，可以通过导线10连接将多个实施例1中的基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置9组成网络状波浪能发电系统，各个基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置9之间导线10连接为并联连接。本实施中的基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置9结构与实施1中相同，但在外壳1的顶部和底部分别安装的弧形顶盖2和底盖8形成密封腔体，安装整流桥，以对发明装置的输出电流进行整流，以确保装置在波浪下能正常输出电能。
在复杂的海洋条件下，各个基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置9在波浪下的运动并不是同相位，所以导致各个发电单元的电流输出相位不同，在基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置9中顶盖2与底盖8的空腔中安装整流桥，对输出的电流进行整流，有效解决了这个问题，提高了基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置9在复杂海洋条件下的输出电流的稳定性。
如图7所示，波浪能发电系统中，单独一个基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置9与其自身的整流桥11串联构成一个发电组，再与另一个发电组并联，然后与外部用电器12连接。此外，基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置9的电压较高电流较低,将多个基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置9进行了并联,可以有效提高基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置9的输出电流和输出功率。
本发明可以直接给海洋设备或传感器进行供电,在配备超级电容器或电池组成自充电能量系统后,直接收集波浪能、洋流能等能量,无需体积较大的能量管理电路,就能够持续不断的驱动各种海洋设备。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置，其特征在于，包括外壳、若干发电单元、顶盖、底盖和导线，若干发电单元密封安装在外壳内且由导线并联连接，外壳的顶部和底部分别安装有顶盖和底盖，形成密封腔体，其中：
所述的发电单元包括金属电极、介电薄膜、介电球、电极弧面和弧面支架，电极弧面固定在弧面支架上，弧面支架固定在外壳上；金属电极镀在电极弧面上，介电薄膜覆在金属电极表面，介电球放置在电极弧面内，与介电薄膜相互滚动摩擦发电；导线与各层所述金属电极进行连接；
所述的发电单元在外壳中叠加安装，外壳底部的发电单元的电极弧面弹性支撑固定在外壳底部；
所述金属电极为导电材料薄膜或单层导电材料。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置，其特征在于，所述的金属电极镀在电极弧面上，金属电极镀在所述电极弧面内部的两侧，中间留有空隙，金属电极相互连接，形成并联电路。
3.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置，其特征在于，所述的电极弧面曲率根据波浪频率及波高的变化进行设计更换，电极弧面的曲率为11m^-1～22m^-1，所述电极弧面和弧面支架采用3D打印制作。
4.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置，其特征在于，所述介电球与介电薄膜表面材料的电极序存在差异，所述的介电薄膜的表面材料为第一摩擦材料,所述第一摩擦材料为绝缘体或者半导体材料，所述的介电球材料为第二摩擦材料,所述第二摩擦材料为绝缘体或者半导体材料，第一摩擦材料和第二摩擦材料不同。
5.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置，其特征在于，所述介电薄膜和金属电极的外表面经由纳米处理，以增强发电单元的输出性能。
6.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置，其特征在于，所述介电球为高分子聚合物球,其外壳为亚克力材料；所述外壳、顶盖和底盖采用防腐材料制成。
7.根据权利要求1或6所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置，其特征在于，所述介电球直径范围为3mm～50mm，所述的单个发电单元中的介电球的数量为20～30个。
8.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置，其特征在于，所述的外壳的顶部和底部分别安装有顶盖和底盖，形成密封腔体，所述的顶盖和底盖为弧形结构，腔体内安装整流器。
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