CN109088562B - 一种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

本发明公开了一种基于摩擦纳米发电机的柔性仿生水草波浪能采集装置，包括摩擦纳米发电机单元、电路管理单元和电容器；所述摩擦纳米发电机单元与所述电路管理单元连接，所述电路管理单元与所述电容器连接；所述摩擦纳米发电机单元呈细长条带状。本发明采用柔性结构设计的摩擦纳米发电机单元，在波浪运动下对于低频率的波浪能具有良好的收集效果；采用的摩擦纳米发电机单元，可以根据发明需求灵活设计尺寸，增强发电性能，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波浪能发电网络系统，从而大大的提高了海洋波浪能收集效率，本发明结构简单、疏水性良好,而且可以减少海水腐蚀对装置输出性能的影响。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置
技术领域
本发明涉及海洋波浪能发电技术领域，具体地说是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
我国在《可再生能源中长期发展规划》中提出，把积极推进海洋能的开发利用作为重点发展领域，而波浪能是一种品位高、能流密度大、分布范围广的海洋能。因为波浪运动的随机性、不稳定性和低频性，传统的电磁感应发电机在收集波浪能时，输出性能在幅值、频率及相位方面均存在一定缺陷。面对丰富的海洋蓝色能源，如何高效的收集波浪能，并在智慧海洋传感网络中加以应用，是目前专家和学者们研究关注的重点。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置。本发明采用的技术手段如下：
一种基于摩擦纳米发电机的柔性仿生水草波浪能采集装置，包括摩擦纳米发电机单元、电路管理单元和电容器；
所述摩擦纳米发电机单元与所述电路管理单元连接，所述电路管理单元与所述电容器连接；
所述摩擦纳米发电机单元呈细长条带状，所述的摩擦纳米发电机单元包括柔性密封单元、摩擦纳米发电机Ⅰ、摩擦纳米发电机Ⅱ和设置在所述摩擦纳米发电机Ⅰ与所述摩擦纳米发电机Ⅱ之间的支撑层，所述摩擦纳米发电机Ⅰ、摩擦纳米发电机Ⅱ、所述支撑层均密封在所述柔性密封单元内；所述摩擦纳米发电机Ⅰ和所述摩擦纳米发电机Ⅱ均包括电极层、介电层和金属层，所述电极层与所述金属层均为导电材料制成，且所述介电层与所述金属层摩擦后可产生电荷；所述电极层的一侧与所述柔性密封单元贴合，所述介电层与所述电极层的另一侧贴合，所述金属层与所述支撑层贴合，所述介电层与所述金属层之间具有空隙；
所述的电路管理单元包括整流桥Ⅰ、整流桥Ⅱ、开关Ⅰ、开关Ⅱ和电容器；
所述摩擦纳米发电机Ⅰ与所述整流桥Ⅰ连接，所述整流桥Ⅰ的正极通过所述开关Ⅰ与所述电容器的一端连接，所述整流桥Ⅰ的负极与所述电容器的另一端连接；
所述摩擦纳米发电机Ⅱ与所述整流桥Ⅱ连接，所述整流桥Ⅱ的正极通过所述开关Ⅱ与所述电容器的一端连接，所述整流桥Ⅱ的负极与所述电容器的另一端连接。
所述电容器的两端可与负载的两端连接，为所述负载提供电能。
所述的金属层和支撑层可根据输出性能要求设计不同长宽比。
所述的电极层和所述金属层均为铜膜，或其他导电材料薄膜；所述的介电层为PTFE薄膜，或其他电负性良好的介电材料。
所述介电层的外表面和所述金属层的外表面均经由纳米刻蚀，以增强摩擦纳米发电机单元的输出性能。
所述支撑层为聚甲醛薄片，或其他弹塑性较好的高分子材料。
所述的柔性密封单元为硅树脂材料制成，或其他疏水性较好的高分子材料制成。
所述一种基于摩擦纳米发电机的柔性仿生水草波浪能采集装置可具有多个摩擦纳米发电机单元和多个电路管理单元，每个所述摩擦纳米发电机单元均连接有一个电路管理单元，且多个电路管理单元均与所述电容器连接。即多个摩擦纳米发电机单元并联。
为了提高发电效率，所述介电层表面分布有纳米微结构，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，只要不影响介电层的结构强度,具体微结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。
本发明的发明原理如下：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，所述支撑层处于中间位置，所述摩擦纳米发电机Ⅰ设置在所述支撑层的左侧，所述摩擦纳米发电机Ⅱ设置在所述支撑层的右侧，所述介电层与所述金属层之间不会发生相对摩擦产生电荷。而在外部波浪激励作用下，如波浪向右推动所述摩擦纳米发电机单元时，在外力作用下，所述摩擦纳米发电机的介电层会向右发生弯曲与所述摩擦纳米发电机Ⅰ的金属层发生摩擦，产生电荷，所述介电层表面带上负电荷，所述金属层表面带上正电荷。当波浪向左运动时，所述所述摩擦纳米发电机Ⅰ先恢复到原位置，在静电感应的作用下，所述正电荷从所述摩擦纳米发电机Ⅰ的金属层向所述摩擦纳米发电机Ⅰ的电极层转移，在电路管理单元中形成电流；进一步地，所述摩擦纳米发电机单元继续向左弯曲，所述摩擦纳米发电机Ⅱ的金属层与介电层产生摩擦电荷，所述摩擦纳米发电机Ⅱ的介电层带负电荷，所述摩擦纳米发电机Ⅱ的金属层上带正电荷；进一步地，波浪又一次向右推动所述摩擦纳米发电机单元，所述摩擦纳米发电机Ⅱ恢复到原位置，在静电感应的作用下，电子从所述摩擦纳米发电机Ⅱ的介电层，经电路管理单元，转移到所述摩擦纳米发电机Ⅱ的电极层上，然后所述摩擦纳米发电机单元继续向右侧弯曲，再恢复原位，完成一个完整的运动周期，形成周期性的交变电流。电流通过整流桥后进入所述电容器中，可使用所述电容器为其他负载提供电能。
本发明具有以下优点：
1、采用柔性结构设计的摩擦纳米发电机单元，在波浪运动下对于低频率的波浪能具有良好的收集效果；
2、采用的摩擦纳米发电机单元，可以根据发明需求灵活设计尺寸，增强发电性能；
3、对于复杂的海洋环境，将多个摩擦纳米发电机单元通过导线并联连接组成波浪能发电网络系统，从而大大的提高了海洋波浪能收集效率；
4、本发明结构简单、疏水性良好,而且可以减少海水腐蚀对装置输出性能的影响；
5、本发明可以直接给智慧海洋设备或传感器进行供电,在电路管理中增加超级电容组成自供能系统后,直接收集波浪能、洋流能,简化了电路管理,能够持续不断的驱动各种海洋设备。
基于上述理由本发明可在海洋波浪能发电等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，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摩擦纳米发电机单元结构示意图。
图2是本发明实施例1一种基于摩擦纳米发电机的柔性仿生水草波浪能采集装置电路图。
图3是本发明实施例1原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-图3所示，一种基于摩擦纳米发电机的柔性仿生水草波浪能采集装置，包括摩擦纳米发电机单元1、电路管理单元2和电容器3；
所述摩擦纳米发电机单元1呈细长条带状，所述的摩擦纳米发电机单元1包括柔性密封单元11、摩擦纳米发电机Ⅰ12、摩擦纳米发电机Ⅱ13、设置在所述摩擦纳米发电机Ⅰ12与所述摩擦纳米发电机Ⅱ13之间的支撑层14，所述摩擦纳米发电机Ⅰ12、摩擦纳米发电机Ⅱ13、所述支撑层14均密封在所述柔性密封单元11内；所述摩擦纳米发电机Ⅰ12和所述摩擦纳米发电机Ⅱ13均包括电极层15、介电层16和金属层17，所述电极层15与所述金属层17均为导电材料制成，且所述介电层16与所述金属层17摩擦后可产生电荷；所述电极层15的一侧与所述柔性密封单元11贴合，所述介电层16与所述电极层15的另一侧贴合，所述金属层17与所述支撑层14贴合，所述介电层16与所述金属层17之间具有空隙；
所述的电路管理单元2包括整流桥Ⅰ21、整流桥Ⅱ22、开关Ⅰ23和开关Ⅱ24；
所述摩擦纳米发电机Ⅰ12与所述整流桥Ⅰ21连接，所述整流桥Ⅰ21的正极通过所述开关Ⅰ23与所述电容器3的一端连接，所述整流桥Ⅰ21的负极与所述电容器3的另一端连接；
所述摩擦纳米发电机Ⅱ13与所述整流桥Ⅱ22连接，所述整流桥Ⅱ22的正极通过所述开关Ⅱ24与所述电容器3的一端连接，所述整流桥Ⅱ22的负极与所述电容器3的另一端连接。
所述电容器3的两端可通过开关Ⅲ25与负载26的两端连接，为所述负载26提供电能。
所述的电极层15和所述金属层17均为铜膜，或其他导电材料薄膜；所述介电层16为PTFE薄膜，或其他电负性良好的介电材料。为了提高发电效率，所述介电层16表面分布有纳米微结构，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，只要不影响介电层16的结构强度,具体微结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。
所述支撑层14为聚甲醛薄片，或其他弹塑性较好的高分子材料。
所述的柔性密封单元11为硅树脂材料制成，或其他疏水性较好的高分子材料制成。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于，所述一种基于摩擦纳米发电机的柔性仿生水草波浪能采集装置具有多个摩擦纳米发电机单元1和多个电路管理单元2，每个所述摩擦纳米发电机单元1均连接有一个电路管理单元2，且多个电路管理单元均与所述电容器3连接。负载26通过开关Ⅲ25与所述电容器3连接
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种基于摩擦纳米发电机的柔性仿生水草波浪能采集装置，其特征在于，包括摩擦纳米发电机单元、电路管理单元和电容器；
所述摩擦纳米发电机单元与所述电路管理单元连接，所述电路管理单元与所述电容器连接；
所述摩擦纳米发电机单元呈细长条带状，所述的摩擦纳米发电机单元包括柔性密封单元、摩擦纳米发电机Ⅰ、摩擦纳米发电机Ⅱ和设置在所述摩擦纳米发电机Ⅰ与所述摩擦纳米发电机Ⅱ之间的支撑层，所述摩擦纳米发电机Ⅰ、摩擦纳米发电机Ⅱ、所述支撑层均密封在所述柔性密封单元内；所述摩擦纳米发电机Ⅰ和所述摩擦纳米发电机Ⅱ均包括电极层、介电层和金属层，所述电极层与所述金属层均为导电材料制成，且所述介电层与所述金属层摩擦后可产生电荷；所述电极层的一侧与所述柔性密封单元贴合，所述介电层与所述电极层的另一侧贴合，所述金属层与所述支撑层贴合，所述介电层与所述金属层之间具有空隙；
所述的电路管理单元包括整流桥Ⅰ、整流桥Ⅱ、开关Ⅰ、开关Ⅱ；
所述摩擦纳米发电机Ⅰ与所述整流桥Ⅰ连接，所述整流桥Ⅰ的正极通过所述开关Ⅰ与所述电容器的一端连接，所述整流桥Ⅰ的负极与所述电容器的另一端连接；
所述摩擦纳米发电机Ⅱ与所述整流桥Ⅱ连接，所述整流桥Ⅱ的正极通过所述开关Ⅱ与所述电容器的一端连接，所述整流桥Ⅱ的负极与所述电容器的另一端连接；
所述的电极层和所述金属层均为铜膜，所述的介电层为PTFE薄膜；
所述支撑层为聚甲醛薄片；
所述的柔性密封单元为硅树脂材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的柔性仿生水草波浪能采集装置，其特征在于：所述一种基于摩擦纳米发电机的柔性仿生水草波浪能采集装置具有多个摩擦纳米发电机单元和多个电路管理单元，每个所述摩擦纳米发电机单元均连接有一个电路管理单元，且多个电路管理单元均与所述电容器连接。
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