CN109546885A - 水面浮动摩擦发电、电能存储、存电供应水面信号源电量的方法 - Google Patents

Abstract

水面浮动摩擦发电、电能存储、存电供应水面信号源电量的方法，属于救援设备发电领域，为了解决水面发电的问题，将空心大球内表面镀金属作为电极，ZnO纳米棒在电极上生长并形成阵列；空心小球外表面镀金属层作为电极，电极附着PET作为摩擦材料；将空心小球位于空心大球内部，使两球间具有使得空心小球运动的间隔，在水中时，由水的流动使空心小球运动，并与空心大球摩擦冲撞，效果是实现水面发电。

Description

水面浮动摩擦发电、电能存储、存电供应水面信号源电量的 方法

技术领域

本发明属于救援设备发电领域，涉及一种面浮动摩擦发电、电能存储、存电供应水面信号源电量的方法。

背景技术

搭乘邮轮、游艇、飞机等海空线交通工具时，救生衣是发生落海等意外事件的基本安全配备。当发生海难时，救生衣能帮助海上遇难者长时间漂浮于水面上，进而避免海上遇难者发生溺毙，以延长等待救援时间。

传统救生衣为增添海上遇难者获救机会，多利用鲜艳的黄色或橘色作底色，再搭配反光条或发光灯泡，且附带着哨子和反光镜，让海上遇难者在大海中能够彰显外表及发出声响而快速被发现。

然而，上述功能仍旧存在不足，这是因为鲜艳的黄色或橘色底色、反光条、反光镜在夜间无法使用且哨子声音传递距离不远。还有因为飞机上不能携带一般锂电池，所以发光灯泡往往利用太阳能板蓄电，但是仍有电量不足的问题。

"黑匣子"----是现代飞机专用的电子记录设备之一。黑匣子有两个，为驾驶舱话音记录器(Cockpit Voice Recorder)和飞行数据记录器(Flight Data Recorder)。飞机各机械部位和电子仪器仪表都装有传感器与之相连。它能把飞机停止工作或失事坠毁前半小时的语音对话和两小时的飞行高度、速度、航向、爬升率、下降率、加速情况、耗油量、起落架放收、格林尼治时间，还有飞机系统工作状况和发动机工作参数等飞行参数都记录下来，需要时把所记录的内容解码，供飞行实验、事故分析之用。黑匣子的外壳具有很厚的钢板和许多层绝热防冲击抗压保护材料，通常安装在飞机尾部最安全的部位。记录介质也从磁带式改进成为能承受更大冲击的静态存储记录仪，类似于计算机里的存储芯片，防止黑匣子在空难中遭到损坏。但是，黑匣子需要蓄电池持续供电，一旦蓄电池电量不足，黑匣子就无法发挥其功效。例如，马航事件，之所以没有找到飞机残骸是因为在蓄电池为黑匣子供电的时间内救援人员没有找到其位置，在蓄电池电量用完了后，黑匣子没办法继续发出信号，导致马航事件成为了一个谜团。如果黑匣子能一直持续有电的话，就能够有充足的时间来确定飞机残骸位置，从而进行救援工作。而本发明可以自供电能，如果将其安装在黑匣子上，就可以减少这种悲剧的发生了。

现在使用的一种是太阳能水上救生装置，包括常规的水上救生浮体，救生浮体上设有太阳电池、蓄电装置、开关和求救信号发生器，其中太阳电池设置在救生浮体上易接受阳光照射的位置，开关设置在人手易于操作的位置，太阳电池、蓄电装置、开关和求救信号发生器之间通过电线连接成回路。这种装置的求救信号发生器可根据需求设计发出求救声、各种色彩的灯光或特定的无线电波、声波、光波等求救信号，为救援人员提供准确的位置信息，以利救援人员捕捉，提供救援效率。平时太阳电池置于阳光易照射的位置以储备能量，遇难时打开开关，信号发生器可昼夜工作，同时太阳电池也在不断地补充电能，直至遇难人员获救，求救操作非常方便。

传统的水力发电机由转子、定子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等主要部件组成。定子主要由机座、铁芯和绕组等部件组成。定子铁芯用冷轧硅钢片叠成，按制造和运输条件可做成整体和分瓣结构。工作原理：水流冲击水力发电机转轮，使其转动，并通过主轴带动发电机转子跟着转动，在发电机转子线圈中通入直流电流，转子线圈就会产生旋转磁场，磁力线在旋转过程中，被定子线圈切割，根据电磁感应原理，定子线圈中就会产生电压，定子线圈接入负载后，定子线圈中产生电流。将水能转换成机械能，水力发电机的转轴又带动发电机的转子，将机械能转换成电能而输出。

黑匣子实质上是一台收发信机。在飞机飞行过程中，它能将机内传感器所收集到的各种信息及时接收下来，并自动转换成相应的数字信号连续进行记录；当飞机失事时，依靠黑匣子的紧急定位发射机自动向四面八方发射出特定频率，类似心跳般有规律的无线电信号，“宣告”自己所处的方位，以便搜寻者溯波寻找。因为匣内电池容量有限，定位发信机通常只能连续工作个把月。所以黑匣子在正常情况下使用飞机的外接电源，所需的直流电由飞机的发电系统供给。这种发电机是交直流变换机，将发出的交流电直接由直流电机变换成直流电。而一旦发电机出故障时，立即自动切换成由蓄电池供电，提供所需的电压。

带有太阳能水上救生装置的救生衣具有笨重、闷热等不良特性。由于发光灯泡利用太阳能板蓄电，所以需要的环境因素和地理因素要求比较高，在连续阴暗的天气很难提供有效的帮助。

电磁感应发电机的波浪能能量收集设备一般体积大、重量沉，因此难以大规模集成。此外，这种波浪能能量收集设备还需要额外的外部单元来收集俘获外界机械能，从而进一步增加了发电机的复杂性与制造成本。从地理环境方面考虑，陆地近海短周期、小波高、低能流密度的波浪资源特征也加大了传统海浪发电机实用化的难度。

由于黑匣子的蓄电池电量储存有限，定位发信机通常只能连续工作个把月，如果时间长了，电量用完了，就没办法继续发出信号。就会错过救援的最佳时机。

发明内容

为了解决水面发电的问题，本发明提出如下技术方案：

一种水面浮动摩擦发电方法，将空心大球内表面镀金属作为电极，ZnO纳米棒在电极上生长并形成阵列；空心小球外表面镀金属层作为电极，电极附着PET作为摩擦材料；

将空心小球位于空心大球内部，使两球间具有使得空心小球运动的间隔，在水中时，由水的流动使空心小球运动，并与空心大球摩擦冲撞；

在初始状态，空心大球内表面ZnO纳米棒阵列带正电，空心小球外表面摩擦材料带负电；

带有负电的摩擦材料和带有正电的ZnO纳米棒阵列因接触并进而摩擦，电场分布改变，吸引负电荷从空心小球外表面电极转移到空心大球内表面电极，而产生正向电流；带有负电的摩擦材料和带有正电的ZnO纳米棒阵列已接触，因分离进而摩擦，电场分布再次改变，吸引负电荷从空心大球内表面电极转移到空心小球外表面电极，而产生反向电流；两球表面反复接触和分离，在两电极间就会交替产生电势差发出交流电。

一种水面浮动摩擦电能存储的方法，由所述的水面浮动摩擦发电方法发电产生的交流电通过整流电路，将交流电变为脉动直流电，再通过滤波电路，将脉动直流电变为比较平滑的直流电，然后将不太稳定直流电通过稳压电路，并得到稳定的直流电，稳压电路连接可充电锂电池，由可充电锂电池直流电储存起来。

一种水面浮动摩擦存电供应水面信号源电量的方法，由所述的电能存储方法，可充电锂电池与LED灯连接，并由LED灯在水面持续发亮，且可充电锂电池为信号源的供电，使得信号源能不间断被供应电量。

有益效果：本发明的两球经过撞击摩擦产生电能使外接LED灯发光发亮，其采用的球套球结构，大球镂空使得装置轻巧、简捷，作为一种自供电装置的结构，可以利用摩擦产生的电能为水上求救信号发生装置供电，解决了在连续阴暗天气太阳能求生装置不能解决的供电问题和黑匣子的蓄电池电量储存有限的问题。并且设计的新装置结构轻巧便捷，解决了传统的电磁感应发电机的波浪能能量收集设备一般体积大、重量沉的问题。利用纳米摩擦发电，采用摩擦式这种机械能收集形式来收集电量，结构新颖、设备结构简单，具有精准的定位功能，成本低、电量持续可靠，为海上搜救设备提供源源不断的电能，适合海水阻力较大，落水较远的人员进行有效快速救援。能够收集水体动能的纳米摩擦发电机。并利用摩擦产生的电能为水上求救信号发生装置供电，从而解决了在连续阴暗天气太阳能求生装置不能解决的供电问题。解决了黑匣子的蓄电池电量储存有限的问题，可以为其持续供电。设计的新装置结构轻巧便捷，解决了传统的电磁感应发电机的波浪能能量收集设备一般体积大、重量沉的问题。

附图说明

图1空心大球示意图；

图2整体结构图；

图3 A模块剖面示意图；

图4电极引出外观图；

图5电路图；

图6材料分布图；

图7工作原理图；

图8电压变化波形图；

图9空心小球示意图；

其中：1.小球，2.电极，3.PET，4.大球，5.电极，6.铅锤，7.机聚合物PDMS，8.纳米ZnO阵列，9.连接绳，10.大球内表面电极引出的导线，11.小球外表面电极引出的导线。

具体实施方式

实施例1：以下结合附图与具体实施例对本发明作出详细说明。

下述列明实施例中使用的的缩写词的英文名及其中文名的对照。

PDMS:英文名：polydimethylsiloxane中文名：聚二甲基硅氧烷

PET:英文名：Polyethylene terephthalate中文名：聚对苯二甲酸乙二醇酯

本实施例提供一种自供电的水上求救信号发生装置，由两个模块组成，A模块是基于TENG的水能发电机，主要由空心小球1(如图9)、具有两个小孔的空心大球4(如图1)、铅锤6，尼龙连接绳9、导线组成。B模块是由气囊包裹的求救信号发生装置，所述的气囊可以选择救生衣等，求救信号发生装置主要由可充电锂电池、二极管、芯片LM317、电容、电阻、若干LED灯和信号发射装置(如黑匣子)组成。如图2所示。

下面对两个模块作出详细的说明：

所述A模块(如图3)，其中的：

空心大球4：由两个直径为7cm的空心半球螺旋而成，其中，两个半球中的一个，其表面带有两个5mm小孔，作为导线孔，另一个半球表面完整。两个半球的球壁厚度为2mm。在所述表面完整的空心半球的底部，有一个直径为5mm的半圆环，半圆环下部连接一个铅锤6，铅锤6不连接在具有导线孔的半球，而连接在其相对的另一个半球，目的是导线要连接信号发射装置，而铅锤6的作用是为了增加球的重量，使得其能时时位于波浪中，为了避免导线与铅锤6接触，且导线能更安全的与信号发射装置连接，因而，使得导线孔与铅锤6相对设置在不同的半球。空心大球4内表面先镀有金层，作为电极，ZnO纳米棒使用水热法在金属电极上生长，使用有机聚合物PDMS7，包裹聚合生长在纳米ZnO阵列8外部，对摩擦材料形成保护性包裹。提高了纳米ZnO阵列8的柔韧性。采用低温射频等离子体刻蚀技术刻蚀PDMS暴露ZnO纳米棒的尖端。当与带负电的摩擦材料摩擦时，ZnO纳米棒产生负感应电荷。

空心小球1：由两个直径为4cm的空心半球拼接而成，球壁厚度为5mm。空心小球1外表面镀金层，作为电极，在金层上附着PET3，作为摩擦材料。当与带正电的摩擦材料摩擦时，PET3产生正感应电荷。

该空心小球1置于空心大球4中，并通过尼龙连接绳9连接起来，让空心小球1的底部区域和空心大球4底部的内表面区域接触。一条尼龙连接绳9的一端用空心小球1夹住固定，另一端粘在空心大球4的导线孔附近的球壁，空心小球1的电极通过导线缠绕尼龙连接绳9牵引出来，空心大球4的电极通过导线缠绕尼龙连接绳9从内表面通过自身的孔牵引出来。当然，尼龙连接绳9也可以由导线孔导出，用于与其他组成部件的固定，如图4所示。导线引出之后用热熔胶密封空心大球4的两个导线孔，使之形成一个密闭空间。当装置在水中时，水产生的波浪让空心大球4产生晃动，从而使空心小球1的外表面撞击空心大球4内表面摩擦产生电能。B模块：是由水上求救信号发生装置和气囊两部分构成的，气囊可以是救生衣，其中水上求救信号发生装置安装在气囊上。

水上求救信号发生装置：整流电路、滤波电路、稳压电路、可充电锂电池、若干LED、信号发射装置组成。整流电路是由四个二极管构成的整流桥，将交流电变为脉动直流电。滤波电路由电容构成，是将脉动直流电变为比较平滑的直流电。但是得到的直流电不稳定。稳压电路由芯片LM317A，二极管，电阻，电容构成，能够得到稳定的直流电。所以A模型中产生的交流电通过整流滤波稳压使交流电变为稳定的直流电，并用可充电锂电池储存电能，使与其连接的LED灯发光。电路图如图5所示。A模块产生的交流电，经过整流滤波稳压之后，还可以为其他的信号发射装置供电，其原理同上，例如为黑匣子这种信号发射装置供电。

本发明制作发电装置的方法是：将A模块中空心大球4内表面先镀有金层，作为电极，ZnO纳米棒拟使用水热法在金属电极上生长(水热法是以醋酸锌和氢氧化钠为前驱物,采用聚已二醇为表面活性剂,在63％的填充度条件下,反应合成了平均长径比约为7～20的ZnO纳米棒,实现了ZnO纳米结构的可控生长)。使用有机聚合物PDMS7，包裹聚合生长在纳米ZnO阵列8外部，对摩擦材料形成保护性包裹。采用低温射频等离子体刻蚀技术刻蚀PDMS暴露ZnO纳米棒的尖端。其中需要对纳米摩擦材料的表面进行修饰与性能改善，这部分是决定产生摩擦电量多少的关键，也是提高能量转化率的关键。基于纳米ZnO阵列柔性保护层材料的生长与与刻蚀技术工艺研究可以有效的保护纳米ZnO阵列，提高摩擦面积，增加摩擦表面电荷，提高转化电量。选择柔性好，易于聚合，绝缘性好的有机聚合物PDMS7，包裹聚合生长在纳米ZnO阵列外部，对摩擦材料形成保护性包裹。选用柔性效果较好的有机材料对ZnO纳米棒阵列进行表面修饰和保护，增加ZnO纳米棒阵列的韧性和摩擦效率。同时选择PET3作为摩擦材料附着在空心小球1外表面金层上,并且通过对PET3摩擦材料进行表面修饰和表面改性,使其通过摩擦能够在材料表面最大限度地聚集更多的摩擦电荷，提高电能转化率和输出特性。材料分布如图6所示。

发电方法如下：摩擦时工作原理如图7所示。A模型在初始状态下，空心大球4内表面摩擦层材料带正电，而空心小球1外表面摩擦层材料带负电，当装置在水中时，由于水的流动使空心小球1与空心大球4摩擦冲撞，当带有负电材料表面和带有正电材料表面接触产生摩擦时，区域内电场分布将发生改变，其将吸引负电荷从空心小球1外表面电极转移到空心大球4内表面电极，从而产生电流；当带有负电材料表面和带有正电材料表面离开产生摩擦时，区域内电场分布将再次发生改变，其将吸引负电荷从空心大球4内表面电极转移到空心小球1外表面电极，从而产生一个与接触时产生的电流方向相反的电流。运动过程中电压变化如图8所示。当两球表面反复接触和分离时，这时在两电极间就会交替产生电势差，发出电能。A模型中产生的交流电通过整流电路将交流电变为脉动直流电，再通过滤波电路将脉动直流电变为比较平滑的直流电，这时的直流电仍然不太稳定，然后将这种不太稳定直流电通过稳压电路来得到稳定的直流电。可充电锂电池将这种直流电储存起来，使与其连接的LED灯能够持续的发光。因而本发明声称的水上求救信号发生装置的自供电问题得以解决，由上述可以知晓，大球4和小球1在波浪中才能具有球面的摩擦，一旦波浪过大，如果没有铅锤6，大球4和小球1会由于较轻而被风浪抛向空中，再空中，不具有即时的波浪使得两球产生相反方向的摩擦，因而，在空中的这段时间会导致发电中止，出现蓄电中止，而如果蓄电本来就不存在，信号的发射和LED灯发光均是依靠即时发电，这必然导致信号中止和发光中止，而使用铅锤6，能够增加大球4和小球1的重量，在风浪中始终能够尽量漂浮于波浪中，不会因为被甩入空中而中止摩擦，导致发电中止，使得信号为不间断连续发射或者发光不停止，该设备更容易被找寻到。

在另一种实施例中，一种水面自供电信号发射装置，包括发电装置、信号发射装置，所述的发电装置在水中漂浮并在水面的晃动使得其部件间摩擦产生电荷，电荷被导线导出并供给信号发射装置。

所述发电装置包括，空心大球4和空心小球1，空心大球4内表面镀电极，金属氧化物纳米棒在电极上生长并形成纳米阵列，空心小球1外表面镀电极，金层附着摩擦材料，空心小球1置于空心大球4内部，且小球1外部与大球4内部具有使小球1运动的空间，一条导线连接在空心小球1的电极，并贯穿空心大球4并由其上的一个导线孔导出，另一条导线连接在空心大球4的电极，并有空心大球4的另一个导线孔导出，两个导线孔引出导线并被密封，两条导线连接信号发射装置以供电。

第一连接绳9的一端由空心小球1夹住固定，其另一端粘在空心大球4的导线孔附近的球壁，与空心小球1电极连接的导线，缠绕第一连接绳9并牵引出导线孔，第二连接绳9固定于空心大球4内表面，与空心大球4的电极连接的导线，缠绕第二连接绳9并牵引出导线孔，热熔胶密封空心大球4其上的两个导线孔，使之形成一个密闭空间。

空心大球4内表面镀金层作为电极，金属氧化物纳米棒是ZnO纳米棒，ZnO纳米棒在电极上生长并形成纳米ZnO阵列8，空心小球1外表面镀金层作为电极，镀金层附着PET3作为摩擦材料。

有机聚合物PDMS7包裹聚合生长在金属氧化物纳米棒阵列，对摩擦材料形成保护性包裹，且刻蚀有机聚合物PDMS7以暴露金属氧化物纳米棒的尖端。

有机聚合物PDMS7包裹聚合生在纳米ZnO阵列8，对摩擦材料形成保护性包裹，有机聚合物刻蚀PDMS以暴露ZnO纳米棒的尖端。

所述空心大球4由两个空心半球螺旋而成，所述空心小球1由两个空心半球拼接而成，两个导线孔位于空心大球4的一个半球，不具有导线孔的另一个半球固定连接有半圆环，且所述半圆环的位置与导线孔的位置相对，半圆环下部连接一个铅锤6。

信号发射装置安装在气囊中，由第一连接绳9与第二连接绳9将发电装置与信号发射装置固定连接，并由缠绕的导线与气囊中的信号发射装置电连接以供电。

信号发射装置安装在气囊中，导线与气囊中的信号发射装置电连接以供电。

所述信号发射装置主要由整流电路、滤波电路、稳压电路、可充电锂电池和发射装置组成，整流电路连接滤波电路，滤波电路连接稳压电路，稳压电路连接可充电锂电池，可充电锂电池连接发射装置并为其供电，所述的可充电锂电池连接LED灯以对其充电，并由LED灯在水面持续发亮。

一种水面浮动摩擦发电方法，

将空心大球4内表面镀金属作为电极，ZnO纳米棒在电极上生长并形成阵列；空心小球1外表面镀金属层作为电极，电极附着PET3作为摩擦材料；

将空心小球1位于空心大球4内部，使两球间具有使得空心小球1运动的间隔，在水中时，由水的流动使空心小球1运动，并与空心大球4摩擦冲撞；

在初始状态，空心大球4内表面ZnO纳米棒阵列带正电，空心小球1外表面摩擦材料带负电；

带有负电的摩擦材料和带有正电的ZnO纳米棒阵列因接触并进而摩擦，电场分布改变，吸引负电荷从空心小球1外表面电极转移到空心大球4内表面电极，而产生正向电流；带有负电的摩擦材料和带有正电的ZnO纳米棒阵列已接触，因分离进而摩擦，电场分布再次改变，吸引负电荷从空心大球4内表面电极转移到空心小球1外表面电极，而产生反向电流；两球表面反复接触和分离，在两电极间就会交替产生电势差发出交流电。

由所述的水面浮动摩擦发电方法发电产生的交流电通过整流电路，将交流电变为脉动直流电，再通过滤波电路，将脉动直流电变为比较平滑的直流电，然后将不太稳定直流电通过稳压电路，并得到稳定的直流电，稳压电路连接可充电锂电池，由可充电锂电池直流电储存起来。

由所述的电能存储方法，可充电锂电池与LED灯连接，并由LED灯在水面持续发亮，且可充电锂电池为信号源的供电，使得信号源能不间断被供应电量。

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。

Claims (3)

1.一种水面浮动摩擦发电方法，其特征在于，将空心大球(4)内表面镀金属作为电极，ZnO纳米棒在电极上生长并形成阵列；空心小球(1)外表面镀金属层作为电极，电极附着PET(3)作为摩擦材料；

将空心小球(1)位于空心大球(4)内部，使两球间具有使得空心小球(1)运动的间隔，在水中时，由水的流动使空心小球(1)运动，并与空心大球(4)摩擦冲撞；

在初始状态，空心大球(4)内表面ZnO纳米棒阵列带正电，空心小球(1)外表面摩擦材料带负电；

带有负电的摩擦材料和带有正电的ZnO纳米棒阵列因接触并进而摩擦，电场分布改变，吸引负电荷从空心小球(1)外表面电极转移到空心大球(4)内表面电极，而产生正向电流；带有负电的摩擦材料和带有正电的ZnO纳米棒阵列已接触，因分离进而摩擦，电场分布再次改变，吸引负电荷从空心大球(4)内表面电极转移到空心小球(1)外表面电极，而产生反向电流；两球表面反复接触和分离，在两电极间就会交替产生电势差发出交流电。

2.一种水面浮动摩擦电能存储的方法，其特征在于，由权利要求1所述的水面浮动摩擦发电方法发电产生的交流电通过整流电路，将交流电变为脉动直流电，再通过滤波电路，将脉动直流电变为比较平滑的直流电，然后将不太稳定直流电通过稳压电路，并得到稳定的直流电，稳压电路连接可充电锂电池，由可充电锂电池直流电储存起来。

3.一种水面浮动摩擦存电供应水面信号源电量的方法，其特征在于，由权利要求2所述的电能存储方法，可充电锂电池与LED灯连接，并由LED灯在水面持续发亮，且可充电锂电池为信号源的供电，使得信号源能不间断被供应电量。