CN110761497A - 自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶,主要包括：诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器、雷电流感应发电器、可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列、可控旋转型光伏发电器、汇聚雨水驱动发电器、可控旋转电机、可控旋转联动构件、蓄电池A及电路、传感器、智能控制器、房屋顶；可控旋转电机通过可控旋转联动构件带动房屋顶风窗及装配的可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列或可控旋转型光伏发电器进行旋转调整，使风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列处于迎风最佳角度或光伏发电器处于朝向太阳光最佳角度，风力驱动微纳米旋转摩擦发电效率和光伏发电效率均能够得到显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及生态建筑领域，更具体地说，涉及一种自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶。
背景技术
生态建筑学是把生态学运用在建筑当中，生态和建筑融合在一起，以自然生态为根本，构建起人工生态环境体系。在建筑当中使用生态学、建筑学以及其他科学技术原理,可有效地将建筑和其他因素结合在一起，让建筑和环境能够和谐相处并成为有机整体，不仅仅满足人们对居住环境的舒适性要求，还能够利用大自然带来的各种能量，使人们的生活质量进一步得到提高。
生态建筑有效利用大自然带来的各种能量作为新能源，使人们减少依赖不可再生的煤炭和石油资源，减少人们对地球环境造成的污染，这是生态建筑设计的一个非常重要的目标，也是人类社会可持续发展的一个重要体现。与生态系统有关的清洁能源包括生物能源、太阳能、地热和风能。目前，风能的利用技术逐步趋近成熟，太阳能则是最富有前景的再生能源之一。生态建筑合理和有效地利用太阳能和风能已经成为发展的必然趋势。
雷雨电是大自然中的常见现象，雷电的放电主要是在雷云和雷云之间进行、在雷云内部进行或者在雷云与大地之间进行；特别是雷云与大地之间进行的放电具有很大的能量，也具有很大的随机性，并对地面建筑具有很大的破坏力；其中雷云放电是在某些适当的地理和气象条件下，由于比较强烈的潮湿热气流不断上升进入稀薄大气层后冷凝的结果，雷电的放电会产生巨大能量。人类如何能够安全地利用雷电带来的巨大能量，是面临的重要技术难题之一。
当前人们在生态建筑中，如何安全利用雷电带来的巨大能量，如何提高对太阳能和风能的利用效率，如何汇聚雨水并有效地利用，这些技术问题有待去解决。
发明内容
针对当前在生态建筑领域中存在的系列技术问题，本发明提供一种自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶。
本发明提供一种自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶,主要包括：诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器、雷电流感应发电器、可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列、可控旋转型光伏发电器、汇聚雨水驱动发电器、可控旋转电机、可控旋转联动构件、蓄电池A及电路、传感器、智能控制器、房屋顶；所述房屋顶由房屋顶层与房屋顶风窗复合构成；所述房屋顶风窗靠近房屋顶层的下端设置；所述房屋顶层采用碳纤维复合夹板构成；所述碳纤维复合夹板为采用具有中空结构的两层碳纤维板复合组成的三明治结构，其中中空结构为真空绝热部分；所述诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器装配在房屋顶层的上端；所述雷电流感应发电器装配在诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器上；所述可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列装配在房屋顶层靠近下端的房屋顶风窗上；所述可控旋转型光伏发电器装配在房屋顶层的斜侧面；所述汇聚雨水驱动发电器装配在房屋顶层的下端，用来汇聚房屋顶层的雨水；所述可控旋转联动构件的一端分别支撑并连接房屋顶层的可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列和可控旋转型光伏发电器；所述可控旋转联动构件的另一端与可控旋转电机相连接；所述传感器装配在房屋顶层；所述诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器、雷电流感应发电器、可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列、可控旋转型光伏发电器、汇聚雨水驱动发电器、可控旋转电机、可控旋转联动构件、蓄电池A及电路、传感器和房屋顶均分别与智能控制器相连接；所述诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器、雷电流感应发电器、可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列、可控旋转型光伏发电器、汇聚雨水驱动发电器、可控旋转电机、可控旋转联动构件、传感器、智能控制器均分别通过电路与蓄电池A相连接；所述自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶与可控旋转联动构件相连接，并构建在四面或多面房屋墙体的上端。
上述方案中，所述诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器，主要包括：诱捕获雷电器、导雷电杆、快速双向开关、超导限流器、多个固态限流断路器、石墨烯超级电容储电器、变阻型接地线；所述导雷电杆装配在房屋顶层的上端；所述诱捕获雷电器通过导雷电杆与快速双向开关的第一端相连接；所述快速双向开关的第二端与超导限流器的一端相连接；所述超导限流器的另一端分别与多个固态限流断路器的一端相连接；所述石墨烯超级电容储电器由多个石墨烯超级电容器采用串-并联方式组成阵列构成；多个所述固态限流断路器的另一端分别与多个石墨烯超级电容器的一端相连接；所述石墨烯超级电容储电器的另一端通过接地线与大地相连接；所述快速双向开关的第三端通过变阻型接地线与大地相连接。
上述方案中，所述诱捕获雷电器采用三维多孔石墨烯组装带电荷颗粒或带电荷离子复合构成；所述导雷电杆采用导电性能良好的金属材料或复合材料；所述快速双向开关采用大功率双向直流快速晶闸管开关、双向电磁斥力机构的快速开关、BJW6系列双向直流快速开关、高速机械开关中的任一种；所述超导限流器采用超导电缆、低温装置及器件构成；所述变阻型接地线采用镀锌钢管、镀锌圆管中的一种。
上述方案中，所述可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列由多个风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器有序排列构成；所述风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器，包括：内微纳米旋转摩擦材料层、外微纳米旋转摩擦材料层、内电极层、外电极层、内旋转框架、外旋转弹性框架、发电器轴心、轴心外旋转层、多个风力驱动叶片、弹性支撑杆、框架；多个所述风力驱动叶片呈圆形风扇叶形态分布并构成能够旋转的扇形阵列；多个所述风力驱动叶片的一端固定装配在轴芯外旋转层上；在风力作用下，所述轴芯外旋转层能够围绕发电器轴心进行旋转；所述风力驱动叶片的另一端固定装配在内旋转框架的内侧；在风力作用下，所述轴芯外旋转层、多个风力驱动叶片和内旋转框架共同形成整体联动旋转结构，并整体围绕发电器轴心进行旋转；多个所述风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器装配在外旋转弹性框架的内侧面；所述外旋转弹性框架的外侧面通过弹性支撑杆与框架相连接固定；在风力作用下，外旋转弹性框架与弹性支撑杆能够产生协同弹性振动效应，并能够将振动效应传递给风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器；所述内微纳米旋转摩擦材料层的下侧面与内电极层的一侧面相连接；所述内电极层的另一侧面与内旋转框架相连接；所述外微纳米旋转摩擦材料层的下侧面与内微纳米旋转摩擦材料层的上侧面相对应，并构成微纳米旋转摩擦结构；所述外微纳米旋转摩擦材料层的上侧面与外电极层的一面相连接；所述外电极层的另一面与外旋转弹性框架的一面相连接；所述内电极层和外电极层通过引出导线及电路与蓄电池A相连接。
上述方案中，所述外旋转弹性框架的弹性材料和弹性支撑杆材料采用高可拉伸全碳气凝胶弹性体层、PDMS弹性体层、强力弹性橡胶、高密度海绵、强力弹簧、弹力有机高分子材料、硅胶、合成弹力材料或弹力复合材料中的任一种。
上述方案中，所述内微纳米旋转摩擦材料层和外微纳米旋转摩擦材料层分别采用两种不相同的高分子聚合物材料；两种不相同的高分子聚合物材料分别带上等量的异种电荷；所述高分子聚合物材料的表面进行微纳米结构化处理；所述微纳米结构化处理的方式为：在高分子聚合物材料的表面采用下列方法之一进行处理：干法蚀刻、湿法刻蚀、光刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、组装微纳米线阵列或微纳米棒阵列。
上述方案中，所述内微纳米旋转摩擦材料层和外微纳米旋转摩擦材料层分别采用高分子聚合物材料和金属材料；所述高分子聚合物材料和金属材料分别带上等量的异种电荷；所述高分子聚合物材料和金属材料的表面进行微纳米结构化处理；所述微纳米结构化处理的方式为：在高分子聚合物材料和金属材料的表面采用下列方法之一进行处理：干法蚀刻、湿法刻蚀、光刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、组装微纳米线阵列或微纳米棒阵列。
上述方案中，所述雷电流感应发电器，包括：雷电流感应发电线圈及器件、蓄电池B及电路；所述雷电流感应发电线圈及器件装配在导雷电杆外侧；所述雷电流感应发电线圈及器件的两端通过电路与蓄电池B相连接。
上述方案中，所述可控旋转型光伏发电器中的光伏发电器装配在房屋顶，与房屋顶部的瓦结构复合，构成一体化结构；所述光伏发电器的光伏电池采用单晶硅太阳光伏电池、多晶硅太阳光伏电池、二氧化钛太阳光伏电池、导电氧化物太阳光伏电池、微晶硅太阳光伏电池或薄膜太阳能电池中的任一种；所述传感器采用风力传感器、风向传感器、雷电流传感器和太阳光强度传感器中的任一种或多种。
上述方案中，所述汇聚雨水驱动发电器主要包括：汇聚雨水槽、汇聚雨水管道、雨水储存箱、发电机及器件、过滤消毒装置；所述汇聚雨水槽装配在房屋顶的下端；所述可控旋转联动构件，包括：支撑旋转管；所述支撑旋转管为中空结构，所述支撑旋转管与房屋顶装配的汇聚雨水槽相连接；所述支撑旋转管具有支撑旋转与汇聚输运雨水的双重功能；所述汇聚雨水槽通过具有中空结构的支撑旋转管与汇聚雨水管道相连接，然后与雨水储存箱相连接；所述雨水储存箱相与发电机及器件相连接；所述发电机及器件通过电路与蓄电池A相连接；驱动发电机进行发电后的汇聚雨水，流进过滤消毒装置并进行净化处理；经过净化处理后的汇聚雨水，能够作为生活用水；所述汇聚雨水槽、汇聚雨水管道、雨水储存箱、发电机及器件、过滤消毒装置均分别与智能控制器相连接。
本发明提供的一种自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶的工作过程如下：
智能控制器指令启动自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶进行工作，雷电流传感器将检测到的雷电流数据信息传输给智能控制器；智能控制器指令诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器进行工作，其中的快速双向开关的第二端与超导限流器的一端相连接上；超导限流器的另一端分别与多个固态限流断路器的一端相连接；多个固态限流断路器的另一端分别与多个石墨烯超级电容器的一端相连接；多个石墨烯超级电容器采用串-并联方式组成阵列，并构成石墨烯超级电容储电器；由于雷云团顶部积累正电荷，底部积累负电荷；因此，雷云在下行先导通道中负电荷对大地上的建筑产生感应作用，雷电流被诱捕获雷电器中的三维多孔石墨烯组装带电荷颗粒能够诱捕获雷电流通过导雷电杆、快速双向开关的第二端、超导限流器和固态限流断路器，安全地进入石墨烯超级电容储电器存储。当雷电流过大或雷电压过高，超导限流器中的超导电缆出现失超现象，其超导电缆的电阻增加，快速双向开关协同动作，其快速双向开关的第二端快速断开，快速双向开关的第三端快速接通大地，其超大电流或过电压被旁路，石墨烯超级电容储电器得到安全保护。
当雷电流通过导雷电杆时，装配在导雷电杆外侧的雷电流感应发电器中的雷电流感应发电线圈产生感应电流，其感应电流通过电路及器件传输给蓄电池B存储。
装配在自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶的风力传感器或风向传感器，将风力或风向数据信息传输给智能控制器；智能控制器通过运算处理，指令可控旋转电机进行工作；可控旋转电机通过可控旋转联动构件，带动房屋顶风窗及装配的可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列进行旋转调整，使房屋顶风窗及装配的可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列处于迎风最佳角度。在风力驱动下，装配在房屋顶风窗的风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列进行工作；在风力与振动能驱动及弹性材料的协同作用下，内微纳米旋转摩擦材料层和外微纳米旋转摩擦材料层共同构成接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米旋转摩擦发电模式；在电介质-电介质材料结构中，由两种不同的介电材料作为摩擦接触面；当两种电介质摩擦材料由于风力和振动力作用相互接触时，会在摩擦接触表面形成符号相反的表面电荷，当风力和振动能冲击力撤销时，摩擦接触表面在间隔弹性层作用下实现分离，两个电极层之间通过整流电路外接负载电阻上时，会由于电极层间的感应电势差形成电流。当在风力和振动能冲击力作用下，导致两个摩擦面再次接触时，由摩擦电荷形成的电势差消失，形成方向相反的电流。装配在房屋顶上的微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列构成的接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米旋转摩擦发电模式，可以用来有效地采集并转换风力和振动力带来的能量，并将此能量转换为电能；微纳米旋转摩擦弹性发电器通过内电极层和外电极层，将采集风力和振动能量发电并传输给蓄电池A存储备用。
装配在自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶的太阳光传感器，将太阳光辐照数据信息传输给智能控制器；智能控制器通过运算处理，指令可控旋转电机进行工作；可控旋转电机通过可控旋转联动构件，带动房屋顶层及装配的可控旋转型光伏发电器进行旋转调整，使房屋顶层及装配的可控旋转型光伏发电器处于朝向太阳光最佳角度。太阳光辐照在房屋顶层装配的光伏发电材料上，光伏发电材料能够产生高效的光伏发电效应，其光伏发电量通过电路传输给蓄电池A存储。
当天气下雨时，装配在自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶的汇聚雨水驱动发电器进行工作；汇聚雨水槽收集雨水，并通过汇聚雨水管道输送给雨水储存箱进行存储；当雨水储存箱中存储的雨水量充足时，智能控制器指令发电机及器件进行工作，雨水储存箱中存储的雨水急速下行，推动发电机进行发电；汇聚雨水产生的发电量通过电路传输给蓄电池A存储。驱动发电机进行发电后的汇聚雨水，能够流进过滤消毒装置并进行净化处理；经过净化处理后的汇聚雨水，能够作为生活用水。
实施本发明的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶具有以下有益效果：
a、本发明的诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器，采用的石墨烯具有独特的二维结构和出色的物理特性，使其在诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器中的应用具有良好的性能；与传统的多孔碳材料相比，石墨烯具有非常高的导电性，大的比表面积及大量的层间构造，从而能够成为双电层电容器的性能优良电极材料；采用将石墨烯薄膜置于电解液中制备成具有质量轻、储电量大、电容衰减小性能的石墨烯超级电容器，并将多个石墨烯超级电容器进行串-并联组合形成阵列构造，具有存储雷电流能量的超强功能。
b、本发明的诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器，采用将超导限流器、快速双向开关、固态限流断路器和变阻型接地线有机相结合，提高了装置的安全性和高效性；超导限流器在处于雷电过电压条件下，超导电缆会出现失超现象，其电阻会自动升高，将其与快速双向开关和变阻型接地线有机协同相结合，能够快速转换电路并接通大地，将超大电流旁路，确保石墨烯超级电容储电器的工作安全性；固态限流断路器在处于过电流条件下，也能够快速熔断将电路断开，确保石墨烯超级电容储电器的工作安全性。因此，诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器具有良好的安全性和高效性。
c、本发明的诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器中的诱捕获雷电器，采用三维多孔石墨烯组装带电荷颗粒或带电荷离子复合构成，具有吸引并捕获雷电云底部电荷的功能；三维多孔石墨烯还具有优良的导电性能，因此能够快速将捕获的雷电云的雷电下行产生的电流，并通过导雷电杆引向石墨烯超级电容储电器中进行存储。
d、本发明的智能控制器通过采集风力传感器或风向传感器的数据信息，并进行运算处理，指令可控旋转电机进行工作；可控旋转电机通过可控旋转联动构件，带动房屋顶及装配的可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列进行旋转调整，使房屋顶及装配的可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列处于迎风最佳角度。在风力驱动下，装配在房屋顶风窗的可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列进行工作；在风力与振动能驱动及弹性材料的协同作用下，内微纳米旋转摩擦材料层和外微纳米旋转摩擦材料层共同构成接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米旋转摩擦发电模式，其风驱动产生的微纳米旋转摩擦发电量能够传输给蓄电池存储。
e、本发明的智能控制器通过采集太阳光传感器的数据信息进行运算处理，指令可控旋转电机进行工作；可控旋转电机通过可控旋转联动构件，带动房屋顶装配的可控旋转型光伏发电器朝向太阳光最佳角度，其光伏发电器能够产生高效的光伏发电效应。
f、本发明的装配在自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶的汇聚雨水驱动发电器,利用装配的汇聚雨水槽收集雨水，其收集的雨水能够被用来带动发电机进行发电工作；驱动发电机进行发电后的汇聚雨水，能够被控制流进过滤消毒装置并进行净化处理；经过净化处理后的汇聚雨水，能够作为生活用水。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶的结构示意图；
图2是本发明采用的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶与可控旋转联动构件的结构示意图；
图3是本发明采用的诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器的工作结构及原理示意图；
图4是本发明采用的可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列的结构示意图；
图5是本发明采用的风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器的结构示意图；
图6是本发明采用的汇聚雨水驱动发电器的工作结构与工作过程示意图。
图中：自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶-1、可控旋转联动构件-2、诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器-3、雷电流感应发电器-4、可控旋转型光伏发电器-5、可控旋转型风驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列-6、汇聚雨水驱动发电器-7、房屋顶-8、房屋顶风窗-9、导雷电杆-10、可控旋转电机-11、房屋墙体-12、诱捕获雷电器-13、快速双向开关-14、快速双向开关的第一端-14a、快速双向开关的第二端-14b、快速双向开关的第三端-14c、超导限流器-15、固态限流断路器-16、石墨烯超级电容器-17a、石墨烯超级电容储电器-17、变阻型接地线-18、雷电流感应发电线圈及器件-19、蓄电池B-20、风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器-21、内微纳米旋转摩擦材料层-22、外微纳米旋转摩擦材料层-23、内电极层-24、外电极层-25、内旋转框架-26、外旋转弹性框架-27、风力传感器-28、弹性支撑杆-29、发电器轴心-30、轴心外旋转层-31、风力驱动叶片-32、框架-33、智能控制器-34、蓄电池A-35、逆变器-36、大地-37、汇聚雨水槽-38、汇聚雨水管道-39、支撑旋转管-40。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例：
本发明提供的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶1的结构示意图见图1，自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶1与可控旋转联动构件2的结构示意图见图2；自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶1，主要包括：诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器3(见图3)、雷电流感应发电器4、可控旋转型光伏发电器5、可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列6、汇聚雨水驱动发电器7、房屋顶8、可控旋转电机11、可控旋转联动构件2、蓄电池A35及电路、传感器、智能控制器34；房屋顶8包括：房屋顶层、房屋顶风窗9；房屋顶风窗9靠近房屋顶层的下端设置；房屋顶层采用碳纤维复合夹板构成；碳纤维复合夹板为采用具有中空结构的两层碳纤维板复合组成的三明治结构，其中中空结构为真空绝热部分；诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器3装配在房屋顶层的上端；可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列6装配在房屋顶层靠近下端的房屋顶风窗9上；可控旋转型光伏发电器5装配在房屋顶层的斜侧面；汇聚雨水驱动发电器7装配在房屋顶层的下端，用来汇聚房屋顶层的雨水；可控旋转联动构件2的一端分别支撑并连接房屋顶层、以及可控旋转型光伏发电器5和可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列6；可控旋转联动构件2的另一端与可控旋转电机11相连接；传感器采用雷电流传感器、风力传感器28和太阳光传感器；太阳光传感器装配在房屋顶层；诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器3、雷电流感应发电器4、可控旋转型光伏发电器5、可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列6、汇聚雨水驱动发电器7、房屋顶8、可控旋转电机11、可控旋转联动构件2、蓄电池A35及电路、雷电流传感器、风力传感器28和太阳光传感器均分别与智能控制器34相连接；诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器3、雷电流感应发电器4、可控旋转型光伏发电器5、可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列6、汇聚雨水驱动发电器7、可控旋转电机11、可控旋转联动构件2、雷电流传感器、风力传感器28、太阳光传感器、智能控制器34均分别通过电路与蓄电池A35相连接；自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶1与可控旋转联动构件2相连接，并构建在四面或多面房屋墙体12的上端(见图1、图2)。
诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器3(见图3)，主要包括：诱捕获雷电器13、导雷电杆10、快速双向开关14、超导限流器15、多个固态限流断路器16、石墨烯超级电容储电器17、变阻型接地线18；导雷电杆10装配在房屋顶层的上端；诱捕获雷电器13通过导雷电杆10与快速双向开关14的第一端14a相连接；雷电流传感器装配在诱捕获雷电器13旁；快速双向开关14的第二端14b与超导限流器15的一端相连接；超导限流器15的另一端分别与多个固态限流断路器16的一端相连接；石墨烯超级电容储电器17由多个石墨烯超级电容器17a采用串-并联方式组成阵列构成；多个固态限流断路器16的另一端分别与多个石墨烯超级电容器17a的一端相连接；石墨烯超级电容储电器17(见图3中的虚线框)的另一端通过接地线与大地37相连接；快速双向开关14的第三端14c通过变阻型接地线18与大地37相连接。
诱捕获雷电器13采用三维多孔石墨烯组装带电荷颗粒复合构成；导雷电杆10采用导电性能良好的铜金属材料；快速双向开关14采用大功率双向直流快速晶闸管开关；超导限流器15采用超导电缆、低温装置及器件构成；变阻型接地线18采用镀锌钢管。
雷电流感应发电器4装配在房屋顶层上端的导雷电杆10的外侧；雷电流感应发电器4，包括：雷电流感应发电线圈及器件19、蓄电池B20及电路(见图3)；雷电流感应发电线圈及器件19装配在导雷电杆10的外侧；雷电流感应发电线圈及器件19的两端通过电路与蓄电池B20相连接。
可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列6(见图4)，由多个风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器21有序排列构成；风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器21(见图5)，包括：内微纳米旋转摩擦材料层22、外微纳米旋转摩擦材料层23、内电极层24、外电极层25、内旋转框架26、外旋转弹性框架27、发电器轴心30、轴心外旋转层31、多个风力驱动叶片32、弹性支撑杆29、框架33、逆变器36；多个风力驱动叶片32呈圆形风扇叶形态分布并构成能够旋转的扇形阵列；多个风力驱动叶片32的一端固定装配在轴芯外旋转层31上；在风力作用下，轴芯外旋转层31能够围绕发电器轴心30进行旋转；风力驱动叶片32的另一端固定装配在内旋转框架26的内侧；在风力作用下，轴芯外旋转层31、多个风力驱动叶片32和内旋转框架26共同形成整体联动旋转结构，并整体围绕发电器轴心30进行旋转；风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器21装配在外旋转弹性框架27的内侧面；外旋转弹性框架27的外侧面通过弹性支撑杆29与框架33相连接固定；在风力作用下，外旋转弹性框架27与弹性支撑杆29能够产生协同弹性振动效应；风力传感器28装配在框架33内。
可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列6(见图4和图5)中的内微纳米旋转摩擦材料层22的下侧面与内电极层24的一侧面相连接；内电极层24的另一侧面与内旋转框架26相连接；外微纳米旋转摩擦材料层23的下侧面与内微纳米旋转摩擦材料层22的上侧面相对应，并构成微纳米旋转摩擦结构；外微纳米旋转摩擦材料层23的上侧面与外电极层25的一面相连接；外电极层25的另一面与外旋转弹性框架27的一面相连接；内电极层24和外电极层25通过引出导线及电路与逆变器36和蓄电池A35相连接；外旋转弹性框架27的弹性材料和弹性支撑杆29采用：PDMS(聚二甲基硅氧烷)弹性体。
内微纳米旋转摩擦材料层22和外微纳米旋转摩擦材料层23分别采用两种不相同的高分子聚合物材料；两种不相同的高分子聚合物材料分别带上等量的异种电荷；两种高分子聚合物材料分别为：Kapton薄膜和PET薄膜；内电极层24和外电极层25的材料采用：Au薄膜，在Kapton薄膜和PET薄膜的外侧均通过磁控溅射方法制备有Au导电电极；高分子聚合物材料表面进行微纳米结构化处理；微纳米结构化处理的方式为：利用干法蚀刻分别在两种材料表面制备微纳米图案，来增添微纳米摩擦效果。
本实施例的可控旋转型光伏发电器5中的光伏发电器装配在房屋顶8，与房屋顶部瓦复合，构成一体化结构；光伏发电器的光伏电池，采用多晶硅太阳光伏电池。
汇聚雨水驱动发电器7，主要包括：汇聚雨水槽38(见图2和图6)、汇聚雨水管道39、雨水储存箱、发电机及器件、过滤消毒装置；汇聚雨水槽38装配在房屋顶8的下端；可控旋转联动构件2，包括：支撑旋转管40；支撑旋转管40为中空结构，支撑旋转管40与房屋顶8装配的汇聚雨水槽38相连接；支撑旋转管40具有支撑旋转与汇聚传输雨水的双重功能；汇聚雨水槽38通过具有中空结构的支撑旋转管40与汇聚雨水管道39相连接，然后与雨水储存箱相连接；雨水储存箱与发电机及器件相连接；发电机及器件通过电路与蓄电池A35相连接；驱动发电机进行发电后的汇聚雨水，流进过滤消毒装置并进行净化处理；经过净化处理后的汇聚雨水，能够作为生活用水；汇聚雨水槽38、汇聚雨水管道39、雨水储存箱、发电机及器件、过滤消毒装置均分别与智能控制器34相连接。
本发明实施例的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶1的工作过程如下：
智能控制器34指令启动自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶1进行工作，雷电流传感器将检测到的雷电流数据信息传输给智能控制器34；智能控制器34指令诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器3(见图3)进行工作，其中的快速双向开关14的第二端14b与超导限流器15的一端相连接上；超导限流器15的另一端分别与多个固态限流断路器16的一端相连接；多个固态限流断路器16的另一端分别与多个石墨烯超级电容器17a的一端相连接；多个石墨烯超级电容器17a采用串-并联方式组成阵列，并构成石墨烯超级电容储电器17；由于雷云团顶部积累正电荷，底部积累负电荷；因此，雷云在下行先导通道中负电荷对大地上的建筑产生感应作用，雷电流被诱捕获雷电器13中的三维多孔石墨烯组装带正电荷颗粒吸引，因此能够诱捕获雷电流通过导雷电杆10、快速双向开关14的第二端14b、超导限流器15和固态限流断路器16，安全地进入石墨烯超级电容储电器17存储。当雷电流过大或雷电压过高，超导限流器15中的超导电缆出现失超现象，其超导电缆的电阻增加，快速双向开关14产生协同作用，其快速双向开关14的第二端14b快速断开，快速双向开关14的第三端14c快速接通大地37，其超大电流或过电压被旁路，石墨烯超级电容储电器17被安全保护。
当雷电流通过导雷电杆10时，装配在导雷电杆10外侧的雷电流感应发电器4中的雷电流感应发电线圈19产生感应电流，其感应电流通过电路及器件传输给蓄电池B20存储。
装配在自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶1的风力传感器28，将风力数据信息传输给智能控制器34；智能控制器34通过运算处理，指令可控旋转电机进行工作；可控旋转电机通过可控旋转联动构件2，带动房屋顶风窗9及装配的可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列6进行旋转调整，使房屋顶风窗9及装配的可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列6处于迎风最佳角度。在风力驱动下，装配在房屋顶风窗9的风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列6进行工作；在风力与振动能驱动及弹性材料的协同作用下，内微纳米旋转摩擦材料层22和外微纳米旋转摩擦材料层23共同构成接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米旋转摩擦发电模式；在电介质-电介质材料结构中，由两种不同的介电材料作为摩擦接触面；当两种电介质摩擦材料由于风力和振动力作用相互接触时，会在摩擦接触表面形成符号相反的表面电荷，当风力和振动能冲击力撤销时，摩擦接触表面在间隔弹性层作用下实现分离，两个电极层之间通过整流电路外接负载电阻上时，会由于电极层间的感应电势差形成电流。当在风力和振动能冲击力作用下，导致两个摩擦面再次接触时，由摩擦电荷形成的电势差消失，形成方向相反的电流。微纳米旋转摩擦弹性发电器21构成的接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米旋转摩擦发电模式，可以用来有效地采集并转换风力和振动力带来的能量，并将此能量转换为电能；微纳米旋转摩擦弹性发电器21通过内电极层24和外电极层25，将采集风力和振动能量产生的发电传输给蓄电池A35存储备用。
装配在自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶1的太阳光传感器，将太阳光辐照数据信息传输给智能控制器34；智能控制器34通过运算处理，指令可控旋转电机进行工作；可控旋转电机通过可控旋转联动构件2，带动房屋顶8及装配的可控旋转型光伏发电器5进行旋转调整，使房屋顶8及装配的可控旋转型光伏发电器5处于朝向太阳光最佳角度。太阳光辐照在房屋顶8装配的光伏发电材料上，光伏发电材料能够产生高效的光伏发电效应，其光伏发电量通过电路传输给蓄电池A35存储。
当天气下雨时，装配在自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶1的汇聚雨水驱动发电器7进行工作(见图6)；汇聚雨水槽38收集雨水，并通过汇聚雨水管道39输送给雨水储存箱进行存储；当雨水储存箱中存储的雨水量充足时，智能控制器34指令发电机及器件进行工作，雨水储存箱中存储的雨水急速下行，推动发电机进行发电；汇聚雨水产生的发电量，通过电路传输给蓄电池A35存储。驱动发电机进行发电后的汇聚雨水，能够流进过滤消毒装置并进行净化处理；经过净化处理后的汇聚雨水，能够作为生活用水。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶,其特征在于,包括：诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器、雷电流感应发电器、可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列、可控旋转型光伏发电器、汇聚雨水驱动发电器、可控旋转电机、可控旋转联动构件、蓄电池A及电路、传感器、智能控制器、房屋顶；所述房屋顶由房屋顶层与房屋顶风窗复合构成；所述房屋顶风窗靠近房屋顶层的下端设置；所述房屋顶层采用碳纤维复合夹板构成；所述碳纤维复合夹板为采用具有中空结构的两层碳纤维板复合组成的三明治结构；所述诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器装配在房屋顶层的上端；所述雷电流感应发电器装配在诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器上；所述可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列装配在房屋顶层靠近下端的房屋顶风窗上；所述可控旋转型光伏发电器装配在房屋顶层的斜侧面；所述汇聚雨水驱动发电器装配在房屋顶层的下端，用来汇聚房屋顶层的雨水；所述可控旋转联动构件的一端分别支撑并连接房屋顶层的可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列和可控旋转型光伏发电器；所述可控旋转联动构件的另一端与可控旋转电机相连接；所述传感器装配在房屋顶层；所述诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器、雷电流感应发电器、可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列、可控旋转型光伏发电器、汇聚雨水驱动发电器、可控旋转电机、可控旋转联动构件、蓄电池A及电路、传感器和房屋顶均分别与智能控制器相连接；所述诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器、雷电流感应发电器、可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列、可控旋转型光伏发电器、汇聚雨水驱动发电器、可控旋转电机、可控旋转联动构件、传感器、智能控制器均分别通过电路与蓄电池A相连接。
2.根据权利要求1所述的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶，其特征在于，所述诱捕获雷电能量型石墨烯超级电容储电器包括：诱捕获雷电器、导雷电杆、快速双向开关、超导限流器、多个固态限流断路器、石墨烯超级电容储电器、变阻型接地线；所述导雷电杆装配在房屋顶层的上端；所述诱捕获雷电器通过导雷电杆与快速双向开关的第一端相连接；所述快速双向开关的第二端与超导限流器的一端相连接；所述超导限流器的另一端分别与多个固态限流断路器的一端相连接；所述石墨烯超级电容储电器由多个石墨烯超级电容器采用串-并联方式组成阵列构成；多个所述固态限流断路器的另一端分别与多个石墨烯超级电容器的一端相连接；所述石墨烯超级电容储电器的另一端通过接地线与大地相连接；所述快速双向开关的第三端通过变阻型接地线与大地相连接。
3.根据权利要求2所述的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶，其特征在于，所述诱捕获雷电器采用三维多孔石墨烯组装带电荷颗粒或带电荷离子复合构成；所述导雷电杆采用具有导电性能的金属材料或复合材料；所述快速双向开关采用大功率双向直流快速晶闸管开关、双向电磁斥力机构的快速开关、BJW6系列双向直流快速开关、高速机械开关中的任一种；所述超导限流器采用超导电缆、低温装置及器件构成；所述变阻型接地线采用镀锌钢管、镀锌圆管中的一种。
4.根据权利要求1所述的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶，其特征在于，所述可控旋转型风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器阵列由多个风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器有序排列构成；所述风力驱动微纳米旋转摩擦弹性发电器，包括：内微纳米旋转摩擦材料层、外微纳米旋转摩擦材料层、内电极层、外电极层、内旋转框架、外旋转弹性框架、发电器轴心、轴心外旋转层、多个风力驱动叶片、弹性支撑杆、框架；多个所述风力驱动叶片呈圆形风扇叶形态分布并构成能够旋转的扇形阵列；多个所述风力驱动叶片的一端固定装配在轴芯外旋转层上；在风力作用下，所述轴芯外旋转层能够围绕发电器轴心进行旋转；所述风力驱动叶片的另一端固定装配在内旋转框架的内侧；在风力作用下，所述轴芯外旋转层、多个风力驱动叶片和内旋转框架共同形成整体联动旋转结构，并整体围绕发电器轴心进行旋转；所述外旋转弹性框架的外侧面通过弹性支撑杆与框架相连接固定；所述内微纳米旋转摩擦材料层的下侧面与内电极层的一侧面相连接；所述内电极层的另一侧面与内旋转框架相连接；所述外微纳米旋转摩擦材料层的下侧面与内微纳米旋转摩擦材料层的上侧面相对应，并构成微纳米旋转摩擦结构；所述外微纳米旋转摩擦材料层的上侧面与外电极层的一面相连接；所述外电极层的另一面与外旋转弹性框架的一面相连接；所述内电极层和外电极层通过引出导线及电路与蓄电池A相连接。
5.根据权利要求4所述的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶，其特征在于，所述外旋转弹性框架的弹性材料和弹性支撑杆的材料采用高可拉伸全碳气凝胶弹性体层、PDMS弹性体层、强力弹性橡胶、高密度海绵、强力弹簧、弹力有机高分子材料、硅胶、合成弹力材料或弹力复合材料中的任一种。
6.根据权利要求4所述的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶,其特征在于，所述内微纳米旋转摩擦材料层和外微纳米旋转摩擦材料层分别采用两种不相同的高分子聚合物材料；两种不相同的高分子聚合物材料分别带上等量的异种电荷；所述高分子聚合物材料的表面进行微纳米结构化处理；所述微纳米结构化处理的方式为：在高分子聚合物材料的表面采用下列方法之一进行处理：干法蚀刻、湿法刻蚀、光刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、组装微纳米线阵列或微纳米棒阵列。
7.根据权利要求4所述的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶,其特征在于，所述内微纳米旋转摩擦材料层和外微纳米旋转摩擦材料层分别采用高分子聚合物材料和金属材料；所述高分子聚合物材料和金属材料分别带上等量的异种电荷；所述高分子聚合物材料和金属材料的表面进行微纳米结构化处理；所述微纳米结构化处理的方式为：在高分子聚合物材料和金属材料的表面采用下列方法之一进行处理：干法蚀刻、湿法刻蚀、光刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、组装微纳米线阵列或微纳米棒阵列。
8.根据权利要求2所述的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶，其特征在于，所述雷电流感应发电器，包括：雷电流感应发电线圈及器件、蓄电池B及电路；所述雷电流感应发电线圈及器件装配在导雷电杆的外侧；所述雷电流感应发电线圈及器件的两端通过电路与蓄电池B相连接。
9.根据权利要求1所述的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶，其特征在于，所述可控旋转型光伏发电器中的光伏发电器装配在房屋顶；所述光伏发电器的光伏电池采用单晶硅太阳光伏电池、多晶硅太阳光伏电池、二氧化钛太阳光伏电池、导电氧化物太阳光伏电池、微晶硅太阳光伏电池或薄膜太阳能电池中的任一种；所述传感器采用风力传感器、风向传感器、雷电流传感器和太阳光传感器中的任一种或多种。
10.根据权利要求1所述的自采集能量复合发电储能型生态可控旋转房屋顶，其特征在于，所述汇聚雨水驱动发电器包括：汇聚雨水槽、汇聚雨水管道、雨水储存箱、发电机及器件、过滤消毒装置；所述汇聚雨水槽装配在房屋顶的下端；所述可控旋转联动构件包括：支撑旋转管；所述支撑旋转管为中空结构，所述支撑旋转管与房屋顶装配的汇聚雨水槽相连接；所述支撑旋转管具有支撑旋转与汇聚输运雨水的双重功能；所述汇聚雨水槽通过具有中空结构的支撑旋转管与汇聚雨水管道相连接，然后与雨水储存箱相连接；所述雨水储存箱相与发电机及器件相连接；所述发电机及器件通过电路与蓄电池A相连接；所述过滤消毒装置对汇聚雨水进行净化处理；所述汇聚雨水槽、汇聚雨水管道、雨水储存箱、发电机及器件、过滤消毒装置均分别与智能控制器相连接。
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Application publication date: 20200207 Assignee: Hubei Jinming Environmental Protection Technology Co.,Ltd. Assignor: CHINA University OF GEOSCIENCES (WUHAN CITY) Contract record no.: X2023420000111 Denomination of invention: Self collected energy, composite power generation, energy storage, ecological controllable rotating roof Granted publication date: 20200904 License type: Common License Record date: 20230518 |