CN111396236B - 一种基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置，属于发电装置领域；包括不倒翁外壳、双螺旋单元、底部配重和内部电路，所述底部配重设置于所述不倒翁外壳内的底部，用于保证不倒翁的稳定平衡；所述双螺旋单元包括涡卷弹簧、底电极、对电极和芯棒；多个所述双螺旋发电单元同轴安装于所述不倒翁外壳内，其涡卷弹簧外端头均固定于所述不倒翁外壳的内壁上，通过不倒翁的摇摆，所述芯棒通过其自身惯性和涡卷弹簧弹力的共同作用发生水平或垂直位移，进而带动所述底电极和对电极的间距发生改变，产生持续的输出电压；本发明能够不间断地收集能量，且制作方便，输出电能可用于海上照明等领域。

Description

一种基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置
技术领域
本发明属于发电装置领域，具体涉及一种基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置。
背景技术
近年来，以石油、煤炭和天然气为主的石化能源出现了前所未有的危机，引发了人们对未来社会发展动力来源的广泛关注和思考。不少国家的能源战略都有一个明显的政策导向——鼓励开发新能源。在新能源中，海洋能被誉为风能、太阳能等绿色能源之后的“蓝色能源”，是目前最有前景的可再生能源之一，在全球范围内广泛分布。如何有效收集波浪能并提高能量利用率，是亟待解决的问题。
理论上传统的电磁发电机可用于收集海洋能,然而它在收集不规则和低频运动能量时存在诸多局限,使海洋能难以得到有效利用。近年来，相比于传统电磁发电机，摩擦纳米发电机在收集低频水波运动能量方面更有优势，有望利用该技术进一步满足人们对海洋能源的需求。
经过对现有技术检索发现，在专利号为“CN 108301960A”，题为“一种不倒翁式波浪能发电装置”的专利中报道了一种利用机械结构发电系统和磁感应线圈发电系统收集波浪能的装置，其通过齿轮传动带动发电机，并利用线圈切割磁感线方法进行双重发电，但这种方式较为传统、结构重量较重，且面临使用时间过长将会导致齿轮磨损、磁铁磁性减弱等问题，不利于使用和维护。
Xu Minyi等人在“A Soft and Robust Spring Based TriboelectricNanogenerator for Harvesting Arbitrary Directional Vibration Energy and Self-Powered Vibration Sensing.”(Advanced Energy Materials,2018,8(9))(中文题目：“一种软而坚固的基于弹簧的摩擦电动纳米发电机，用于获取任意方向的振动能量和自供电振动传感”国际期刊：新能源材料)文章中报道了一种螺旋结构的摩擦纳米发电机。其以硅胶弹簧作为螺旋结构的基体材料，能够收集任意方向的振动能量，将环境激励转换为电能，从理论上、数值上和实验上分析了垂直和水平激励产生的两种基本振型。但其制作方法较为复杂，材料成本较高；由于工艺所限，装置整体结构一经制成各部分难以分离，且单个螺旋立体发电单元占用空间较大。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置，主要包含内部的双螺旋发电单元、外部壳体结构和内电路。当发电装置置于无浪水面时，所有结构保持相对静止，芯棒位于双螺旋发电单元的中心；当不倒翁外壳受到波浪冲击时，由其带动内部芯棒在面内360°方向及垂直方向发生振动，与芯棒相连接的双螺旋电极间距随之发生改变，利用静电感应原理，产生持续的输出电压。
本发明的技术方案是：一种基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置，其特征在于：包括不倒翁外壳、双螺旋单元、底部配重和内部电路，所述底部配重设置于所述不倒翁外壳内的底部，用于保证不倒翁的稳定平衡；
所述双螺旋单元包括涡卷弹簧、底电极、对电极和芯棒；两个所述涡卷弹簧旋向相同，且中心重合并固定于所述芯棒的侧壁上，其起点相位差为180°，所述涡卷弹簧和芯棒外侧面均覆盖有绝缘层，所述底电极和对电极分别粘附于两个所述涡卷弹簧的绝缘层外侧，形成互相平行的双螺旋发电单元；多个所述双螺旋发电单元同轴安装于所述不倒翁外壳内，其涡卷弹簧外端头均固定于所述不倒翁外壳的内壁上，通过不倒翁的摇摆，所述芯棒通过其自身惯性和涡卷弹簧弹力的共同作用发生水平或垂直位移，进而带动所述底电极和对电极的间距发生改变，产生持续的输出电压；
多个所述双螺旋发电单元通过所述内部电路串联后，其总的输出正、负极分别通过导线穿过所述不倒翁外壳顶部的通孔与外部连接，输出电压。
本发明的进一步技术方案是：所述不倒翁外壳包括顶盖、圆柱筒与底半球，所述圆柱筒的上、下开口端分别通过所述顶盖和底半球封闭，并通过螺纹密封连接；所述顶盖表面开有两个对称的圆形通孔，用以穿过导线；所述不倒翁外壳由聚乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种材料制备而成；所述底部配重设置于底半球内，多个所述双螺旋单元均同轴设置于所述圆柱筒内，其涡卷弹簧外端头均固定于所述圆柱筒内壁。
本发明的进一步技术方案是：所述底部配重是由低碳钢或不锈钢制成的若干钢珠，所述钢珠置于聚乙烯制成的塑料袋中，用于限制其任意移动。
本发明的进一步技术方案是：所述底电极是由铜箔和长条状透明PVC片通过粘接形成的复合结构，所述对电极是由驻极体、铜箔和长条状透明PVC片依次粘接形成的复合结构；所述底电极和对电极粘附于两个所述涡卷弹簧的绝缘层，其长条状透明PVC一侧粘附于绝缘层上，同时保证所述底电极的铜箔与对电极的驻极体薄膜相对设置，即分别位于双螺旋面的内、外侧；所述底电极和对电极的宽度为30±5mm，以保证具有足够的感应面积，且电极间距离均相同。
本发明的进一步技术方案是：所述双螺旋发电单元的充电方法，是先将对电极放置于陶瓷电热板上加热，再利用高压直流电源对电晕电极输入高压，通过离子注入对驻极体膜进行充电，实现电极电荷的预植入。
本发明的进一步技术方案是：所述芯棒是由轴承钢、碳钢或其他密度大于7×103kg/m3的材料制成的圆柱形实体。
本发明的进一步技术方案是：3个所述双螺旋发电单元沿轴向均布。
本发明的进一步技术方案是：所述涡卷弹簧外径为d，螺距为P，所述圆柱筒内径为D，各尺寸关系为：
Figure BDA0002439641780000031
本发明的进一步技术方案是：所述内部电路包括若干整流器和若干导线，所述导线用于连接各部件；每个所述双螺旋发电单元均串联一个整流器，每个整流器的正负极依次串联形成总输出正、负极，总输出正、负极分别通过导线穿过所述不倒翁外壳顶盖的通孔与外部进行连接；连接所述总输出正、负极与通孔之间的空隙通过密封材料进行填充。
一种由基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置组成的发电网，其特征在于：多个所述基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置串联或并联组成不倒翁式驻极体发电网络。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提出的一种基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置，包括底电极、对电极、芯棒、不倒翁外壳、底部配重和内部电路；底电极与对电极粘附于有绝缘层覆盖且旋向相同的涡卷弹簧上，中心重合且与芯棒连接，形成互相平行的双螺旋发电单元；底电极是铜箔和PVC的复合结构，对电极是铜箔、PVC、驻极体薄膜的复合结构。利用涡卷弹簧保证发电单元受力前后引起较大的形变，实现电极间距的自动保持；并将双螺旋发电单元与不倒翁式外壳相结合，用以收集波浪能。本发明具有结构简单，尺寸较小，不易损坏的特点，能够收集不同方向的波浪能，较为充分地利用海洋能。本发明能够不间断地收集能量，且制作方便，输出电能可用于海上照明等领域，并有望实现海洋智能传感网络的供电，为海洋中的智能传感网络长期持续工作提供了关键的能源解决方案，进一步满足人类对海洋能源的需求。
与现有波浪能收集装置相比，本发明有以下优点：
(1)在发电单元结构方面，以生物学中的DNA双螺旋结构为灵感，结合平面涡卷弹簧的双螺旋结构，将双螺旋发电单元应用于能量收集领域，将传统“多层”发电结构加以拓展，具有面内压缩、面外拉伸、绕中心旋转等多种变形能力，从而能够充分利用来自不同方向的波浪能。
(2)在装置结构设计方面，不倒翁式外壳和底部配重使得装置在水中具备一个稳定的姿态，可以在受到力或扰动后很快恢复其初始平衡位置，芯棒和壳体的相对位置、双螺旋发电单元中的电极间距也会随之恢复，从而在下一次受到外力时，发电单元的电极间距会再次发生改变，使得发电装置能够有持续的电能输出。
(3)克服了双螺旋立体结构充电难的问题。将立体结构转变为平面涡卷，充电时只需将对电极平铺于充电设备下，保证电极表面各处均匀带电，操作方便；借助涡卷弹簧作为骨架，电极组装过程简单，且外型易于保持。
(4)无需外部供电，发电效果稳定，使用不受季节、天气影响；且海上环境越恶劣发电效果越好，便携性强。产生的电能可用于海上照明、海洋智能传感网络供电、海洋信息监测传送、海洋预警、海洋防锈、静电除尘等领域。
(5)双螺旋发电单元体型较小，工艺简单，质量轻便，结构紧凑，可移植性好，能多个串联，便于与其它零部件进行结合安装，可应用于汽车、飞机减震、机床振动能量收集、可穿戴电子设备等诸多领域，解决了大型波浪能发电装置结构复杂，成本高昂的问题。
附图说明
图1：为本发明基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置实施例1的装置结构示意图；
图2：为本发明基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置实施例1的双螺旋发电单元结构示意图；
图3：为本发明基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置实施例1的底电极、对电极示意图；
图4：为本发明基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置实施例1的内部电路图；
图5：为本发明基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置实施例1的单个涡卷弹簧示意图和装置尺寸关系示意图；
图6：为本发明基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置实施例1中的芯棒水平方向运动示意图；
图7：为本发明基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置实施例1中的芯棒竖直方向运动示意图；
附图标记说明：1、顶盖，2、圆柱筒，3、底半球，4、配重钢球，5、双螺旋发电单元，6、芯棒，7、底电极，8、对电极。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本实施例中基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置，包括不倒翁外壳顶盖1、圆柱筒2、底半球3、配重钢球4、双螺旋发电单元5、芯棒6。不倒翁外壳的三个部分，顶盖1、圆柱筒2、底半球3，三者通过壳体的螺纹连接。底部配重4置于底半球3内以保持发电装置的不倒翁摇摆特性；圆柱筒2用于容纳、支撑、固定双螺旋发电单元5，发电单元5中心固定着芯棒6；芯棒6是由轴承钢或碳钢或其他密度大于7×103kg/m3的材料制成的圆柱形实体，其上覆有绝缘层；芯棒6的主要作用是作为发电单元配重，利用自身惯性带动电极间距发生改变；所述涡卷弹簧是由SUS301不锈钢或其他弹簧材料制成的平面弹簧，可在面内360°方向发生压缩变形，在垂直平面方向发生拉伸变形以及绕自身中心轴发生扭转变形。底部配重4是由低碳钢或不锈钢制成的若干钢珠，置于底半球内以保持发电装置的不倒翁摇摆特性，钢珠置于聚乙烯制成的塑料小袋中以限制其任意游走，数量可根据不倒翁外壳规模与所需不倒翁摇摆特性适当增减.
3个串联的双螺旋发电单元外缘均与圆柱筒2内壁相连，以有效传递外界波浪能；当所述基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置受到外部低频波浪冲击时，不倒翁外壳因底部配重发生左右或垂直摆动，从而使内部芯棒在自身惯性和涡卷弹簧弹力的共同作用下发生水平或垂直振动，进而带动底电极与对电极间距发生改变，产生持续的输出电压，通过静电感应原理将机械能转换为电能。
如图2所示，双螺旋发电单元以涡卷弹簧为结构骨架，将底电极7、对电极8分别贴于弹簧的内外侧面，从而形成平行电容器，通过相对运动来改变电极间距，实现底电极上电荷转移。
如图3所示，底电极7贴附于所述涡卷弹簧上组成五层复合结构，分别是铜箔、长条状透明PVC片、绝缘层、涡卷弹簧、绝缘层。对电极8贴附于所述涡卷弹簧上组成六层复合结构，分别是绝缘层、涡卷弹簧、绝缘层、长条状透明PVC片、铜箔、驻极体薄膜。底电极与对电极均具有优良弹性及韧性；二者粘附于涡卷弹簧组成双螺旋发电单元时，应保证底电极的铜箔与对电极的驻极体薄膜正对，即分别位于双螺旋面的内、外侧。所述驻极体薄膜，可以用派瑞林Parylene、特氟龙Teflon或二氧化硅中的一种或多种制备而成，驻极体薄膜可通过树脂等粘接剂覆盖在金属电极表面。所述绝缘层是由PVC制成的高粘电气胶带，可有效阻断电极与涡卷弹簧间的电子流动。所述电极充电是将对电极放置在充电平板上，通过电晕极化的方式发射高速离子溅射到驻极体薄膜上，实现驻极体电荷预植入。
如图4所示，为本发明的内部电路图，双螺旋发电单元5发电时产生交流电，3个双螺旋发电单元的对电极和底电极分别引出两根导线与对应整流器的交流输入端连接，整流器的输出正负极依次串联，最终引出总输出正负极将电能向外输出供电或储存。每个双螺旋发电单元的输出端由外缘处引出与对应整流器的输入端连接；整流器均位于底半球以上2～3mm处，在圆柱筒2内壁沿圆周均布并通过粘接剂固定，以保持不倒翁平衡特性；导线沿外壳内壁布置。
如图5所示，(a)为单个涡卷弹簧的示意图，是双螺旋发电单元的结构基础。(b)为装置尺寸关系示意图，涡卷弹簧外径为d，螺距为P，圆柱筒内径为D，各部分尺寸关系为：
Figure BDA0002439641780000071
如图6所示，为芯棒水平方向运动的示意图。由于芯棒本身的惯性和受力原因，当不同方向的波浪袭来时，芯棒和壳体之间会出现不同方向的相对运动。如图中所示，当芯棒和壳体在水平面内产生相对运动时，在水平面的不同方向上压缩了涡卷弹簧，造成平行电容器间距的变化，从而实现发电。
如图7所示，为芯棒竖直方向运动的示意图。当芯棒6和壳体圆柱筒2之间产生竖直方向的相对运动时，会拉伸双螺旋发电单元5，引起平行电容器的感应面积变化，从而实现发电。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置，其特征在于：包括不倒翁外壳、双螺旋单元、底部配重和内部电路，所述底部配重设置于所述不倒翁外壳内的底部，用于保证不倒翁的稳定平衡；
所述双螺旋单元包括涡卷弹簧、底电极、对电极和芯棒；两个所述涡卷弹簧旋向相同，且中心重合并固定于所述芯棒的侧壁上，其起点相位差为180°，所述涡卷弹簧和芯棒外侧面均覆盖有绝缘层，所述底电极和对电极分别粘附于两个所述涡卷弹簧的绝缘层外侧，形成互相平行的双螺旋发电单元；多个所述双螺旋发电单元同轴安装于所述不倒翁外壳内，其涡卷弹簧外端头均固定于所述不倒翁外壳的内壁上，通过不倒翁的摇摆，所述芯棒通过其自身惯性和涡卷弹簧弹力的共同作用发生水平或垂直位移，进而带动所述底电极和对电极的间距发生改变，产生持续的输出电压；
多个所述双螺旋发电单元通过所述内部电路串联后，其总的输出正、负极分别通过导线穿过所述不倒翁外壳顶部的通孔与外部连接，输出电压；
所述底电极是由铜箔和长条状透明PVC片通过粘接形成的复合结构，所述对电极是由驻极体、铜箔和长条状透明PVC片依次粘接形成的复合结构；所述底电极和对电极粘附于两个所述涡卷弹簧的绝缘层，其长条状透明PVC一侧粘附于绝缘层上，同时保证所述底电极的铜箔与对电极的驻极体薄膜相对设置，即分别位于双螺旋面的内、外侧；所述底电极和对电极的宽度为30±5mm，以保证具有足够的感应面积，且电极间距离均相同；
所述不倒翁外壳包括顶盖、圆柱筒与底半球，所述圆柱筒的上、下开口端分别通过所述顶盖和底半球封闭，并通过螺纹密封连接；所述顶盖表面开有两个对称的圆形通孔，用以穿过导线；所述不倒翁外壳由聚乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种材料制备而成；所述底部配重设置于底半球内，多个所述双螺旋单元均同轴设置于所述圆柱筒内，其涡卷弹簧外端头均固定于所述圆柱筒内壁；
所述涡卷弹簧外径为d，螺距为P，所述圆柱筒内径为D，各尺寸关系为：
Figure FDA0003092887180000011
2.根据权利要求1所述基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置，其特征在于：所述底部配重是由低碳钢或不锈钢制成的若干钢珠，所述钢珠置于聚乙烯制成的塑料袋中，用于限制其任意移动。
3.根据权利要求1所述基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置，其特征在于：所述双螺旋发电单元的充电方法，是先将对电极放置于陶瓷电热板上加热，再利用高压直流电源对电晕电极输入高压，通过离子注入对驻极体膜进行充电，实现电极电荷的预植入。
4.根据权利要求1所述基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置，其特征在于：所述芯棒是由轴承钢、碳钢或其他密度大于7×103kg/m3的材料制成的圆柱形实体。
5.根据权利要求1所述基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置，其特征在于：3个所述双螺旋发电单元沿轴向均布。
6.根据权利要求1所述基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置，其特征在于：所述内部电路包括若干整流器和若干导线，所述导线用于连接各部件；每个所述双螺旋发电单元均串联一个整流器，每个整流器的正负极依次串联形成总输出正、负极，总输出正、负极分别通过导线穿过所述不倒翁外壳顶盖的通孔与外部进行连接；连接所述总输出正、负极与通孔之间的空隙通过密封材料进行填充。
7.一种由权利要求1所述基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置组成的发电网，其特征在于：多个所述基于双螺旋单元的不倒翁式波浪能发电装置串联或并联组成不倒翁式驻极体发电网络。
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