CN111475902B - 一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化方法，包括：S1，建立摩擦纳米发电机集的多种连接电路；S2，建立连接电路的等效电路图；S3，根据等效电路图计算所述摩擦纳米发电机的连接电路的特征参数随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系；S4，根据变化关系对连接电路进行优化。另外，提供了一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化装置。
Description
技术领域
本公开涉及摩擦电海洋能俘获领域，尤其涉及一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化方法基装置。
背景技术
随着人类社会的快速发展，化石燃料等不可再生能源正在枯竭，并且化石燃料的大量燃烧严重破坏我们的生存环境，人类未来将面临前所未有的生存危机，开发绿色可再生能源刻不容缓。海洋覆盖了地球表面约70％的面积，蕴藏着丰富的能量。海浪能具有巨大的开发和应用潜力，但由于传统能量采集装置结构复杂、能量转换效率低、维护成本高等各种缺陷，无法有效地获取海浪能。因此，需要新能源收集技术有效地回收海浪的能量。基于接触带电和静电感应的摩擦纳米发电机可以回收部分海浪能量。摩擦纳米发电机具有诸多优良性能，如结构简单，能量转换效率高以及制造成本低等优点，摩擦纳米发电机在微/纳米能源、自供电的传感器、高压电源和大规模的蓝色能量等应用领域取得了显著成就，尤其是在获取低频，不规则和多向水波能源方面。为了进一步提高纳米发电机收集水波能量的效率，研究人员对新型摩擦纳米发电机做了大量的工作。然而，为了大规模的水波能量收集，摩擦纳米发电机网络的组网策略仍有待研究，特别是电缆电阻和各个摩擦纳米发电机单元输出的相位异步的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化方法及装置，至少解决以上技术问题。
(二)技术方案
一方面，本公开提供了一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化方法，包括：S1，建立摩擦纳米发电机集的多种连接电路；S2，建立所述连接电路的等效电路图；S3，根据所述等效电路图分别计算所述摩擦纳米发电机的连接电路的特征参数随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系；S4，根据所述变化关系对所述连接电路进行优化。
可选地，特征参数至少包括：最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率。
可选地，最佳匹配内阻Ropt的计算公式为：
其中，Z·，n为摩擦纳米发电机集的内阻抗，R·，n为导线电阻，X·，n为摩擦纳米发电机集的电容性阻抗；
最大平均功率Pmax的计算公式为：
其中，U·为连接电路的有效开路电压；
保留效率α的计算公式为：
其中，n为摩擦纳米发电机的数量。
可选地，步骤S4具体包括：S41、绘制所述最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系曲线；S42、获取所述变化关系曲线中最佳匹配内阻最小、和/或平均功率最大和/或保留效率最大所对应的摩擦纳米发电机的数量；S43、获得不同连接电路的最优摩擦纳米发电机的匹配数量；S44、根据所述连接电路匹配数量优化所述连接电路。
可选地，步骤S44具体包括：将连接电路中的摩擦纳米发电机分成至少一份，其中，每份中的摩擦纳米发电机的数量为匹配数量，将每份中的摩擦纳米发电机连接，并将至少一份摩擦纳米发电机连接。
可选地，将每份中的摩擦纳米发电机连接具体为：将每份中的摩擦纳米发电机按预设规则组成摩擦纳米发电机阵列，将摩擦纳米发电机阵列中的摩擦纳米发电机连接，预设规则至少包括预设行数和预设列数。
可选地，每一摩擦纳米发电机均包括两电极即第一电极1021和第二电极1022，将摩擦纳米发电机阵列中的摩擦纳米发电机连接具体为：将摩擦纳米发电机阵列中每行/列中的第一电极1021连接至一行/列总电极，将每行/列中的第二电极1022连接至一行/列总电极，将多个第一电极1021连接的行/列总电极相互连接，将多个第二电极1022连接的行/列总电极相互连接；或者，将摩擦纳米发电机阵列中的每一摩擦纳米发电机的第一电极1021均连接至一第一总电极，将第二电极1022均连接至一第二总电极。
可选地，当每份中的摩擦纳米发电机连接方式为将摩擦纳米发电机阵列中每行/列中的第一电极1021连接至一行/列总电极，将每行/列中的第二电极1022连接至一行/列总电极，将多个第一电极1021连接的行/列总电极相互连接，将多个第二电极1022连接的行/列总电极相互连接时，将至少一份摩擦纳米发电机连接具体为：将每一摩擦纳米发电机阵列中的第一电极1021的一行/列总电极连接至一总电极；将每一摩擦纳米发电机阵列中的第二电极1022的一行/列总电极连接至另一总电极。
可选地，当将摩擦纳米发电机阵列中的每一摩擦纳米发电机的第一电极1021均连接至一第一总电极，将第二电极1022均连接至一第二总电极时，将至少一份摩擦纳米发电机连接具体为：将每一摩擦纳米发电机阵列的第一总电极相互连接，将每一摩擦纳米发电机阵列的第二总电极相互连接。
另一方面，本公开还提供了一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化装置，包括：第一建立模块，用于建立摩擦纳米发电机集的多种连接电路；第二建立模块，用于建立连接电路的等效电路图；计算模块，用于根据等效电路图分别计算多种连接电路的特征参数随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系；优化模块，用于根据变化关系对连接电路进行优化。
(三)有益效果
本公开提供了一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化方法基装置，针对大规模摩擦纳米发电机网络设计几种组网模型；建立各种组网方式等效电路图，将摩擦纳米发电机集中的摩擦纳米发电机分组，通过计算获得最优特征参数下每组中的摩擦纳米发电机中的摩擦纳米发电机的数量，并结合连接电路以对摩擦纳米发电机电路的组网方式进行优化，提高了大规模摩擦纳米发电机网络俘获海洋能的效率，降低了制作成本，为大规模摩擦纳米发电机网络电网的优化设计提供了理论依据。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的优化方法示意图；
图2示意性示出了本公开实施例的球型摩擦纳米发电机的结构示意图；
图3A示意性示出了根据本公开第二实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路示意图；
图3B示意性示出了根据本公开第二实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图；
图3C示意性示出了根据本公开第二实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图基于戴维宁定理的简化电路图；
图3D示意性示出了根据本公开第二实施例的摩擦纳米发电机集连接电路的输出最大平均功率、匹配电阻以及保留效率随着电路中摩擦纳米发电机数量的变化关系；
图4A示意性示出了根据本公开第三实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路示意图；
图4B示意性示出了根据本公开第三实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图；
图4C示意性示出了根据本公开第三实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图基于戴维宁定理的简化电路图；
图4D示意性示出了根据本公开第三实施例的摩擦纳米发电机集连接电路的输出最大平均功率、匹配电阻以及保留效率随着电路中摩擦纳米发电机阵列数量的变化关系；
图5A示意性示出了根据本公开第四实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路示意图；
图5B示意性示出了根据本公开第四实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图；
图5C示意性示出了根据本公开第四实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图基于戴维宁定理的简化电路图；
图5D示意性示出了根据本公开第四实施例的摩擦纳米发电机集连接电路的输出最大平均功率、匹配电阻以及保留效率随着电路中摩擦纳米发电机数量的变化关系；
图6A示意性示出了根据本公开第五实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路示意图；
图6B示意性示出了根据本公开第五实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图；
图6C示意性示出了根据本公开第五实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图基于戴维宁定理的简化电路图；
图6D示意性示出了根据本公开第五实施例的摩擦纳米发电机集连接电路的输出最大平均功率、匹配电阻以及保留效率随着电路中摩擦纳米发电机阵列数量的变化关系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
第一实施例
一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化方法及装置，如图1所示，包括：
S1，建立摩擦纳米发电机集的多种连接电路；
S2，建立连接电路的等效电路图；
S3，根据等效电路图计算所述球型摩擦纳米发电机的连接电路的特征参数随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系；特征参数至少包括：最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率。
最佳匹配内阻Ropt的计算公式为：
其中，Z·，n为摩擦纳米发电机集的内阻抗，R·，n为导线电阻，X·，n为摩擦纳米发电机集的电容性阻抗；
最大平均功率Pmax的计算公式为：
其中，U·为连接电路的有效开路电压；
保留效率α的计算公式为：
其中，n为球型摩擦纳米发电机的数量。
S4，根据变化关系对所述连接电路进行优化。
步骤S4具体包括：
S41、绘制最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系曲线；
S42、获取变化关系曲线中最佳匹配内阻最小、和/或平均功率最大和/或保留效率最大所对应的摩擦纳米发电机的数量；
S43、获得不同连接电路的最优摩擦纳米发电机的匹配数量；
S44、根据连接电路匹配数量优化连接电路。步骤S44具体包括：
将连接电路中的摩擦纳米发电机分成至少一份，其中，每份中的摩擦纳米发电机的数量为匹配数量，将每份中的摩擦纳米发电机连接，并将至少一份摩擦纳米发电机连接。
本公开实施例中的以球型摩擦纳米发电机为例，如图2所示，该球型摩擦纳米发电机可以包括绝缘外壳101、金属电极102以及绝缘球103，其中：绝缘外壳101，其材料可以为塑料等较轻的材料，以具有较小的惯性，使得可以在较小的力的作用下晃动；金属电极102，包括第一电极1021以及第二电极1022，第一电极1021以及第二电极1022相隔设于绝缘外壳101内壁上，第一电极1021和第二电极1022可以紧贴粘在绝缘外壳101的内壁上；绝缘球103，密封与绝缘外壳101内部，在绝缘外壳101内部滚动与金属电极102摩擦产生电能，例如，当该球型摩擦纳米发电机放于海面上时，绝缘外壳101受到水面波浪的激励，绝缘球103在塑料外壳101内部来回滚动，基于摩擦起电和静电感应原理，该球型摩擦纳米发电机可以将水面波浪能转化为电能，基于此将大量的球型摩擦纳米发电机组组成网络可以实现对大规模海洋能的收集。
上述步骤S44中将每份中的摩擦纳米发电机连接可以为：将每份中的摩擦纳米发电机按预设规则组成摩擦纳米发电机阵列，将摩擦纳米发电机阵列中的摩擦纳米发电机连接，预设规则至少包括预设行数和预设列数。
将摩擦纳米发电机阵列中的摩擦纳米发电机连接具体为：如图3A所示，将摩擦纳米发电机阵列中每行/列中的第一电极1021连接至一行/列总电极，将每行/列中的第二电极1022连接至一行/列总电极，将多个第一电极1021连接的行/列总电极相互连接，将多个第二电极1022连接的行/列总电极相互连接，行/列总电极相互连接可以参照最短路径连接方式；或者，如图5A所示，将摩擦纳米发电机阵列中的每一摩擦纳米发电机的第一电极1021均连接至一第一总电极，将第二电极1022均连接至一第二总电极。
当每份中的摩擦纳米发电机连接方式为将摩擦纳米发电机阵列中每行/列中的第一电极1021连接至一行/列总电极，将每行/列中的第二电极1022连接至一行/列总电极，将多个第一电极1021连接的行/列总电极相互连接，将多个第二电极1022连接的行/列总电极相互连接时，将至少一份摩擦纳米发电机连接，如图4A所示，具体为：将每一摩擦纳米发电机阵列中的第一电极1021的一行/列总电极连接至一总电极；将每一摩擦纳米发电机阵列中的第二电极1022的一行/列总电极连接至另一总电极。
当将摩擦纳米发电机阵列中的每一摩擦纳米发电机的第一电极1021均连接至一第一总电极，将第二电极1022均连接至一第二总电极时，将至少一份摩擦纳米发电机连接，如图6A所示，具体为：将每一摩擦纳米发电机阵列的第一总电极相互连接，将每一摩擦纳米发电机阵列的第二总电极相互连接。
下面将以具体的实施例对上述连接方式结合本申请中的优化方法进行详细介绍。
第二实施例
基于上述的球型摩擦纳米发电机，在下面一实施例中详细介绍了多个该球型摩擦纳米发电机的连接电路，如图3A所示为第二实施例中球型摩擦纳米发电机集的连接电路。多个该球型摩擦纳米发电机组成摩擦纳米发电机集，该摩擦纳米发电机集中的摩擦纳米发电机按一定规则排列组成摩擦纳米发电机阵列。
图3A示意性示出了根据本公开第二实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路示意图。
如图3A所示，多个球型摩擦纳米发电机组成球型摩擦纳米发电机阵列，球型摩擦纳米发电机阵列中球型摩擦纳米发电机的第一电极1021相互连接，球型摩擦纳米发电机的第二电极1022相互连接。将摩擦纳米发电机阵列中每行中的第一电极1021连接至一行总电极，将每行中的第二电极1022连接至一行总电极，将多个第一电极1021连接的行总电极相互连接，将多个第二电极1022连接的行总电极相互连接。或者，将摩擦纳米发电机阵列中每列中的第一电极1021连接至一列总电极，将每列中的第二电极1022连接至一列总电极，将多个第一电极1021连接的列总电极相互连接，将多个第二电极1022连接的列总电极相互连接。相互连接时优选为按最短路径连接。
此时，相邻两个球型纳米发电机通过导线连接，连接相邻两个摩擦纳米发电机所用导线的电阻设为Ra，因此其阻值可以表示为：
其中，S和ρ分别表示为导线的横截面积和电阻率，la为所用导线的长度。
图3B示意性示出了根据本公开第二实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图。其中，C为球型摩擦纳米发电机的等效电容，Voc为球型摩擦纳米发电机的电压，RL为球型摩擦纳米发电机阵列的外接电阻，Za，n为摩擦纳米发电机阵列的内阻抗，Va，n为摩擦纳米发电机阵列的等效电压。
图3C示意性示出了根据本公开第二实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图基于戴维宁定理的简化电路图。
在本实施例中各摩擦纳米发电机均并联，因此该摩擦纳米发电机阵列的输出开路电压可以表示为：
Va，n＝VOC
其中，n为摩擦纳米发电机阵列中摩擦纳米发电机的数量。
本实施例中摩擦纳米发电机阵列的有效开路电压Ua可以表示为：
其中，T为水波的激励周期。
本实施例中摩擦纳米发电机阵列的内阻抗Za，n可以表示为：
Za，n＝Ra，n+jXa，n
其中，Ra，n为摩擦纳米发电机阵列的导线电阻，j为虚数单位，Xa，n为摩擦纳米发电机阵列的电容性阻抗。
由此可以推出，本实施例中摩擦纳米发电机阵列的有效短路电流Ia可以表示为：
进一步可以推出，本实施例中摩擦纳米发电机阵列的有效功率Pa可以表示为：
最佳匹配负载Ropt应该满足以下公式：
由此，可以推出最佳匹配负载可以表示为：
进一步可以得出，本实施例中摩擦纳米发电机阵列的的最大平均功率Pamax可以表示为：
为了准确地表示最佳匹配负载Ropt，通过迭代法计算第一种摩擦纳米发电机阵列的阻抗随阵列中摩擦纳米发电机数量的变化关系：
其中，//为并联符号，其中，ω为交流电的角频率。
为了表征导电电阻和电路连接方式对摩擦纳米发电机阵列输出性能的影响，规定摩擦纳米发电机阵列αa的保留效率为：
其中，P0为单个摩擦纳米发电机的平均功率。
图3D示意性示出了根据本公开第二实施例的摩擦纳米发电机集连接电路的输出最大平均功率、匹配电阻以及保留效率随着电路中摩擦纳米发电机数量的变化关系。制作了球型摩擦纳米发电机并进行实验测试，结果表明当水波激励频率为1.25Hz时，单个摩擦纳米发电机的平均输出功率为4.93×10-5W，其内部电容C为6.40×10-10F。连接相邻两个球型摩擦纳米发电机所需导线为220mm，导线的电阻率为2.20×10-3Ω，导线的横截面积为S＝2mm2。根据以上条件，理论计算结果如图3D所示。随着摩擦纳米发电机阵列电路连接中发电机数量的增加，其最佳匹配阻值Ropt先快速减小，后逐渐趋紧与平稳值662Ω。摩擦纳米发电机阵列的最大平均功率随着摩擦纳米发电机数量增加呈现非单调变化，当摩擦纳米发电机数量为5.74×105时，摩擦纳米发电机阵列输出功率达到最大值为7.6W。摩擦纳米发电机阵列的保留效αa随着发电机数量的增加先快速减小后逐渐趋近于平稳。
第三实施例
基于上述的球型摩擦纳米发电机阵列，在下面一实施例中详细介绍了多个该球型摩擦纳米发电机阵列的连接电路，如图4A所示为第三实施例中球型摩擦纳米发电机集的连接电路。
每一球型摩擦纳米发电机阵列中第一电极1021的行/列总电极相互连接第二电极1022的行/列总电极相互连接，之后第一电极1021的一行总电极连接至一总电极，第二电极1022的一行/列总电极连接至另一总电极。即，第二实施例中采用层次划分的网络拓扑结构，将球型摩擦纳米发电机集划分为多个(如h个)球型摩擦纳米发电机阵列，每个球型摩擦纳米发电机阵列包括多个(m个)球型摩擦纳米发电机，每个球型摩擦纳米发电机阵列的电路连接采用第二实施例所述方案进行电路连接，而后将各球型摩擦纳米发电机阵列的连接至一总电极。
图4A示意性示出了根据本公开第三实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路示意图。
图4B示意性示出了根据本公开第三实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图。其中，Zm为摩擦纳米发电机阵列的内阻，Rc为连接每个球型摩擦纳米发电机阵列的导线电阻，Zc，h为本公开实施例的内阻抗，Vc，h为摩擦纳米发电机集的等效电压。
图4C示意性示出了根据本公开第三实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图基于戴维宁定理的简化电路图。
图4D示意性示出了根据本公开第三实施例的摩擦纳米发电机集连接电路的输出最大平均功率、匹配电阻以及保留效率随着电路中摩擦纳米发电机阵列数量的变化关系。如图3D所示，针对1km2海域上的摩擦纳米发电机，采用第三实施例中电路连接方式进行组网，设定相邻两个摩擦纳米发电机之间的间隙为2cm，则1km2海域上可以容纳摩擦纳米发电机的总量K＝8.26×107个，所有第三实施例中电路连接方式的阵列都利用导线连接于网络中心两点，所使用导线长度设为lc，因此用于连接每个阵列的导线电阻Rc可以表示为：
由于所有的摩擦纳米发电机均是并联连接，因此，本公开实施例中的开路电压可以表示为：
Vc，h＝VOC
本公开实施例中有效开路电压可以表示为：
本公开实施例中的内阻抗Zc，h可以表示为：
Zc，h＝Rc，h+jXc，h
因此，本公开实施例所示的连接方式的有效短路电流Ic可以表示为：
最佳匹配负载Ropt应该满足以下公式：
由此，可以推出最佳匹配负载Ropt可以表示为：
进一步可以得出，本实施例中摩擦纳米发电机阵列的最大平均功率Pcmax可以表示为：
为了精确的表示Ropt，本公开实施例的内阻抗Zc，h与摩擦纳米发电机阵列h的关系可以表示为：
本公开实施例中，每个阵列的内阻抗与阵列中摩擦纳米发电机的数量关系可以表示为：
本公开实施例中连接电路的保留效率αc定义为：
若设定本公开实施例的电路连接方式的保留效率稳定在80％，则可以计算出1km2海域的摩擦纳米发电机要划分为1000个阵列，每个阵列包含8.26×104个摩擦纳米发电机。从理论计算结果可以看出随着阵列数量的增加，本公开实施例的电路连接方式的最佳匹配负载迅速减小，最大输出平均功率线性增长，保留效率基本稳定在80％。
第四实施例
基于上述的球型摩擦纳米发电机，在下面一实施例中详细介绍了多个该球型摩擦纳米发电机的连接电路，如图5A所示为第四实施例中球型摩擦纳米发电机集的连接电路。
图5A示意性示出了根据本公开第四实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路示意图。如图5A所示，球型摩擦纳米发电机集中第一电极1021相互连接于一点，球型摩擦纳米发电机阵列中第二电极1022相互连接于一点。
假设导线的长度为lb，n，摩擦纳米发电机集中所有发电机组成y×y阵列，因此，导线电阻Rb，n可以表示为：
图5B示意性示出了根据本公开第四实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图。
图5C示意性示出了根据本公开第四实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图基于戴维宁定理的简化电路图。
在本实施例中各摩擦纳米发电机均并联，因此该摩擦纳米发电机阵列的输出开路电压可以表示为：
Vb，n＝VOC
本实施例中摩擦纳米发电机阵列的有效开路电压Ub可以表示为：
本实施例中摩擦纳米发电机阵列的内阻抗Zb，n可以表示为：
Zb，n＝Rb，n+jXb，n
由此可以推出，本实施例中摩擦纳米发电机阵列的有效短路电流Ib可以表示为：
最佳匹配负载Ropt应该满足以下公式：
由此，可以推出最佳匹配负载可以表示为：
进一步可以得出，本实施例中摩擦纳米发电机阵列的的最大平均功率Pbmax可以表示为：
为了准确地表示最佳匹配负载Ropt，本公开实施例的电路连接方式的内阻抗与摩擦纳米发电机数量的关系可以表示为：
为了表征导电电阻和电路连接方式对摩擦纳米发电机阵列输出性能的影响，规定摩擦纳米发电机阵列αb的保留效率为：
图5D示意性示出了根据本公开第四实施例的摩擦纳米发电机集连接电路的输出最大平均功率、匹配电阻以及保留效率随着电路中摩擦纳米发电机数量的变化关系。如图4D所示，随着摩擦纳米发电机数量的增加，本公开实施例的电路连接方式的最佳匹配阻抗Ropt迅速减小，然而最大平均输出功率线性增长，其保留效率αb基本稳定在100％附近，该理论计算结果表明本公开实施例的电路连接方式中导线电阻几乎不会影响其输出性能，因此本公开实施例的电路连接方式的最大平均输出功率可近似表示为：
Pb＝nP0
第五实施例
基于第四实施例的球型摩擦纳米发电机集，在下面一实施例中详细介绍了多个该球型摩擦纳米发电机集的连接电路，如图6A所示为第五实施例中球型摩擦纳米发电机集的连接电路。
图6A示意性示出了根据本公开第五实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路示意图。如图6A所示，第五实施例中采用层次划分的网络拓扑结构，将球型摩擦纳米发电机集划分为多个(如g个)球型摩擦纳米发电机阵列，每个球型摩擦纳米发电机阵列包括多个(q个)球型摩擦纳米发电机，每个球型摩擦纳米发电机阵列的电路连接采用第四实施例所述方案进行电路连接，而后将各球型摩擦纳米发电机阵列的第一总电极连接，将各球型摩擦纳米发电机阵列的第二总电极连接。相邻两阵列用导线连接，导线的长度设为lg，其阻值可以表示为：
图6B示意性示出了根据本公开第五实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图。
图6C示意性示出了根据本公开第五实施例的球型摩擦纳米发电机集的连接电路的等效电路图基于戴维宁定理的简化电路图。
图6D示意性示出了根据本公开第五实施例的摩擦纳米发电机集连接电路的输出最大平均功率、匹配电阻以及保留效率随着电路中摩擦纳米发电机阵列数量的变化关系。如图6D所示，针对1km2海域上的摩擦纳米发电机，采用第五实施例中电路连接方式进行组网，设定相邻两个摩擦纳米发电机之间的间隙为2cm，则1km2海域上可以容纳摩擦纳米发电机的总量K＝8.26×107个，因为所有的摩擦纳米发电机都是并联在一起，因此其开路电压可以表示为：
Vd，g＝VOC
本公开实施例中有效开路电压可以表示为：
本公开实施例中的内阻抗Zd，h可以表示为：
Zd，g＝Rd，g+jXd，g
因此，本公开实施例所示的连接方式的有效短路电流Id可以表示为：
最佳匹配负载Ropt应该满足以下公式：
由此，可以推出最佳匹配负载Ropt可以表示为：
进一步可以得出，本实施例中摩擦纳米发电机集的的最大平均功率Pdmax可以表示为：
为了精确的表示Ropt，本公开实施例的内阻抗Zd，h与摩擦纳米发电机阵列g的关系可以表示为：
本公开实施例中，每个阵列的内阻抗与阵列中摩擦纳米发电机的数量的关系可以表示为：
本公开实施例中连接电路的保留效率αd定义为：
为了便于评估对比，本公开实施例中摩擦纳米发电机集的电路连接方式划分的阵列数量，以及每个阵列中包含的摩擦纳米发电机数量与第三实施例相同，即g等于1000，q等于8.26×104，根据理论计算结果可知随着摩擦纳米发电机阵列数量的增加，本公开实施例的电路连接方式的最佳匹配内阻呈指数降低，并逐渐接近3.19kΩ，最大平均功率呈非线性变化，当g等于132时，取得最大值0.13kW，保留效率先迅速降低后趋于平稳。
第六实施例
本公开还提供了一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化装置，用于实现上述第一至第五实施例中的方法，装置包括：
第一建立模块，例如可以执行上述步骤S1中的方法，用于建立摩擦纳米发电机集的多种连接电路；
第二建立模块，例如可以执行上述步骤S2中的方法，用于建立连接电路的等效电路图；
计算模块，例如可以执行上述步骤S3中的方法，用于根据等效电路图分别计算多种连接电路的特征参数随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系；
优化模块，例如可以执行上述步骤S4中的方法，用于根据变化关系对连接电路进行优化。
综上所述，本公开提供了一种摩擦纳米发电机集的优化方法及装置，针对大规模摩擦纳米发电机网络设计几种组网模型；建立各种组网方式等效电路图，基于球型摩擦纳米发电机，研究了大规模摩擦纳米发电机连接电路中电缆电阻、以及摩擦纳米发电机单元输出相位异步的影响。对摩擦纳米发电机电路的组网方式进行优化，提高了大规模摩擦纳米发电机网络俘获海洋能的效率，降低了制作成本，为大规模摩擦纳米发电机网络电网的优化设计提供了理论依据。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化方法，包括：
S1，建立摩擦纳米发电机集的多种连接电路；
S2，建立所述连接电路的等效电路图；
S3，根据所述等效电路图分别计算所述多种连接电路的特征参数随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系，其中，所述特征参数至少包括：最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率；
S4，根据所述变化关系对所述连接电路进行优化，包括：S41、绘制所述最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系曲线；S42、获取所述变化关系曲线中最佳匹配内阻最小、和/或平均功率最大和/或保留效率最大所对应的摩擦纳米发电机的数量；S43、获得不同连接电路的最优摩擦纳米发电机的匹配数量；S44、根据所述连接电路匹配数量优化所述连接电路；
其中，所述S44具体包括：将所述连接电路中的摩擦纳米发电机分成至少一份，其中，每份中的摩擦纳米发电机的数量为所述匹配数量，将每份中的摩擦纳米发电机连接，并将所述至少一份摩擦纳米发电机连接；所述将每份中的摩擦纳米发电机连接具体为：将每份中的摩擦纳米发电机按预设规则组成摩擦纳米发电机阵列，将所述摩擦纳米发电机阵列中的摩擦纳米发电机连接，所述预设规则至少包括预设行数和预设列数；每一所述摩擦纳米发电机均包括两电极即第一电极(1021)和第二电极(1022)，所述将所述摩擦纳米发电机阵列中的摩擦纳米发电机连接具体为：将所述摩擦纳米发电机阵列中每行/列中的第一电极(1021)连接至一行/列总电极，将每行/列中的第二电极(1022)连接至一行/列总电极，将多个所述第一电极(1021)连接的行/列总电极相互连接，将多个所述第二电极(1022)连接的行/列总电极相互连接；或者，将所述摩擦纳米发电机阵列中的每一摩擦纳米发电机的第一电极(1021)均连接至一第一总电极，将所述第二电极(1022)均连接至一第二总电极。
2.根据权利要求1所述的优化方法，所述最佳匹配内阻Ropt的计算公式为：
其中，Z·，n为摩擦纳米发电机集的内阻抗，R·，n为导线电阻，X·，n为摩擦纳米发电机集的电容性阻抗；
最大平均功率Pmax的计算公式为：
其中，U·为连接电路的有效开路电压；
保留效率α的计算公式为：
其中，n为摩擦纳米发电机的数量，P0为单个摩擦纳米发电机的平均功率。
3.一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化方法，包括：
S1，建立摩擦纳米发电机集的多种连接电路；
S2，建立所述连接电路的等效电路图；
S3，根据所述等效电路图分别计算所述多种连接电路的特征参数随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系，其中，所述特征参数至少包括：最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率；
S4，根据所述变化关系对所述连接电路进行优化，包括：S41、绘制所述最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系曲线；S42、获取所述变化关系曲线中最佳匹配内阻最小、和/或平均功率最大和/或保留效率最大所对应的摩擦纳米发电机的数量；S43、获得不同连接电路的最优摩擦纳米发电机的匹配数量；S44、根据所述连接电路匹配数量优化所述连接电路；
其中，所述S44具体包括：将所述连接电路中的摩擦纳米发电机分成至少一份，其中，每份中的摩擦纳米发电机的数量为所述匹配数量，将每份中的摩擦纳米发电机连接，并将所述至少一份摩擦纳米发电机连接；所述将每份中的摩擦纳米发电机连接具体为：将每份中的摩擦纳米发电机按预设规则组成摩擦纳米发电机阵列，将所述摩擦纳米发电机阵列中的摩擦纳米发电机连接，所述预设规则至少包括预设行数和预设列数；
每一所述摩擦纳米发电机均包括两电极即第一电极(1021)和第二电极(1022)，当每份中的摩擦纳米发电机连接方式为将所述摩擦纳米发电机阵列中每行/列中的第一电极(1021)连接至一行/列总电极，将每行/列中的第二电极(1022)连接至一行/列总电极，将多个所述第一电极(1021)连接的行/列总电极相互连接，将多个所述第二电极(1022)连接的行/列总电极相互连接时，所述将所述至少一份摩擦纳米发电机连接具体为：
将每一所述摩擦纳米发电机阵列中的第一电极(1021)的一行/列总电极连接至一总电极；将每一所述摩擦纳米发电机阵列中的第二电极(1022)的一行/列总电极连接至另一总电极。
4.根据权利要求3所述的优化方法，所述最佳匹配内阻Ropt的计算公式为：
其中，Z·，n为摩擦纳米发电机集的内阻抗，R·，n为导线电阻，X·，n为摩擦纳米发电机集的电容性阻抗；
最大平均功率Pmax的计算公式为：
其中，U·为连接电路的有效开路电压；
保留效率α的计算公式为：
其中，n为摩擦纳米发电机的数量，P0为单个摩擦纳米发电机的平均功率。
5.一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化方法，包括：
S1，建立摩擦纳米发电机集的多种连接电路；
S2，建立所述连接电路的等效电路图；
S3，根据所述等效电路图分别计算所述多种连接电路的特征参数随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系，其中，所述特征参数至少包括：最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率；
S4，根据所述变化关系对所述连接电路进行优化，包括：S41、绘制所述最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系曲线；S42、获取所述变化关系曲线中最佳匹配内阻最小、和/或平均功率最大和/或保留效率最大所对应的摩擦纳米发电机的数量；S43、获得不同连接电路的最优摩擦纳米发电机的匹配数量；S44、根据所述连接电路匹配数量优化所述连接电路；
其中，所述S44具体包括：将所述连接电路中的摩擦纳米发电机分成至少一份，其中，每份中的摩擦纳米发电机的数量为所述匹配数量，将每份中的摩擦纳米发电机连接，并将所述至少一份摩擦纳米发电机连接；所述将每份中的摩擦纳米发电机连接具体为：将每份中的摩擦纳米发电机按预设规则组成摩擦纳米发电机阵列，将所述摩擦纳米发电机阵列中的摩擦纳米发电机连接，所述预设规则至少包括预设行数和预设列数；
每一所述摩擦纳米发电机均包括两电极即第一电极(1021)和第二电极(1022)，当将所述摩擦纳米发电机阵列中的每一摩擦纳米发电机的第一电极(1021)均连接至一第一总电极，将第二电极(1022)均连接至一第二总电极时，所述将所述至少一份摩擦纳米发电机连接具体为：
将每一摩擦纳米发电机阵列的第一总电极相互连接，将每一摩擦纳米发电机阵列的第二总电极相互连接。
6.根据权利要求5所述的优化方法，所述最佳匹配内阻Ropt的计算公式为：
其中，Z·，n为摩擦纳米发电机集的内阻抗，R·，n为导线电阻，X·，n为摩擦纳米发电机集的电容性阻抗；
最大平均功率Pmax的计算公式为：
其中，U·为连接电路的有效开路电压；
保留效率α的计算公式为：
其中，n为摩擦纳米发电机的数量，P0为单个摩擦纳米发电机的平均功率。
7.一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化装置，包括：
第一建立模块，用于建立摩擦纳米发电机集的多种连接电路；
第二建立模块，用于建立所述连接电路的等效电路图；
计算模块，用于根据所述等效电路图分别计算所述多种连接电路的特征参数随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系，其中，所述特征参数至少包括：最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率；
优化模块，用于根据所述变化关系对所述连接电路进行优化，包括：绘制所述最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系曲线；获取所述变化关系曲线中最佳匹配内阻最小、和/或平均功率最大和/或保留效率最大所对应的摩擦纳米发电机的数量；获得不同连接电路的最优摩擦纳米发电机的匹配数量；根据所述连接电路匹配数量优化所述连接电路；
其中，所述根据所述连接电路匹配数量优化所述连接电路具体包括：将所述连接电路中的摩擦纳米发电机分成至少一份，其中，每份中的摩擦纳米发电机的数量为所述匹配数量，将每份中的摩擦纳米发电机连接，并将所述至少一份摩擦纳米发电机连接；所述将每份中的摩擦纳米发电机连接具体为：将每份中的摩擦纳米发电机按预设规则组成摩擦纳米发电机阵列，将所述摩擦纳米发电机阵列中的摩擦纳米发电机连接，所述预设规则至少包括预设行数和预设列数；每一所述摩擦纳米发电机均包括两电极即第一电极(1021)和第二电极(1022)，所述将所述摩擦纳米发电机阵列中的摩擦纳米发电机连接具体为：将所述摩擦纳米发电机阵列中每行/列中的第一电极(1021)连接至一行/列总电极，将每行/列中的第二电极(1022)连接至一行/列总电极，将多个所述第一电极(1021)连接的行/列总电极相互连接，将多个所述第二电极(1022)连接的行/列总电极相互连接；或者，将所述摩擦纳米发电机阵列中的每一摩擦纳米发电机的第一电极(1021)均连接至一第一总电极，将所述第二电极(1022)均连接至一第二总电极。
8.一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化装置，包括：
第一建立模块，用于建立摩擦纳米发电机集的多种连接电路；
第二建立模块，用于建立所述连接电路的等效电路图；
计算模块，用于根据所述等效电路图分别计算所述多种连接电路的特征参数随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系，其中，所述特征参数至少包括：最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率；
优化模块，用于根据所述变化关系对所述连接电路进行优化，包括：绘制所述最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系曲线；获取所述变化关系曲线中最佳匹配内阻最小、和/或平均功率最大和/或保留效率最大所对应的摩擦纳米发电机的数量；获得不同连接电路的最优摩擦纳米发电机的匹配数量；根据所述连接电路匹配数量优化所述连接电路；
其中，所述根据所述连接电路匹配数量优化所述连接电路具体包括：将所述连接电路中的摩擦纳米发电机分成至少一份，其中，每份中的摩擦纳米发电机的数量为所述匹配数量，将每份中的摩擦纳米发电机连接，并将所述至少一份摩擦纳米发电机连接；所述将每份中的摩擦纳米发电机连接具体为：将每份中的摩擦纳米发电机按预设规则组成摩擦纳米发电机阵列，将所述摩擦纳米发电机阵列中的摩擦纳米发电机连接，所述预设规则至少包括预设行数和预设列数；
每一所述摩擦纳米发电机均包括两电极即第一电极(1021)和第二电极(1022)，当每份中的摩擦纳米发电机连接方式为将所述摩擦纳米发电机阵列中每行/列中的第一电极(1021)连接至一行/列总电极，将每行/列中的第二电极(1022)连接至一行/列总电极，将多个所述第一电极(1021)连接的行/列总电极相互连接，将多个所述第二电极(1022)连接的行/列总电极相互连接时，所述将所述至少一份摩擦纳米发电机连接具体为：
将每一所述摩擦纳米发电机阵列中的第一电极(1021)的一行/列总电极连接至一总电极；将每一所述摩擦纳米发电机阵列中的第二电极(1022)的一行/列总电极连接至另一总电极。
9.一种摩擦纳米发电机集的连接电路的优化装置，包括：
第一建立模块，用于建立摩擦纳米发电机集的多种连接电路；
第二建立模块，用于建立所述连接电路的等效电路图；
计算模块，用于根据所述等效电路图分别计算所述多种连接电路的特征参数随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系，其中，所述特征参数至少包括：最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率；
优化模块，用于根据所述变化关系对所述连接电路进行优化，包括：绘制所述最佳匹配内阻、平均功率以及保留效率随着连接电路内摩擦纳米发电机数量的变化关系曲线；获取所述变化关系曲线中最佳匹配内阻最小、和/或平均功率最大和/或保留效率最大所对应的摩擦纳米发电机的数量；获得不同连接电路的最优摩擦纳米发电机的匹配数量；根据所述连接电路匹配数量优化所述连接电路；
其中，所述根据所述连接电路匹配数量优化所述连接电路具体包括：将所述连接电路中的摩擦纳米发电机分成至少一份，其中，每份中的摩擦纳米发电机的数量为所述匹配数量，将每份中的摩擦纳米发电机连接，并将所述至少一份摩擦纳米发电机连接；所述将每份中的摩擦纳米发电机连接具体为：将每份中的摩擦纳米发电机按预设规则组成摩擦纳米发电机阵列，将所述摩擦纳米发电机阵列中的摩擦纳米发电机连接，所述预设规则至少包括预设行数和预设列数；
每一所述摩擦纳米发电机均包括两电极即第一电极(1021)和第二电极(1022)，当将所述摩擦纳米发电机阵列中的每一摩擦纳米发电机的第一电极(1021)均连接至一第一总电极，将所述第二电极(1022)均连接至一第二总电极时，所述将所述至少一份摩擦纳米发电机连接具体为：
将每一摩擦纳米发电机阵列的第一总电极相互连接，将每一摩擦纳米发电机阵列的第二总电极相互连接。
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