CN111628673A - 一种多点式纳米摩擦发电单元及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋波浪能发电技术领域，具体涉及一种多点式纳米摩擦发电单元及装置。本发明提供了一种具有可便携、可拆换、可替换、实用性强、补偿浮子输出功率、吸收不规则波浪能的一种多点式纳米摩擦发电单元，其能够为海洋监测、监控及照明设施持续提供电能；多点式纳米摩擦发电单元可安装在震动浮子周围，能够弥补传统振动浮子式发电装置输出功率不稳定的缺点。本发明的多点式纳米摩擦发电单元利用纳米摩擦发电机组自身相对运动以及弹簧相对运动促使纳米摩擦发电机薄膜之间产生摩擦进行波浪能向电能的转换，其适用于收集低频、无规则的波浪能。

Description

一种多点式纳米摩擦发电单元及装置

技术领域

本发明属于海洋波浪能发电技术领域，具体涉及一种多点式纳米摩擦发电单元及装置。

背景技术

纳米材料：纳米级结构材料简称为纳米材料(nBnometermBteriBl)，指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100 个原子紧密排列在一起的尺度。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。利用纳米材料的特性，可以充分利用波浪能中的低频能量。

现有的振动浮子式波浪能发电装置大多数都是体型庞大、适用于高频率海域，一旦海域频率降低，其波浪能发电装置输出功率将会降低，造成整体输出功率的不稳定。在恶劣海况以及夜晚情况下，为防止振动浮子的丢失与损坏，需安装监控与监测设备，所需设备的供电问题仍需解决。

海洋上的各类监测、通讯、照明设备如浮标因位置发散，无法进行电缆供电，因此需要一种发电装置对其独立供电。目前拥有发电装置普遍存在体型过大，结构复杂，密闭性差，无法为小型设备供电。

发明内容

本发明的目的在于提供解决目前波浪能发电装置过大、波浪能发电结构复杂、密封性和稳定性差、无法为振动浮子和浮标等设备的监控、监测装置供电或纳米发电效率低等问题的一种多点式纳米摩擦发电单元。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括箱体和质量块；所述的箱体为中空的三棱柱，在箱体的顶面与底面分别设有上盖板和下盖板，在箱体的内壁上铺设有纳米摩擦发电机薄膜；所述的质量块设置在箱体内部，质量块为三棱柱形状；所述的质量块的顶面通过悬挂弹簧与上盖板连接，质量块的底面通过悬挂弹簧与下盖板连接，质量块的每个侧面分别与一块覆盖薄板连接；所述的覆盖薄板朝向箱体内壁一侧的表面上铺设有纳米摩擦发电机薄膜。

本发明还可以包括：

所述的质量块侧面与覆盖薄板的连接方式为：质量块侧面的四个角分别安装有压簧，压簧另一端垂直连接在对应的覆盖薄板上。

本发明的目的还在于提供一种多点式纳米摩擦发电装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括振动浮子；所述的振动浮子周围安装有固定支架；所述的固定支架中安装有多组三棱柱式纳米摩擦发电装置；所述的三棱柱式纳米摩擦发电装置由4个多点式纳米摩擦发电单元组成；所述的多点式纳米摩擦发电单元包括箱体和质量块；所述的箱体为中空的三棱柱，在箱体的顶面与底面分别设有上盖板和下盖板，在箱体的内壁上铺设有纳米摩擦发电机薄膜；所述的质量块设置在箱体内部，质量块为三棱柱形状；所述的质量块的顶面通过悬挂弹簧与上盖板连接，质量块的底面通过悬挂弹簧与下盖板连接，质量块的每个侧面分别与一块覆盖薄板连接；所述的覆盖薄板朝向箱体内壁一侧的表面上铺设有纳米摩擦发电机薄膜。

本发明还可以包括：

所述的质量块侧面与覆盖薄板的连接方式为：质量块侧面的四个角分别安装有压簧，压簧另一端垂直连接在对应的覆盖薄板上。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种具有可便携、可拆换、可替换、实用性强、补偿浮子输出功率、吸收不规则波浪能的一种多点式纳米摩擦发电单元，其能够为海洋监测、监控及照明设施持续提供电能；多点式纳米摩擦发电单元可安装在震动浮子周围，能够弥补传统振动浮子式发电装置输出功率不稳定的缺点。本发明的多点式纳米摩擦发电单元利用纳米摩擦发电机组自身相对运动以及弹簧相对运动促使纳米摩擦发电机薄膜之间产生摩擦进行波浪能向电能的转换，其适用于收集低频、无规则的波浪能。

附图说明

图1为一种多点式纳米摩擦发电装置的整体结构示意图。

图2为一种多点式纳米摩擦发电单元的剖视图。

图3为一种多点式纳米摩擦发电单元的俯视图。

图4为一种多点式纳米摩擦发电单元的仰视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明设计了一种多点式纳米摩擦发电装置，包括振动浮子、三棱柱式纳米摩擦发电装置。三棱柱式纳米摩擦发电装置主要包括一个内置隔板的三棱柱状箱体、四个插入箱体的实心三棱柱质量体、四组纳米摩擦发电机组。质量体分别插入被隔板分割的箱体空间且可自由滑动，同时在箱体与质量体摩擦部分安装纳米摩擦薄膜。本发明利用波浪的竖直运动，使箱体与质量体之间产生相对运动，将纳米材料之间的摩擦动能转化为电能，再由电能储存装置储存或直接输送给用电器。本发明采用三棱柱状箱体，充分利用装置空间，提高单一装置发电效率；本发明可应用于传统振动浮子输出功率不稳定，远海检测、照明设备无法供电等情形。

一种多点式纳米摩擦发电单元，包括箱体和质量块；所述的箱体为中空的三棱柱，在箱体的顶面与底面分别设有上盖板和下盖板，在箱体的内壁上铺设有纳米摩擦发电机薄膜；所述的质量块设置在箱体内部，质量块为三棱柱形状；所述的质量块的顶面通过悬挂弹簧与上盖板连接，质量块的底面通过悬挂弹簧与下盖板连接，质量块的每个侧面分别与一块覆盖薄板连接；所述的覆盖薄板朝向箱体内壁一侧的表面上铺设有纳米摩擦发电机薄膜。所述的质量块侧面与覆盖薄板的连接方式为：质量块侧面的四个角分别安装有压簧，压簧另一端垂直连接在对应的覆盖薄板上。

一种多点式纳米摩擦发电装置，包括振动浮子；所述的振动浮子周围安装有固定支架；所述的固定支架中安装有多组三棱柱式纳米摩擦发电装置；所述的三棱柱式纳米摩擦发电装置由4个多点式纳米摩擦发电单元组成；所述的多点式纳米摩擦发电单元包括箱体和质量块；所述的箱体为中空的三棱柱，在箱体的顶面与底面分别设有上盖板和下盖板，在箱体的内壁上铺设有纳米摩擦发电机薄膜；所述的质量块设置在箱体内部，质量块为三棱柱形状；所述的质量块的顶面通过悬挂弹簧与上盖板连接，质量块的底面通过悬挂弹簧与下盖板连接，质量块的每个侧面分别与一块覆盖薄板连接；所述的覆盖薄板朝向箱体内壁一侧的表面上铺设有纳米摩擦发电机薄膜。所述的质量块侧面与覆盖薄板的连接方式为：质量块侧面的四个角分别安装有压簧，压簧另一端垂直连接在对应的覆盖薄板上。

实施例1：

一种多点式纳米摩擦发电单元，包括三棱柱状箱体、上下盖板、悬挂弹簧、质量体、纳米摩擦发电机组。质量体在箱体内部作单自由度运动，产生与箱体间的相对运动，带动纳米摩擦发电机组发生相对摩擦进行发电。

三棱柱状箱体高0.5米，底边边长为0.12米；箱体中空，且内部被隔板分成四个相同的三棱柱状空间。盖板为正三角形，面积稍大于箱体两端横截面积；悬挂弹簧是连接质量体和盖板的媒介。质量体由质量块、压簧、覆盖薄板组成；质量块是实心三棱柱状质量块，质量块高0.15米，底边边长0.05米；三棱柱状质量块三面四角均焊有四个压簧，压簧上再焊有覆盖薄板。压簧直径0.01米、高0.005米；覆盖薄板是大小与与质量块侧面形状相同的薄板；压簧一端焊接质量块、一端焊接薄板，是连接质量块与薄板的媒介。质量体置于三棱柱箱体内部，并用上下盖板密封，悬挂弹簧将质量块和盖板相连。三棱柱悬状箱体摩擦部分长度约为0.4米。当质量块与箱体间产生相对运动，使纳米摩擦发电薄膜发生相对运动。

纳米摩擦发电机机组是以箱体与质量块为载体的纳米摩擦发电机薄膜组成。纳米摩擦发电机薄膜分别覆盖薄板与箱体内表面。纳米摩擦发电机薄膜由圆型薄片焊接在薄板等载体上面。箱体、盖板、薄板均采用6061铝制作而成；压簧与悬挂弹簧均是不锈钢制作而成。箱体与盖板之间采用螺钉连接，中间夹有密封圈；所述悬挂弹簧与质量体、盖板均采用焊接；所述压簧与质量块、薄板间均采用焊接；所述纳米摩擦薄膜是由圆形薄片焊接而成。箱体表面和盖板表面均涂有防锈漆。

本发明的多点式纳米摩擦发电装置具有可便携、可拆换、可替换、实用性强、补偿浮子输出功率、吸收不规则波浪能等优点，有效的利用了装置水平面面积，有效提高发电效率。若干发电单元的存在，可输出较为稳定的电流。覆盖薄板与三棱柱质量块之间由四个压簧连接，压簧一端与棱柱面定点焊接，一端与覆盖薄板定点进行焊接，一个三棱柱质量块需要安装三块覆盖薄板，并用纳米摩擦发电机薄膜将覆盖薄板完全覆盖。三棱柱质量块上、下两端面与上下盖板均通过悬挂弹簧连接，弹簧与盖板、端面均通过焊接连接；上下盖板为正三角形，其面积要大于中空三棱柱上端横截面积，以保证装置的密封性。盖板与箱体间采用螺钉连接，并用密封圈进行密封。三棱柱箱体、盖板、薄板均采用6061铝，其具有优良的接口特征、容易涂层、强度高、可使用性好，抗腐蚀性强，适用于制作船舶配件。本发明具有轻便、可拆换、可替换、结构简单、安装方便、维修成本低、实用性强的特点，能够为振动浮子的输出功率进行补充并为远海监测、通讯、照明设备持续提供电能。

悬挂弹簧由不锈钢304制作而成。每个发电单元有四组共八个悬挂弹簧，其主要是连接质量体和盖板，保证质量体的垂向往复运动且减少质量体对箱体和盖板冲击，增加发电单元的使用寿命。

本发明提供了一种具有可便携、可拆换、可替换、实用性强、补偿浮子输出功率、吸收不规则波浪能的一种多点式纳米摩擦发电单元，其能够为海洋监测、监控及照明设施持续提供电能；多点式纳米摩擦发电单元可安装在震动浮子周围，能够弥补传统振动浮子式发电装置输出功率不稳定的缺点。本发明的多点式纳米摩擦发电单元利用纳米摩擦发电机组自身相对运动以及弹簧相对运动促使纳米摩擦发电机薄膜之间产生摩擦进行波浪能向电能的转换，其适用于收集低频、无规则的波浪能。

本发明的多点式纳米摩擦发电装置采用安装固定支架将三棱柱式纳米摩擦发电装置组合而成一个整体。三棱柱式纳米摩擦发电装置数目可根据所需功率进行增加与减少。

本发明未采用其他纳米摩擦发电装置使用的圆柱形与方形的箱体，而是采用三棱柱状箱体，并将中空箱体通过薄壁分割成四个小型中空三棱柱，利用正三角形的几何特点，增加纳米摩擦发电薄膜的相对摩擦面积，提高对波浪能的转化效率。

本发明将摩擦发电机组安装在箱体的内部，防止纳米摩擦发电机组薄膜与海水接触而被腐蚀，其减少装置维修，延长装置使用寿命。

质量块为三棱柱金属块，可通过调整质量块质量来改变质量体的固有频率。

质量块通过悬挂弹簧与盖板相连接，通过弹簧充分利用波浪中的垂荡运动，增加质量块与箱体的相对运动，使覆盖薄板与箱体内表面的纳米摩擦发电薄膜产生更多的摩擦，提高波浪能转换为电能的效率。

本发明的多点式纳米摩擦发电单元可作为传统振动浮子式波浪能发电装置的附加装置，可在浮子周围安装固定支架，将发电单元安装固定到浮子周围。多点式纳米摩擦发电单元可与振动浮子同步运动，一同对波浪能进行转化。因海洋海况的不稳定性，传统振动浮子式波浪能发电装置的输出功率不稳定，本发明可对其输出功率进行补充，使其输出功率趋于稳定。同时，本发明可为传统振动浮子式波浪能发电装置的监控、检测、照明设备进行供电，实现监测、通讯、照明设备的自供电。使用本发明可摆脱电缆供电，增大海洋监测的范围，更早预知恶劣海况的到来，避免由恶劣海况而引起的装置损坏与财产损失。

如图1所示为一种多点式纳米摩擦发电装置，包括振动浮子A、固定支架B、多点式纳米摩擦发电单元C；所述的多点式纳米摩擦发电单元C主要由箱体1、质量体4、盖板2、悬挂弹簧3、纳米摩擦发电机组组成。箱体高0.5米，底边边长为0.12米，且内部用薄隔板分成四个大小相同的中空三棱柱体，隔板厚0.001米。四个大小相同的中空三棱柱体空间分别插入四个质量体4。质量体由质量块5、压簧6、覆盖薄板7、纳米摩擦薄膜8组成，质量块高0.15米、底边边长为0.05米；压簧高0.005米、直径为0.005米；覆盖薄板长0.15米、宽 0.05米、厚0.0005米；上下盖板均为正三角形6061铝制薄板，其边长稍长于箱体底边边长，将箱体上下完全封闭；悬崖弹簧直径为0.02米，原长为0.18米。

安装固定支架B焊接于振动浮子、需供电设备A的周围，可根据设备形状及周围环境对固定支架形状进行修改。箱体是由6061铝制作而成，形状为中空三棱柱形状，且内部用薄隔板分成四个大小相同的中空三棱柱体，在其内表面上焊接纳米摩擦发电机薄膜8，其侧棱焊接有挂钩9便于将发电单元安装到固定支架。表面涂有防锈漆，起到防腐蚀的作用。质量体由质量块5、压簧6、覆盖薄板7、纳米摩擦发电薄膜8组成，所述质量块5由三棱柱体金属块组成，其上部与下部分别焊接悬挂弹簧3；三棱柱侧面焊接压簧6，压簧焊接覆盖薄板7，覆盖薄板上焊接纳米摩擦发电薄膜8。所述盖板2为正三角形薄板件，其分为上下盖板，均与悬挂弹簧3焊接。与箱体1之间通过螺钉连接，其二者之间安装有密封圈。盖板的作用是对装置起到密封作用，同时减轻重量。所述悬挂弹簧3材料为不锈钢，是连接质量体4和盖板2的部件。利用波浪中的垂荡运动，增加质量体4与箱体1的相对运动，使二者表面的纳米摩擦发电薄膜8产生更多的摩擦，进而提高波浪能转换为电能的效率

具体的工作过程及原理：

固定支架B焊接在振动浮子以及远海监测、通讯、照明等设备的周围，三棱柱式纳米摩擦发电装置安装在固定支架B上。多点式纳米摩擦发电单元箱体1中紧密插入质量体4，质量体4通过焊接悬挂弹簧3与上下盖板2相连。盖板2与悬挂弹簧间3也通过焊接相连。质量体由质量块5、压簧6、覆盖薄板7、纳米摩擦发电薄膜8组成。在质量体4中，通过焊接使质量块5与压簧6相连接、使压簧6与覆盖薄板7相连接、使覆盖薄板7与纳米摩擦发电薄膜8相连接。

在波浪作用下，箱体1随波浪运动而运动，质量体4因惯性维持原来运动状态而与箱体1 产生相对位移，附着在质量体4和箱体1内表面的纳米摩擦发电薄膜8也产生相对摩擦运动，使波浪能向电能转化。悬挂弹簧3可储存一部分波浪能，并对箱体1起保护作用，减少质量体4对箱体1的冲击。悬挂弹簧3使质量体4产生运动，并且其内部质量块5也产生运动，促使在摩擦发电机组外侧箱体1内侧的纳米摩擦发电机组薄膜8之间相互摩擦，这使波浪能转换为电能，并由电储能装置存储。达到既高效又合理利用波浪能的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多点式纳米摩擦发电单元，其特征在于：包括箱体和质量块；所述的箱体为中空的三棱柱，在箱体的顶面与底面分别设有上盖板和下盖板，在箱体的内壁上铺设有纳米摩擦发电机薄膜；所述的质量块设置在箱体内部，质量块为三棱柱形状；所述的质量块的顶面通过悬挂弹簧与上盖板连接，质量块的底面通过悬挂弹簧与下盖板连接，质量块的每个侧面分别与一块覆盖薄板连接；所述的覆盖薄板朝向箱体内壁一侧的表面上铺设有纳米摩擦发电机薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种多点式纳米摩擦发电单元，其特征在于：所述的质量块侧面与覆盖薄板的连接方式为：质量块侧面的四个角分别安装有压簧，压簧另一端垂直连接在对应的覆盖薄板上。

3.一种多点式纳米摩擦发电装置，其特征在于：包括振动浮子；所述的振动浮子周围安装有固定支架；所述的固定支架中安装有多组三棱柱式纳米摩擦发电装置；所述的三棱柱式纳米摩擦发电装置由4个多点式纳米摩擦发电单元组成；所述的多点式纳米摩擦发电单元包括箱体和质量块；所述的箱体为中空的三棱柱，在箱体的顶面与底面分别设有上盖板和下盖板，在箱体的内壁上铺设有纳米摩擦发电机薄膜；所述的质量块设置在箱体内部，质量块为三棱柱形状；所述的质量块的顶面通过悬挂弹簧与上盖板连接，质量块的底面通过悬挂弹簧与下盖板连接，质量块的每个侧面分别与一块覆盖薄板连接；所述的覆盖薄板朝向箱体内壁一侧的表面上铺设有纳米摩擦发电机薄膜。

4.根据权利要求3所述的一种多点式纳米摩擦发电装置，其特征在于：所述的质量块侧面与覆盖薄板的连接方式为：质量块侧面的四个角分别安装有压簧，压簧另一端垂直连接在对应的覆盖薄板上。

Images