CN112855411B - 液体动力纳米发电机 - Google Patents

Abstract

液体动力纳米发电机是应用纳米技术将液体运动时的机械能转换成电能的一种新型发电机，液体动力纳米发电机主要有矩阵和楼状两种类型，其主要有矩阵发电区域或楼架、固定桩、拉杆、电缆线、防护罩、机架、发电单元矩阵块、显示灯和控制系统等组成。本发明是一种利用取之不尽，用之不竭的自然动荡液体资源—水发电，无燃料，无污染、无碳排、清洁环保，成本低廉，安全高效的新型纳米发电机。其结构简单，造价低，效率高，运用广，具有大规模运用前景。

Description

液体动力纳米发电机

技术领域

本发明的目的在于系统的提供一种取之不尽、用之不竭的自然液体动力的机械能转换成电能的新型的发电机，该发电机是一种无燃料，无污染、无碳排、清洁环保，安全可靠，成本低廉，效能倍增的纳米发电机。液体动力纳米发电机由若干具有纳米材料和技术制成的发电单元，发电单元在动荡液体的摩擦、推力、按压或振动作用下，发电单元结构平面发生微量变形导致正负极接触和分开产生电荷。液体动力纳米发电机按结构类型可以分为矩阵式和楼状式两种类型。

背景技术

本发明涉及一种利用液体运动的作用力结合纳米技术进行发电的装置，特别涉及一种以液体运动能量为动力的纳米发电机。目前人类社会现有能源主要有煤炭、石油、天然气、页岩气、可燃冰、潮汐、波涛、海浪、地热、太阳能、风能、水能、生物能、机械能和核能等；随着人类对自然矿物资源不断地的开发，其储量逐年的减少，并有枯竭的的趋势。由于风能和太阳能的不稳定和开发技术的局限，效力低，成本高，结构复杂，难于形成大规模运用。液体动力纳米发电机是利用海水等自然动荡水源产生的能量进行发电，结构简单，造价低，效率高，运用广，具有大规模运用的前景。中国科学院北京纳米研究所公开的摩擦纳米发电机是一种基于摩擦材料的纳米线，纳米薄膜、纳米纤维等单元结构，利用材料自身的压电效应实现了将各种形式的机械能转化为可利用的电能的目的，并未涉及到液体动力纳米发电机的构造方案及其应用。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的

液体动力纳米发电机功能是利用自然界中动荡的液体资源，并将该类自然资源与纳米技术相结合持续不断的发电。液体动力纳米发电机主要由防护罩、机架、发电单元矩阵块、控制系统及供电回路等组成。

防护罩安装在机架的前部、由罩壳和金属丝网制成，主要功能是阻止液体中的漂浮物进入发电机内部，堵塞液体流动空间。

机架是安装发电单元矩阵块的开式箱体，是液体动力纳米发电机主体部件。

发电单元矩阵块安装在机架内部是纳米发电机核心部件；液体动力纳米发电机是由若干发电单元矩阵块、侧边定位板，中间定位板、底板等构成。发电单元矩阵块是由若干发电单元矩阵组成。发电单元矩阵由若干发电单元组成，发电单元是电能产生的基本单位。纳米发电机发电单元是由微米级厚度的高分子薄膜材料和纳米级薄膜及氧化合金电极材料制成。连在一起的两块薄片正负电极板，在液体动荡和振动时的摩擦、按压、推力作用下，使其表面发生机械变形、位移和接触，发电单元运动产生感应电荷分离并形成电势差，输送到外电路形成电流。

发电机发电单元可以分单倍率、双倍率和多倍率。单倍率发电单元为一组产生电荷的正负电极；双倍率发电单元为二组产生电荷的正负电极，它们是复合结构，其产生的电荷将增加一倍；多倍率发电单元为若干组产生电荷的正负电极，其产生的电荷为若干倍。

纳米发电机是由若干发电单元矩阵块构成，发电单元矩阵块是由若干发电单元矩阵组成。纳米发电机发电单元和发电单元矩阵为柔性，将单元矩阵用环氧树脂粘贴在底板的上下两个面上形成矩阵块。然后将底板及矩阵块插入侧边定位板和中间定位板之间，并将矩阵块从上到下依次排列，上下间隔为3毫米左右。

1、矩阵型

该类型主要适用于江河湖海、山川、岛屿，液体动力纳米发电机功能是利用海水、江水、河水、湖水、山泉水等动荡液体的内在能量，将这些自然资源与纳米技术结合，使液体纳米发电机连续不断发电。

矩阵型液体动力纳米发电场主要由固定桩，钢索或型钢、电缆线、发电机、显示灯、控制系统及供电回路和电网组成；它们通常被安装在海水平面负3米以下的动荡的水域深处，安装的深度取决于海平面的年平均浪高，安装深度与浪高成正比，纳米发电机的发电单元是依靠永续不断的动荡液体的动力工作。波浪大安装深度大，投资成本高，波浪小安装深度浅，投资成本小，液体强烈动荡容易破坏或减少发电系统使用寿命。

液体动力纳米发电机固定在钢索或型钢组成的网络节点上，构成立体矩阵，从而形成大型的发电场；大型发电场是由若干发电区域组成，发电区域由若干发电单位区域组成，发电单位区域由若干发电机组成。

固定桩由钢筋混凝土预制而成，下端为锥体便于安装，按间隔等距离留有洞孔或扣环，以便同钢索或型钢连接或串联，同时方便发电机的固定。其长度根据现场的水下的地质地貌以及发电场的规模而定，发电场由若干个网络区域组成，每一个网络单位区域为20m*20m左右，网格的距离要考虑单个发电机排列后，留有一定空间，便于维修人员携带氧气瓶和配件在网格中自由穿梭进行维修和更换，网格上下左右之间距离不小于0.8m*0.8m，纳米发电机通常交错安装。

钢索或型钢通常由不锈钢丝等材料编制而成的绳索或抗腐蚀的金属型钢材料，不仅能确保纳米发电机的安全定位，而且能确保钢索或型钢长期使用而不会造成腐蚀和拉断，钢索或型钢另一功能是作为敷设纳米发电机的电线电缆以及显示灯的定位，单位区域内钢索或型钢与固定柱之间组成立体网络方格矩阵。

电缆线是纳米发电机的能量输出的导线，按层级由若干电线汇聚并入电缆线，再由若干电缆线汇聚并入更粗电缆，电缆和接线盒沿钢索或型钢敷设，电缆的接线盒具有防水和防老化功能，一般采用直插式接头。

纳米发电机外形通常为圆柱体或立方体结构、也可以采用球体，圆柱体和立方体结构简单，制作方便。由于可层叠，发电单元的工作面积大。圆柱体和立方体内的若干发电单元组成矩阵，固定在底板的正反两个面上，形成矩阵块，然后将底板一层一层串并联或插入定位架。球体发电机的发电单元分布在球体表面，其工作面积仅同球体的表面积，制造工艺复杂，占用空间大。

圆柱状纳米发电机主要由发电单元矩阵块、端板、串联螺栓、隔离垫圈等组成。发电单元是由高分子薄膜与纳米级合金材料组成，并构成正负两极，矩形结构。若干发电单元形成矩阵，再将单元矩阵用环氧树脂粘贴在底板的上下两个面上，形成矩阵块。再将若干矩阵块通过6根串联螺栓从上到下依次串联固定，上下间隔为3毫米左右。

显示灯为LED两极发光管，耗能小，光亮强、寿命长，其主要功能是显示单位区域内的发电机工作是否正常，同时多区域的显示灯组成灯光矩阵，以示该区域为禁区，告知不能通行。

控制系统及供电回路是将纳米发电机产生的交流电经过桥式整流和稳压系统按用途转换成直流电或逆变为交流电提供给负载或输送到电网。

2、楼状型

楼状型液体动力纳米发电厂主要由钢结构楼架、纳米发电机、发电系统转换与控制室，电力输送线路及电网等组成。楼状型液体动力纳米发电厂可以建设在海底或水面下，楼架一般为钢结构，与地桩连接固定，大楼分为若干层，每层划分若干区域，每个区域划分为若干单位区域，每个单位区域之间有人工维修保养通道，每个单位区域有若干发电机，每台发电机有若干单元矩阵块，每个单元矩阵块有若干发电单元矩阵，每个单元矩阵有若干发电单元，发电单元的结构、原理、材料、功能等与矩阵式纳米发电机相同。海底楼状式液体动力纳米发电厂结构紧凑，占地面积和空间小，效率高发电量大。发电场和发电厂四周安装防护网，防护网下部与海底接触，上部高出水面，防止大型鱼类进入发电场破坏发电厂的纳米发电机，防护网中部设置若干单向通道让中等鱼类只能从发电场内出去，而不能进入。同时安装显示灯以防止船舶驶入或停靠。

附图说明，通过附图可进一步理解本发明的结构和特点：

图1液体动力方形纳米发电机主视图

图2液体动力方形纳米发电机左视图

图3液体动力方形纳米发电机府视图

图4液体动力纳米发电机A-A剖视图

图5液体动力纳米发电机B-B剖视图

图6液体动力纳米发电机发电单元E放大图

图7液体动力纳米发电机发电单元双倍率E放大图

图8液体动力纳米发电机发电单元多倍率E放大图

图9液体动力球形纳米发电机主视图

图10液体动力柱形纳米发电机主视图

图11液体动力柱形纳米发电机府视图

图12液体动力柱形纳米发电机C-C府视图

图13矩阵型液体动力纳米发电场单位区域主视图

图14矩阵型液体动力纳米发电场单位区域左视图

图15矩阵型液体动力纳米发电场单位区域府视图

图16楼状型液体动力纳米发电厂主视图

图17楼状型液体动力纳米发电厂左视图。

图18液体动力纳米发电机电气原理框图

图19液体动力纳米发电机电气示意图

图中：1、中间定位架；2、方形发电机机架；3、防护罩；4、固定螺栓；5、发电机发电单元；6、侧边定位架；7、底板；8、发电单元集成块；9、球形机架；10、隔离垫片；11、端板；12、串联螺栓；13、钢索及型钢；14、主电缆；15、显示灯；16、发电场；17、电线；18、发电场框架；19、发电厂框架；20、前后栏杆；21、发电厂；22、左右栏杆；23、发电机；24、发电厂、场控制系统(在岸上)。

实施例1：当本发明用于XX岛海水发电场时，矩阵型液体动力纳米发电场16安装在海平面负3m以下，纳米发电场16由若干纳米发电区域组成；每个纳米发电区域由若干纳米发电单位区域组成。纳米发电单位区域为20m×20m×H立体空间矩阵，每个发电单位区域有发电场框架18，该结构由4根钢筋混凝土固定桩和钢索或型钢13等高强度防腐材料连接组成，并于0.8米×0.8米间隔交织形成立体方格网络，液体动力发电机交错固定在立体网络各节点上，发电机的电缆电线17、主电缆14、接线盒、显示灯15固定和敷设在钢索及型钢13上；每个发电单位区域安装4个显示灯15，见图13、图14、图15。发电场16液体纳米发电机发电单元矩阵块8采用柱状结构类型，其体积尺寸为

纳米发电机由发电单元5组成单元矩阵，固定在底板7的正反两个面上，底板7上边缘设置6个孔，用上层、下层和中间层3块端板11和用6根串联螺栓12将底板或发电单元矩阵块8按3mm左右间隔一层一层串联起来，每层之间用隔离垫片10并加于隔开和固定，见图10、图11、图12。由于海水的动荡，使得液体动力纳米发电机的发电单元5工作面受到挤压变形，正负极反复接触和断开中产生静电感应电荷，发电机的发电单元5为多倍率，见图8。由无限个发电单元电流的聚合，经控制系统进行转换成交流电输送给国家电网或用电设备，见图18、图19。

实施例5：当本发明用于XX某岛时，楼状型液体动力纳米发电厂21体积为60m×15m×50m(具体尺寸视现场确定)，其设定在岛外附近的海水以下，大楼与固定桩连接并固定。利用动荡的海水进行发电；楼状型液体动力纳米发电厂的框架19为型钢结构，框架正面有走廊，走廊有栏杆，大楼框架19有17层，大楼每层框架四周有栏杆，见图16、图17。每层楼内划分若干发电区域，发电区域再划分若干发电单位区域，单位区域安装若干液体动力纳米发电机。纳米发电机有若干发电单元矩阵块，每个发电单元矩阵块包含若干发电机的发电单元矩阵。每个发电单元矩阵由若干发电机的发电单元组成。发电机的发电单元5为双倍率，见图7。发电单元5的结构、原理、材料、功能与矩阵式纳米发电机的结构相同。发电厂的控制系统24安装岛上，发电厂21产生的电能通过地下电缆输送到岛内负载或国家电网。

发电场四周安装防护网，防护网下部与海底接触，上部高出水面，防止大型鱼类进入发电场破坏发电场的纳米发电机。防护网中部设置若干单向通道(或门)让中等鱼类只能从发电场内出去，而不能进入。

Claims (3)

1.一种液体动力纳米发电机,是应用纳米技术将动荡的液体的机械能转换成电能，将发电单元的微量电荷转换成大功率能源, 其主要由防护罩(3)、机架(2)、发电单元矩阵块(8)、电气控制系统组成, 动荡的液体进入发电机后，液体的作用力导致纳米发电机发电单元(5)产生轻微的摩擦、推挤、按压或振动，使发电单元(5)工作表面发生变形、位移；纳米发电机发电单元(5)是由微米级厚度的高分子薄膜材料和纳米级薄膜及氧化合金电极材料制成，若干发电单元(5)组成发电单元矩阵，纳米发电机发电单元(5)和发电单元矩阵为柔性，该矩阵用树脂粘贴在底板(7)的上下两个面上形成矩阵块(8)，再将矩阵块(8)插入侧边定位板(6)和中间定位板(1)之间，然后将若干矩阵块(8)从上到下依次排列，上下间隔为3毫米，这样由若干矩阵块(8)构成纳米发电机，多个液体动力纳米发电机（23）可以构成固定矩阵型液体动力纳米发电场（16）或楼状型液体动力纳米发电厂（21）；

1）矩阵型液体动力纳米发电机(23)，矩阵型液体动力纳米发电机(23)用于大海、江河、湖泊水资源丰富的地方的固定矩阵型发电场(16)，主要由发电场框架(18)，钢索或型钢(13)、电缆电线(17)、发电单元矩阵块(8)、显示灯(15)、仪表、控制系统及工作回路和电网组成；其特征在于液体动力纳米发电机(23)通常被安装在海水平面负3米以下动荡的水域深处，液体动力纳米发电机(23)，被固定在固定桩和钢索或型钢组成的立体矩阵的网络节点上，从而形成大型的固定矩阵型发电场(16)，大型固定矩阵型定发电场是由若干发电区域组成，发电区域由若干发电单位区域组成，发电单位区域由若干发电机(23)组成；固定桩由钢筋混凝土预制而成，下端为锥体便于安装，按间隔等距离留有洞孔或扣环，以便同钢索或型钢连接或串联，同时方便发电机(23)的固定，其长度根据现场水下的地质地貌以及发电场的规模而定，发电场单位区域的网格上下左右之间距离不小于0.8m*0.8m，液体动力纳米发电机(23)一般交错安装，钢索通常由不锈钢丝编制而成的钢索及型钢，不仅要确保纳米发电机的安全定位，而且要确保固定矩阵型液体动力纳米发电场系统整体结构钢索及型钢(13)长期使用而不会造成腐蚀和拉断, 钢索或型钢另一功能是作为敷设纳米发电机的电缆电线(17)、主电缆线(14)以及显示灯的敷设基础，单位区域内钢索及型钢(13)与固定柱之间组成立体网络方格，主电缆线(14)是纳米发电机的能量输出的导线，按层级由若干电线(17)汇聚并入主电缆线(14)，再由主电缆线(14))汇聚并入更粗电线电缆和接线盒沿钢索及型钢(13)敷设；纳米发电机外形通常为柱体或方体结构、也可采用球体；柱体或方体内的发电机发电单元(5)组成发电单元矩阵，发电单元是由微米级厚度的高分子薄膜材料和纳米级薄膜及氧化合金电极材料制成，并构成正负两个电极；发电单元矩阵用树脂粘贴在底板的上下两个面上形成矩阵块(8)，再将矩阵块(8)插入侧边定位架(6)和中间定位架(1)之间，最后将若干矩阵块(8)从上到下依次排列，上下间隔为3毫米，以此构成液体纳米发电机(23)，显示灯(15)为LED发光两极管，其主要功能是显示单位区域内的发电机工作是否正常，同时多区域的显示灯(15)组成灯光矩阵，以示该区域为禁区，告知不能通行, 控制系统及供电回路是将纳米发电机产生的交流电经过桥式整流、稳压和逆变系统转换成交流电，输送到电网；

2）楼状型液体动力纳米发电机，楼状型液体动力纳米发电机用于海底楼状型发电厂(21)，适用于江河湖海水资源丰富的地方，主要由楼状式框架(19)、固定桩、发电单元矩阵块(8)、发电系统转换与控制室，电力输送线路及电网组成, 其特征在于楼状式液体动力纳米发电厂的大楼框架(19)—般为钢结构与固定桩连接固定，大楼框架（19）正面有走廊，走廊有栏杆(20)，大楼框架四周无墙体有栏杆(22)，固定桩为钢筋混凝土结构，尺寸为600*600*H，下部为锥形结构便于打桩，大楼分为若干层，每层划分若干区域，每个区域划分为若干单位区域，每个单位区域之间有人工维修保养通道，每个单位区域有若干台发电机(23)，发电单元的结构、材料、功能、安装方式与矩阵型液体动力纳米发电机相同，楼状型液体动力纳米发电厂(21)体积为60m×15m×50m具体尺寸视现场确定，其设定在岛外附近的海平面以下，利用动荡的海水进行发电，发电厂(21)的控制系统安装岛上或水面上，发电厂产生的电能通过地下电缆输送到负载或电网。

2.根据权利要求1所述的液体动力纳米发电机，发电单元(5)分单倍率、双倍率和多倍率；单倍率发电单元(5)为一组产生电荷的正负电极；双倍率发电单元(5)为二组产生电荷的正负电极，其产生的电荷量将增加一倍；多倍率发电单元(5)为若干组产生电荷的正负电极，其产生的电荷量为若干倍。

3.根据权利要求1所述的液体动力纳米发电机 ，大型固定矩阵型液体动力发电场(16)或楼状型液体动力纳米发电厂(21)四周安装防护网，其特征在于防护网下部与海底接触，上部高出水面，防止大型鱼类进入发电场(16)或厂(21)，破坏发电场(16)或发电厂(21)的纳米发电机(23)，防护网中部设置若干单向通道或门，让中等鱼类只能从发电场内出去，而不能进入，发电场或厂的水面安装LED指示灯(15)。

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