CN113381637B - 一种洋流发电设备的叶片、叶轮及其辅助发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力装备领域，特别是一种洋流发电设备的叶片、叶轮及其辅助发电装置。叶片的基板中安装有多个球形纳米发电单元，该球形纳米发电单元包括：外球壳、内球壳、起电轨道、起电小球以及第一电极对。外球壳和内球壳为绝缘体壳；内球壳位于外球壳的内腔中，内球壳和外球壳之间含有空隙。内球壳和外球壳的接触面上设置摩擦纹。起电轨道位于内球壳的内腔中，各个子轨道沿其中任意一个子轨道中点呈圆周阵列排布；各个子轨道的滑槽中设置有第一起电层和第二起电层。起电小球位于起电轨道内；起电小球与第一起电层和第二起电层接触并相对摩擦时带有不同极性的电荷。解决传统洋流发电设备不能获取微型、低速洋流和方向多变的洋流中能量的缺陷。

Description

一种洋流发电设备的叶片、叶轮及其辅助发电装置

技术领域

本发明涉及电力装备领域，特别是一种洋流发电设备的叶片、叶轮及其辅助发电装置。

背景技术

海水受到地外星体引力和太阳的作用会沿着一定方向有规律的具有相对稳定速度地水平流动，这种运动形式称为洋流。洋流是从一个海区水平或垂直地向另一个海区大规模的非周期性的运动，是海水的主要运动形式。洋流中蕴含着巨大的能量是一种有待开发的新型可再生能源。目前已经有很多利用洋流进行发电的设备，传统的洋流发电设备包括主要利用洋流驱动叶轮转动，通过连接叶轮的发电机组进行切割磁感应线发电，这种传统的发电设备与常规的水力发电机组的工作模式类似。

传统的洋流发电能够有效利用洋流运动过程中产生的机械能，但是洋流具有非周期性和时间分布不均的特点。在某些时期，洋流中蕴含的能量并不足以推动叶轮进行持续性转动，这会导致洋流发电设备的功率显著降低。同时，传统的洋流发电设备几乎无法对低速洋流或水流波动等微型海水运动中蕴含的能量进行利用和转化，对不同方向的摇摆波浪蕴含的机械能无法进行收集，这也大大限制了传统洋流发电设备的使用场景。

发明内容

为了解决传统洋流发电设备不能获取微型、低速洋流中能量，对不同方向的摇摆波浪的能量无法收集的缺陷，本发明提供一种洋流发电设备的叶片、叶轮及其辅助发电装置。

本发明采用以下技术方案实现：

一种洋流发电设备的叶片，包括基板；基板中安装有多个球形纳米发电单元，该球形纳米发电单元包括：外球壳、内球壳、起电轨道、起电小球以及第一电极对。

外球壳为绝缘体壳；外球壳的壳壁上设置第一通孔。外球壳的内壁上设置摩擦纹。

内球壳为绝缘体壳；内球壳位于外球壳的内腔中，内球壳的外壁和外球壳的内壁之间含有空隙。内球壳的壳壁上设置第二通孔；内球壳的外壁上设置与外球壳的内壁上相匹配的摩擦纹。

起电轨道位于内球壳的内腔中，并与内球壳的内壁固定安装。起电轨道由多个圆弧形的子轨道组合而成；各个子轨道沿其中任意一个子轨道中点呈圆周阵列排布；子轨道中含有圆弧形的滑槽，各个子轨道中的滑槽的重叠部分彼此沟通；各个子轨道的滑槽被分隔为三段，分别为第一段、沟通段和第二段；第一段和第二段位于子轨道的两端且结构完全对称；沟通段即为各个子轨道的重叠部分；各个子轨道的滑槽中，第一段表面设置有第一起电层，第二段表面设置有第二起电层。

起电小球位于起电轨道内；起电小球的直径小于子轨道中滑槽的宽度；起电小球与第一起电层和第二起电层接触并相对摩擦时带有不同极性的电荷。

第一电极对包括两个电极，两个电极的其中一端分别与第一起电层和第二起电层电连接，两个电极的另一端分别与导线电连接，导线沿第一通孔和第二通孔延伸至外球壳之外。

其中，当球形纳米发电单元静止时，起电小球位于起电轨道中各个滑槽的沟通段内；球形纳米发电单元晃动时，起电小球在起电轨道的各个子轨道间穿梭。

本发明中的球形纳米发电单元在使用过程，由于内球壳中设置有起电轨道和起电小球，所以内球壳的下部分质量明显大于上部分，内球壳及其内部的起电轨道和起电小球的组合体的质心位置低于内球壳的球心。这使得内球壳及其内部的起电轨道和起电小球总能相对重力方向保持直立，在叶片安装位置或方向发生变化时也能相对保持位置平衡，进而便于球形纳米发电单元收集不同方向的波浪蕴含的能量。使用这种内外球壳相互套设的结构，不仅使得球形纳米发电单元在安装时无需进行位置调整，可以由内球壳进行位置自适应调节。而且还便于球形纳米发电单元在运行过程中针对波浪的实际运动方向进行位置调整，以达到最佳的能量转化状态，即：使得起电轨道中至少有一个子轨道的延伸方向与当前波浪的运行方向平行。

本发明中的内球壳和外球壳之间设置有摩擦纹，摩擦纹的设置使得叶片在发生转动或摇摆时，内球壳和外球壳之间因为摩擦力的存在而保持相对静止。进而使得内球壳也可以和外球壳一起随着波浪摆动，实现对波浪中蕴含能力进行收集的作用。防止内球壳出现相对地面静止不跟随外球壳摆动的状况。

考虑到波浪的冲击和摇摆的方向具有多样性，本发明设计了具有多个滑动方向的起电轨道，无论波浪的摇摆方向指向那里，本发明的起电小球总能在其中一个子轨道间穿梭，进而完成发电过程，实现对微型波浪中蕴含能量的吸收和转化。

本发明中球形纳米发电单元的发电原理为摩擦起电技术，具体过程如下：波浪在运动过程中会带动球形纳米发电单元晃动，使得起电小球在其中一个子轨道的滑槽中来回穿梭，起电小球运动时，在从沟通段运动至第一段并回到沟通段的过程；起电小球与第一起电层产生摩擦，第一起电层与起电小球间发生电荷转移，使得第一起电层中某种电荷的电荷量增加，从而在第一电极对之间产生电流。当起电小球从沟通段运动至第二段，并重新回到沟通段的过程中，第二起电层和起电小球摩擦并发生电荷转移，使得第二起电层中另外一种极性的电荷量增加，进而在第一电极对之间再次产生电流。当起电小球在起电轨道中重复上述运动过程时，第一电极对之间会产生周期性的交变电流，实现波浪能的收集和转化。

进一步地，起电小球包括金属球芯和起电膜；起电膜包覆在金属球芯的外层；起电膜材料的电子束缚能力介于第一起电层材料和第二起电层材料的电子束缚能力之间。在起电小球中使用金属球芯，可以提高小球的质量，从而提升起电小球、起电轨道和内球壳的组合体在使用过程中的位置自调节效果。同时起电小球的质量增大后，起电膜与第一起电层或第二起电层之间的接触效果也更加紧密，能够产生更好的摩擦发电效果。

进一步地，基板的正反两面均设置有板形纳米发电单元，板形纳米发电单元在基板表面呈矩形阵列排布。各个板形纳米发电单元均包括第一摩擦片、第二摩擦片、弹性连接件和第二电极对；第一摩擦片和第二摩擦片平行叠放，二者的间隙中安装弹性连接件，弹性连接件用于通过自身伸缩状态的变化实现第一摩擦片和第二摩擦片的远离或靠近；第一摩擦片固定连接在基板表面；第一摩擦片和第二摩擦片中相互靠近的两个表面上分别设置有第三起电层和第四起电层，第三起电层和第四起电层在接触并相互摩擦后带不同极性的电荷；弹性连接件处于自由状态时，第三起电层和第四起电层不接触；弹性连接件处于压缩状态时，第三起电层和第四起电层接触；第二电极对包括两个电极，两个电极分别与第三起电层和第四起电层电连接。

板形纳米发电单元的工作原理为静电感应耦合技术，具体过程如下：当波浪冲击叶片时，弹性连接件会受力压缩，使得第一摩擦片和第二摩擦片中的第三起电层和第四起电层接触，二者接触时存在摩擦并发生电荷转移，进而在第二电极对间产生电流；波浪的冲击作用消失后，弹性连接件复位，第一摩擦片和第二摩擦片脱离接触，第二电极对间的电流消失。波浪在运动时，这种冲击作用不断产生和消失，则在第二电极对间产生周期性的交变电流。

进一步地，第一电极对和第二电极对中，具有相同极性的电极并联。板形纳米发电单元和球形纳米发电单元可以独立安装应用，也可以同时安装应用。在二者同时安装应用时，可以将第一电极对和第二电极对上相同极性的电极并联。

进一步地，起电轨道中各子轨道的滑槽的竖直高度至少大于内球壳的半径长度；且子轨道的滑槽上方设置上盖。考虑到起电小球在起电轨道中的摆动发电过程需要时刻紧贴第一起电层或第二起电层，且相应的起电层长度越长，发电的效果越好，因此本实施例中对子轨道中高度进行限制。同时为了防止起电小球运动过程中中子轨道的滑槽中脱离，本发明为各个子轨道滑槽上方设置了上盖。

进一步地，外球壳的第一通孔处安装导线后通过填充密封材料实现防水密封。本发明提供的洋流发电的叶片通常工作在水下环境内，因此对各个组件的密封防水性能要求较高，本发明的外球壳本身就具有一定的密封防护性能，且外球壳中仅开设了用于供导线贯穿的第一通孔，本发明仅需要通过防水胶黏剂等类似产品对第一通孔处进行粘接固化，即可实现外球壳的密封防护。

进一步地，叶片上还安装有加速摆动装置；加速摆动装置安装在叶片中相对安装侧的另一侧，安装侧指叶片中用于和轮盘固定安装的一侧；加速摆动装置包括管道、挡块、上翻板和下翻板；管道的延伸方向与叶片转动时自由端轨迹形成的圆周方向相切；上翻板可转动连接在管道内壁的顶部；下翻板可转动连接在管道内壁的底部；挡块安装管道中上翻板和下翻板中间的位置；挡块的上下两侧分别设置一个朝向相反的直角型的限位槽，上翻板和下翻板的活动端抵接在限位槽内，挡块中的限位槽使得上翻板和下翻板仅能在从垂直于管道延伸方向到平行于管道延伸方向的90°角度范围内翻转，且上翻板和下翻板的翻转方向相反。

该加速摆动装置的作用在于：使用传统叶片时，当冲击叶片的洋流的流速较小时，叶片可能难以实现较大幅度的转动。但是使用本发明提供的加速摆动装置之后，由于加速摆动装置内的上翻板和下翻板最多只能有一个保持开放，因此使得流过管道内的流体的截面突然减小，进而产生了流体由宽区域向窄区域流进的现象，通过空间由大到小的急剧变换，增大水流的冲击力，使叶片在低流速洋流的情况下也能快速摆动或旋转，增大发电效率。

进一步地，叶片外层还设置防护包膜，叶片和板形纳米发电单元位于防护包膜内部，防护包膜采用不锈钢薄板或铝合金薄板。

本发明在叶片的和板形纳米发电单元的外层设置了防护包膜，进而防止板形纳米发电单元直接暴露在水体中失去功能，本发明采用不锈钢薄板或铝合金薄板即具有较好的密封性能和耐腐蚀性能，还可以具有一定的抗拉伸性能，便于将波浪的冲击力作用传导至内部的板形纳米发电单元中。

进一步地，叶片安装在结构框架内，结构框架包覆在叶片的边缘处；防护包膜与结构框架密封连接。

本发明还包括一种洋流发电设备的叶轮，叶轮包括轮盘，轮盘的外表面按照圆周阵列排布的方式固定连接有多个如前述的洋流发电设备的叶片。

本发明还包括一种洋流发电设备的辅助发电装置，该辅助发电装置采用如前述的叶轮，辅助发电装置还包括环状轨道和集电装置，环状轨道设置在叶轮的外周，并与叶轮的旋转面平行；环状轨道与叶轮上的叶片不接触；集电装置可滑动连接在环状轨道上；集电装置分别与第一电极对、第二电极对电连接，集电装置用于收集球形纳米发电单元和板形纳米发电单元产生的电能，并对产生的电能进行转化和存储。

本发明提供的一种洋流发电设备的叶片、叶轮及其辅助发电装置，具有如下有益效果：

本发明通过对传统洋流发电设备的叶片进行改良，使得发电设备不仅可以利用叶轮的转动和电磁感应效应来有效收集洋流中的机械能，还可以球形纳米发电单元和板形纳米发电单元的摩擦起电和静电感应耦合效应，收集洋流中不足以推动叶轮转动的部分机械能，从而提高发电设备的效率。

最重要的是，本发明中提供的球形纳米发电单元呈特殊的双球壳结构，摩擦发电的起电轨道和起电小球安装在内球壳中。采用这种结构时候，当球形纳米发电单元处于相对平静的洋流环境下时，内球壳中的起电轨道和起电小球在重力作用下可以保持相对平衡，进而实现内球壳、发电轨道与发电小球的位置自适应调节。适应叶片不断转动状态下的发电场景。同时，在球形纳米发电单元处于相对剧烈的洋流环境下时，小球可以在起电轨道中不同方向的子轨道往复运动，以适应不同洋流方向下的发电要求；由于本发明的起电轨道具有多条不同的延伸方向，因在叶片转动时，球形纳米发电单元也可以进行摩擦发电。

本发明还在叶片上安装了一种特殊结构的加速摆动装置，该装置可以提高叶片在低流速洋流状态下，提升洋流对叶片的冲击力作用，增大叶片的转速或转动幅度；进而提高放电设备的发电效率。

同时，本发明中的采用的板形纳米发电单元和球形纳米发电单元具有发电电压高、体积小、质量轻、形状灵活多变，兼容性高的优点；在叶轮的叶片上进行安装和使用时，对叶轮的基础性能影响较小。

附图说明

图1是本发明实施例1中球形纳米发电单元的纵剖面结构示意图；

图2是本发明实施例1中不包括第一起电单元和第二起电单元时的起电轨道的结构示意图；

图3是本发明实施例1中包括第一起电单元和第二起电单元时的起电轨道的结构示意图；

图4是本发明实施例1中安装第一电极对之后的内球壳、起电轨道和起电小球的组合体的纵剖面结构示意图；

图5是本发明实施例2中安装上盖之后的起电轨道的结构示意图；

图6是本发明实施例3中基板、板形纳米发电单元和球形纳米发电单元的位置装配示意图；

图7是本发明实施例3中板形纳米发电单元的纵剖面结构示意图；

图8是本发明实施例4中安装有加速摆动装置的叶片的结构示意图；

图9是本发明实施例4中加速摆动装置其中一种结构的纵剖面结构示意图；

图10是本发明实施例4中加速摆动装置另外一种结构的纵剖面结构示意图；

图11是本发明实施例5中叶轮的结构示意图；

图中标记为：1、球形纳米发电单元；2、基板；3、板形纳米发电单元；4、轮盘；5、叶片；6、加速摆动装置；11、外球壳；12、内球壳；13、起电轨道；14、起电小球；15、第一电极对；30、第二电极对；31、第一摩擦片；32、第二摩擦片；33、弹性连接件；34、第三起电层；35、第四起电层；51、结构框架；61、管道；62、挡块；63、上翻板；64、下翻板；65、引流槽；111、第一通孔；121、第二通孔；130、子轨道；131、第一起电层；132、第二起电层；133、上盖；134、沟通段。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种洋流发电设备的叶片5，包括基板2；基板2中安装有多个球形纳米发电单元1，该球形纳米发电单元1包括：外球壳11、内球壳12、起电轨道13、起电小球14以及第一电极对15。

外球壳11为绝缘体壳；外球壳11的壳壁上设置第一通孔111。外球壳11的内壁上设置摩擦纹。

内球壳12为绝缘体壳；内球壳12位于外球壳11的内腔中，内球壳12的外壁和外球壳11的内壁之间含有空隙。内球壳12的壳壁上设置第二通孔121；内球壳12的外壁上设置与外球壳11的内壁上相匹配的摩擦纹。

起电轨道13位于内球壳12的内腔中，并与内球壳12的内壁固定安装。如图2和图3所示，起电轨道13由多个圆弧形的子轨道130组合而成；各个子轨道130沿其中任意一个子轨道130中点呈圆周阵列排布；子轨道130中含有圆弧形的滑槽，各个子轨道130中的滑槽的重叠部分彼此沟通；各个子轨道130的滑槽被分隔为三段，分别为第一段、沟通段134和第二段；第一段和第二段位于子轨道130的两端且结构完全对称；沟通段134即为各个子轨道130的重叠部分；各个子轨道130的滑槽中，第一段表面设置有第一起电层131，第二段表面设置有第二起电层132。

起电小球14位于起电轨道13内；起电小球14的直径小于子轨道130中滑槽的宽度；起电小球14与第一起电层131和第二起电层132接触并相对摩擦时带有不同极性的电荷。

第一电极对15包括两个电极，两个电极的其中一端分别与第一起电层131和第二起电层132电连接，两个电极的另一端分别与导线电连接，导线沿第一通孔111和第二通孔121延伸至外球壳11之外。

其中，当球形纳米发电单元1静止时，起电小球14位于起电轨道13中各个滑槽的沟通段134内；球形纳米发电单元1晃动时，起电小球14在起电轨道13的各个子轨道130间穿梭。

本实施例中的球形纳米发电单元1在使用过程，由于内球壳12中设置有起电轨道13和起电小球14，所以内球壳12的下部分质量明显大于上部分，内球壳12及其内部的起电轨道13和起电小球14的组合体的质心位置低于内球壳12的球心。这使得内球壳12及其内部的起电轨道13和起电小球14总能相对重力方向保持直立，在叶片5安装位置或方向发生变化时也能相对保持位置平衡，进而便于球形纳米发电单元1收集不同方向的波浪蕴含的能量。使用这种内外球壳11相互套设的结构，不仅使得球形纳米发电单元1在安装时无需进行位置调整，可以由内球壳12进行位置自适应调节。而且还便于球形纳米发电单元1在运行过程中针对波浪的实际运动方向进行位置调整，以达到最佳的能量转化状态，即：使得起电轨道13中至少有一个子轨道130的延伸方向与当前波浪的运行方向平行。

通常来说，球形纳米发电单元1的安装角度会对发电效率产生影响，只有当起电小球14的运动轨道的方向与波浪的晃动方向相一致时，才能产生最佳的发电功率。传统的球形纳米发电单元1安装在发电设备的叶片5中之后，由于叶片5自身会发生转动，导致球形纳米发电单元1的运动轨道方向也在不断变化，这使得球形纳米发电单元1无法和波浪的运动方向相匹配，大大降低了球形纳米发电单元1的发电效率。而本实施例中的球形纳米发电单元1具有位置自适应调节作用，且起电轨道13的方向多样，因此可以适应不同的位置和角度，保持叶轮具有最大化的整体发电功率，提高球形纳米发电单元1的发电效率。

本实施例中的内球壳12和外球壳11之间设置有摩擦纹，摩擦纹的设置使得叶片5在发生转动或摇摆时，内球壳12和外球壳11之间因为摩擦力的存在而保持相对静止。进而使得内球壳12也可以和外球壳11一起随着波浪摆动，实现对波浪中蕴含能力进行收集的作用。防止内球壳12出现相对地面静止不跟随外球壳11摆动的状况。

考虑到波浪的冲击和摇摆的方向具有多样性，本实施例设计了具有多个滑动方向的起电轨道13，无论波浪的摇摆方向指向那里，本实施例中的起电小球14总能在其中一个子轨道130间穿梭，进而完成发电过程，实现对微型波浪中蕴含能量的吸收和转化。

本实施例中球形纳米发电单元1的发电原理为摩擦起电技术，结合图4分析，本实施例中球形纳米发电单元1的发电过程具体如下：波浪在运动过程中会带动球形纳米发电单元1晃动，使得起电小球14在其中一个子轨道130的滑槽中来回穿梭，起电小球14运动时，在从沟通段134运动至第一段并回到沟通段134的过程；起电小球14与第一起电层131产生摩擦，第一起电层131与起电小球14间发生电荷转移，使得第一起电层131中某种电荷的电荷量增加，从而在第一电极对15之间产生电流。当起电小球14从沟通段134运动至第二段，并重新回到沟通段134的过程中，第二起电层132和起电小球14摩擦并发生电荷转移，使得第二起电层132中另外一种极性的电荷量增加，进而在第一电极对15之间再次产生电流。当起电小球14在起电轨道13中重复上述运动过程时，第一电极对15之间会产生周期性的交变电流，实现波浪能的收集和转化。

本实施例中的起电小球14包括金属球芯和起电膜；起电膜包覆在金属球芯的外层；起电膜材料的电子束缚能力介于第一起电层131材料和第二起电层132材料的电子束缚能力之间。在起电小球14中使用金属球芯，可以提高小球的质量，从而提升起电小球14、起电轨道13和内球壳12的组合体在使用过程中的位置自调节效果。同时起电小球14的质量增大后，起电膜与第一起电层131或第二起电层132之间的接触效果也更加紧密，能够产生更好的摩擦发电效果。

实施例2

本实施例提供一种洋流发电设备的叶片5，本实施例与实施例1的区别在于：起电轨道13中各子轨道130的滑槽的竖直高度至少大于内球壳12的半径长度；且如图5所示，子轨道130的滑槽上方设置上盖133。考虑到起电小球14在起电轨道13中的摆动发电过程需要时刻紧贴第一起电层131或第二起电层132，且相应的起电层长度越长，发电的效果越好，因此本实施例中对子轨道130中高度进行限制。同时为了防止起电小球14运动过程中子轨道130的滑槽中脱离，本实施例为各个子轨道130滑槽上方设置了上盖133。

其中，外球壳11的第一通孔111处安装导线后通过填充密封材料实现防水密封。本实施例提供的洋流发电的叶片5通常工作在水下环境内，因此对各个组件的密封防水性能要求较高，本实施例的外球壳11本身就具有一定的密封防护性能，且外球壳11中仅开设了用于供导线贯穿的第一通孔111，本实施例仅需要通过防水胶黏剂等类似产品对第一通孔111处进行粘接固化，即可实现外球壳11的密封防护。防水胶黏剂可以采用现有的任意一种产品。

实施例3

本实施例提供一种洋流发电设备的叶片5本实施例与实施例2的区别在于：如图6所示，本实施例的叶片5上，基板2的正反两面均设置有板形纳米发电单元3，板形纳米发电单元3在基板2表面呈矩形阵列排布。各个板形纳米发电单元3均包括第一摩擦片31、第二摩擦片32、弹性连接件33和第二电极对30；第一摩擦片31和第二摩擦片32平行叠放，二者的间隙中安装弹性连接件33，弹性连接件33用于通过自身伸缩状态的变化实现第一摩擦片31和第二摩擦片32的远离或靠近；第一摩擦片31固定连接在基板2表面；第一摩擦片31和第二摩擦片32中相互靠近的两个表面上分别设置有第三起电层34和第四起电层35，第三起电层34和第四起电层35在接触并相互摩擦后带不同极性的电荷；弹性连接件33处于自由状态时，第三起电层34和第四起电层35不接触；弹性连接件33处于压缩状态时，第三起电层34和第四起电层35接触；第二电极对30包括两个电极，两个电极分别与第三起电层34和第四起电层35电连接。

板形纳米发电单元3的工作原理为静电感应耦合技术，具体过程如下：当波浪冲击叶片5时，弹性连接件33会受力压缩，使得第一摩擦片31和第二摩擦片32中的第三起电层34和第四起电层35接触，二者接触时存在摩擦并发生电荷转移，进而在第二电极对30间产生电流；波浪的冲击作用消失后，弹性连接件33复位，第一摩擦片31和第二摩擦片32脱离接触，第二电极对30间的电流消失。波浪在运动时，这种冲击作用不断产生和消失，则在第二电极对30间产生周期性的交变电流。

其中，第一电极对15和第二电极对30中，具有相同极性的电极并联。事实上，本实施例中的板形纳米发电单元3和球形纳米发电单元1可以独立安装应用，也可以如本实施例一样同时安装应用。在二者同时安装应用时，需要将第一电极对15和第二电极对30上相同极性的电极并联。

本实施例中，叶片5外层还设置防护包膜，叶片5和板形纳米发电单元3位于防护包膜内部，防护包膜采用不锈钢薄板或铝合金薄板。

本发明在叶片5的和板形纳米发电单元3的外层设置了防护包膜，进而防止板形纳米发电单元3直接暴露在水体中失去功能，本发明采用不锈钢薄板或铝合金薄板即具有较好的密封性能和耐腐蚀性能，还可以具有一定的抗拉伸性能，便于将波浪的冲击力作用传导至内部的板形纳米发电单元3中。

此外，叶片5安装在结构框架51内，结构框架51包覆在叶片5的边缘处；防护包膜与结构框架51密封连接。叶片5在水下进行转动时，叶片5边缘与水体间产生相对运动，容易收到水体的冲蚀。而本实施例中得分结构框架51可以对叶片5边缘的结构进行加强，提高叶片5的使用寿命。

实施例4

本实施例提供一种洋流发电设备的叶片5，本实施例与实施例3的区别在于：如图8所示，本实施例中，叶片5上还安装有加速摆动装置6；加速摆动装置6安装在叶片5中相对安装侧的另一侧，安装侧指叶片5中用于和轮盘4固定安装的一侧。如图9所示，加速摆动装置6包括管道61、挡块62、上翻板63和下翻板64；管道61的延伸方向与叶片5转动时自由端轨迹形成的圆周方向相切；上翻板63可转动连接在管道61内壁的顶部；下翻板64可转动连接在管道61内壁的底部；挡块62安装管道61中上翻板63和下翻板64中间的位置；挡块62的上下两侧分别设置一个朝向相反的直角型的限位槽，上翻板63和下翻板64的活动端抵接在限位槽内，挡块62中的限位槽使得上翻板63和下翻板64仅能在从垂直于管道延伸方向到平行于管道延伸方向的90°角度范围内翻转，且上翻板63和下翻板64的翻转方向相反。

该加速摆动装置6的作用在于：使用传统叶片5时，当冲击叶片5的洋流的流速较小时，叶片5可能难以实现较大幅度的转动。但是安装本实施例提供的加速摆动装置6之后，由于加速摆动装置6内的上翻板63和下翻板64最多只能有一个保持开放，因此使得流过管道61内的流体的截面突然减小，进而产生了流体由宽区域向窄区域流进的现象，通过空间由大到小的急剧变换，增大水流的冲击力，使叶片5在低流速洋流的情况下也能快速摆动或旋转，增大发电效率。

其中，作为更优化的改进，本实施例中的上翻板63和下翻板64中还可以各安装一组限位弹簧，限位弹簧用于使得上翻板63和下翻板64在初始状态下保持闭合，当水流冲击上翻板63或下翻板64时，限位弹簧压缩，进而实现上翻板63或下翻板64打开，限位弹簧可以使得上翻板63和下翻板64具有自动复位作用。

本实施例中的管道61可以采用任意截面形状的管道61，包括圆管、方管或其它不规则截面形状的管道61，只要能够在其中安装两个不同开合方向的翻板即可。同时，上翻板63和下翻板64并不一定需要保持管道61密封，仅需要能够调节管道61内的流体的通道截面大小即可。事实上，挡块62的结构也可以采用不同的结构，只需要挡块62能够使得上翻板63和下翻板64具有单向翻转的的限位功能即可。挡块62、上翻板63和下翻板64的组合体的作用就是使得管道61内任意时刻最多仅可以保持半开状态。本实施例中的图9和图10就采用了两种不同结构的挡块62。

此外，本实施例中，如图10所示，为了使得管道61中通过的流体的冲击力更强，还可以在管道61的两端安装截面扩张的喇叭口状的引流槽65。

实施例5

如图11所示，本实施例提供一种洋流发电设备的叶轮，叶轮中包括轮盘4，轮盘4的外表面按照圆周阵列排布的方式固定连接有多个如实施例1-4中任意一项中的叶片5。

本实施例提供的叶轮的叶片5中集成了板形纳米发电单元3和球形纳米发电单元1的，因此该叶轮既具有传统叶轮驱动发电机组转动的功能，也具有自身收集和转化微小的洋流或波浪中能量的能力，从而大大提高发电机组对于不同洋流环境的适应性，提高发电机组的发电效率。

实施例6

本实施例提供一种洋流发电设备的辅助发电装置，该辅助发电装置采用如实施例4中的叶轮，辅助发电装置还包括环状轨道和集电装置，环状轨道设置在叶轮的外周，并与叶轮的旋转面平行；环状轨道与叶轮上的叶片5不接触；集电装置可滑动连接在环状轨道上；集电装置分别与第一电极对15、第二电极对30电连接，集电装置用于收集球形纳米发电单元1和板形纳米发电单元3产生的电能，并对产生的电能进行转化和存储。

本实施例的辅助发电装置主要用于对叶片5中的板形纳米发电单元3和球形纳米发电单元1产生的电能进行收集、转化和存储。考虑到叶轮在使用过程中会发生旋转，因此本实施例将集电装置安装在一个环状管道，并使得集电装置可以随着叶轮的转动而转动，保持叶片5中的两类发电单元与集电装置间电性连接达到的导电状态保持稳定。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种洋流发电设备的叶片，包括基板，其特征在于：所述基板中安装有多个球形纳米发电单元，所述球形纳米发电单元包括：

外球壳，其为绝缘体壳；所述外球壳的壳壁上设置第一通孔；所述外球壳的内壁上设置摩擦纹；

内球壳，其为绝缘体壳；所述内球壳位于所述外球壳的内腔中，所述内球壳的外壁和所述外球壳的内壁之间含有空隙；所述内球壳的壳壁上设置第二通孔；所述内球壳的外壁上设置与所述外球壳的内壁上相匹配的摩擦纹；

起电轨道，其位于所述内球壳的内腔中，并与所述内球壳的内壁固定安装；所述起电轨道由多个圆弧形的子轨道组合而成；各个所述子轨道沿其中任意一个子轨道中点呈圆周阵列排布；所述子轨道中含有圆弧形的滑槽，各个所述子轨道中的滑槽的重叠部分彼此沟通；各个所述子轨道的滑槽被分隔为三段，分别为第一段、沟通段和第二段；所述第一段和第二段位于子轨道的两端且结构完全对称；所述沟通段即为各个所述子轨道的重叠部分；各个所述子轨道的滑槽中，第一段表面设置有第一起电层，第二段表面设置有第二起电层；

起电小球，其位于所述起电轨道内；所述起电小球的直径小于所述子轨道中滑槽的宽度；所述起电小球与第一起电层和第二起电层接触并相对摩擦时带有不同极性的电荷；

第一电极对，其包括两个电极，两个所述电极的其中一端分别与所述第一起电层和所述第二起电层电连接，两个所述电极的另一端分别与导线电连接，所述导线沿所述第一通孔和第二通孔延伸至所述外球壳之外；

其中，当所述球形纳米发电单元静止时，所述起电小球位于起电轨道中各个滑槽的沟通段内；所述球形纳米发电单元晃动时，所述起电小球在起电轨道的各个子轨道间穿梭。

2.根据权利要求1所述的洋流发电设备的叶片，其特征在于：所述起电小球包括金属球芯和起电膜；所述起电膜包覆在所述金属球芯的外层；起电膜材料的电子束缚能力介于第一起电层材料和第二起电层材料的电子束缚能力之间。

3.根据权利要求2所述的洋流发电设备的叶片，其特征在于：所述基板的正反两面均设置有板形纳米发电单元，所述板形纳米发电单元在基板表面呈矩形阵列排布；各个所述板形纳米发电单元均包括第一摩擦片、第二摩擦片、弹性连接件和第二电极对；所述第一摩擦片和第二摩擦片平行叠放，二者的间隙中安装弹性连接件，所述弹性连接件用于通过自身伸缩状态的变化实现所述第一摩擦片和第二摩擦片的远离或靠近；所述第一摩擦片固定连接在所述基板表面；所述第一摩擦片和所述第二摩擦片中相互靠近的两个表面上分别设置有第三起电层和第四起电层，所述第三起电层和所述第四起电层在接触并相互摩擦后带不同极性的电荷；所述弹性连接件处于自由状态时，所述第三起电层和第四起电层不接触；所述弹性连接件处于压缩状态时，所述第三起电层和第四起电层接触；所述第二电极对包括两个电极，两个所述电极分别与第三起电层和第四起电层电连接。

4.根据权利要求3所述的洋流发电设备的叶片，其特征在于：所述第一电极对和所述第二电极对中，具有相同极性的电极并联。

5.根据权利要求3所述的洋流发电设备的叶片，其特征在于：所述起电轨道中各子轨道的滑槽的竖直高度至少大于所述内球壳的半径长度；且所述子轨道的滑槽上方设置上盖。

6.根据权利要求3所述的洋流发电设备的叶片，其特征在于：所述叶片上还安装有加速摆动装置；所述加速摆动装置安装在叶片中相对安装侧的另一侧，所述安装侧指叶片中用于和轮盘固定安装的一侧；所述加速摆动装置包括管道、挡块、上翻板和下翻板；所述管道的延伸方向与所述叶片转动时自由端轨迹形成的圆周方向相切；所述上翻板可转动连接在所述管道内壁的顶部；所述下翻板可转动连接在所述管道内壁的底部；所述挡块安装管道中所述上翻板和下翻板中间的位置；所述挡块的上下两侧分别设置一个朝向相反的直角型的限位槽，所述上翻板和下翻板的活动端抵接在所述限位槽内，所述挡块中的限位槽使得上翻板和下翻板仅能在从垂直于管道延伸方向到平行于管道延伸方向的90°角度范围内翻转，且所述上翻板和所述下翻板的翻转方向相反。

7.根据权利要求4所述的洋流发电设备的叶片，其特征在于：所述外球壳的第一通孔处安装导线后通过填充密封材料实现防水密封；所述叶片外层还设置防护包膜，所述叶片和板形纳米发电单元位于防护包膜内部，所述防护包膜采用不锈钢薄板或铝合金薄板。

8.根据权利要求7所述的洋流发电设备的叶片，其特征在于：所述叶片安装在结构框架内，所述结构框架包覆在所述叶片的边缘处；所述防护包膜与所述结构框架密封连接。

9.一种洋流发电设备的叶轮，包括轮盘，其特征在于，所述轮盘的外表面按照圆周阵列排布的方式固定连接有多个如权利要求3-8任意一项所述的洋流发电设备的叶片。

10.一种洋流发电设备的辅助发电装置，其特征在于：所述辅助发电装置采用如权利要求9所述的叶轮，所述辅助发电装置还包括环状轨道和集电装置，所述环状轨道设置在叶轮的外周，并与叶轮的旋转面平行；所述环状轨道与所述叶轮上的叶片不接触；所述集电装置可滑动连接在环状轨道上；所述集电装置分别与所述第一电极对和所述第二电极对电连接，所述集电装置用于收集所述球形纳米发电单元和所述板形纳米发电单元产生的电能，并对产生的电能进行转化和存储。

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