CN113676077B - 一种基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置，涉及波浪能采集领域，包括由若干个发电单元并联而成的发电部、蓄能电容器和用电设备，所述发电单元包括形状为长方体的曲折板，所述曲折板的上表面和下表面外部皆贴合设置有一对第一电极，所述第一电极外侧设置有一对第二电极，所述第一电极的凹槽与所述第二电极构成介电通道，所述介电通道内设置有若干个介电球，所述第二电极外侧设置有平板。本发明可以直接给海洋设备或传感器进行供电，在配备超级电容器或电池组成自充电能量系统后，直接收集波浪能、洋流能等能量，无需体积较大的能量管理电路，就能够持续不断的驱动各种海洋设备。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置
技术领域
本发明涉及波浪能采集领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置。
背景技术
我国拥有广裹的海岸线并且拥有能量密度大的海洋波浪能和洋流能，海洋能源分布广泛，开发利用蓝色能源成为当下解决能源危机的重中之重。波浪能是海洋表层海水在风力的作用下波动所蕴藏的动能与势能，其能量品位高，储量大，得到了全球范围的广泛关注。海洋能源中的波浪能具有其他能源无法比拟的优越性，它对季节、昼夜、天气和温度条件的依赖性大大降低。因此，合理开发利用波浪能具有重大战略意义。
经过几十年的发展，采用传统的电磁感应的方式进行海洋能的采集仍存在较多挑战，主要是因为海洋波浪能的低频低振幅、波浪波峰随机的特性以及装置的高成本和安装问题等。摩擦纳米发电机在低频下的高效能是同类技术无法比拟的。摩擦纳米发电机是一种基于摩擦起电和静电感应原理的新型能源采集技术，可有效地将低频低振幅的机械能转化为电能，为实现大规模采集波浪能提供了一种新的途径，是未来微纳能源的重要发展方向。
多单元集成时，现有的波浪能采集摩擦纳米发电机存在各单元产生的交流电因相位不同而抵消的问题，无法有效地通过增加发电单元数量而提高发电量。此外，还普遍存在有发电装置可靠性差，投入产出比低、无法大规模生产应用等问题。综上所述，有待发明一种可以解决各单元产生的交流电因相位不同而抵消的问题的波浪能采集摩擦纳米发电机。
发明内容
本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置，解决了现有波浪能采集摩擦纳米发电机各单元产生的交流电因相位不同而抵消的问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置，包括由若干个发电单元并联而成的发电部，所述发电单元包括形状为长方体的曲折板，所述曲折板的上表面和下表面皆等间距设置有若干个相同的U型凹槽，所述曲折板的上表面和下表面外部皆贴合设置有一对第一电极，所述第一电极外侧设置有一对第二电极，所述第一电极的凹槽与所述第二电极构成介电通道，所述介电通道内设置有若干个介电球，所述介电通道的两端设置有封口片，所述第二电极外侧设置有平板。
优选地，每对所述第一电极间设置有相同间距的空隙，每对所述第二电极间设置有相同间距的空隙。
优选地，所述第一电极与第二电极同向平行排布。
优选地，所述第一电极与第二电极为金属材料薄膜，所述第一电极外表面经纳米处理后镀于所述曲折板的上表面和下表面，所述第二电极外表面经纳米处理后镀于所述平板的内表面。
优选地，所述曲折板和封口片采用聚乳酸。
优选地，所述介电球采用聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物或聚酰亚胺材料中的一种，所述介电球的直径小于所述U型凹槽的间距。
优选地，若干个所述发电单元纵向堆叠成一个组合发电单元，所述组合发电单元内若干个发电单元的介电通道方向相同，若干个所述组合发电单元组合成一个发电部，所述组合发电单元的介电通道与相邻的组合发电单元的介电通道相互垂直。
本发明的有益效果在于：
本发明通过设计基础的发电单元有曲折板和平板两个接触面，增大了介电球与金属电极的接触面积，且相比以往的结构，每个发电单元包含的通道更多，容纳的介电球更多，从而输出性能得到大幅度的提高；
本发明所设计的发电部与整流电路相连接，通过后期的电路管理，减小了电压的输出，增大了电流的输出，使输出的电流达到毫安级，能够给传感器供电，提高输出性能，更加切合现实生活的需要，提高了利用的可能。
附图说明
为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明发电部整体结构示意图。
图2为本发明发电部剖视图。
图3为本发明发电单元结构爆炸图。
图4为本发明发电单元侧面剖视图。
图5为本发明发电单元发电原理示意图。
图6为本发明与用电仪器连接的电路示意图。
附图标号说明：
1、发电单元；2、曲折板；3、第一电极；4、第二电极；5、介电球；6、封口片；7、平板；8、蓄能电容器；9、用电设备。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提供一种技术方案：一种基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置，如图1和图2所示，包括由若干个发电单元1并联而成的发电部，若干个发电单元1纵向堆叠成一个组合发电单元，组合发电单元内若干个发电单元的介电通道方向相同，若干个组合发电单元组合成一个发电部，组合发电单元的介电通道与相邻的组合发电单元的介电通道相互垂直。发电单元1如图3和图4所示，包括形状为长方体的曲折板2，曲折板2的上表面和下表面皆等间距设置有若干个相同的U型凹槽，曲折板2的上表面和下表面外部皆贴合设置有一对第一电极3，第一电极3外侧设置有一对第二电极4，每对第一电极3间设置有相同间距的空隙，每对第二电极4间设置有相同间距的空隙。第一电极3与第二电极4同向平行排布，确保同相位电能输出。第一电极3与第二电极4分别连接输出导线后并联连接。第一电极3的凹槽与第二电极4构成介电通道，介电通道内设置有若干个介电球5，介电球5采用PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)或Kapton高分子聚合材料中的一种，介电球5的直径小于U型凹槽的间距，介电球5滚动时与相邻表面的金属电极摩擦时由于电负性不同产生电荷。介电通道的两端设置有封口片6，曲折板2和封口片6采用绝缘材料3D打印PLA(聚乳酸)制成。第二电极4外侧设置有平板7。第一电极3与第二电极4为金属材料薄膜，第一电极3外表面经纳米处理后镀于曲折板2的上表面和下表面，第二电极4外表面经纳米处理后镀于平板7的内表面。
进一步的，在若干个发电单元1纵向堆叠成一个组合发电单元时，非边侧的上下平板7可以简化成一个平板，上下两个发电单元的公共面共用一个平板，减少装置体积的同时，节约了材料成本。
多个组合发电单元1并联连接并固定后分别与蓄能电容器8和用电设备9连接。构成供电模块的组合发电单元的数量根据所需用电量进行调整。为保证装置在实际海洋环境中拥有良好浮态，采用铁质配重模块通过调整配重，使装置重心与浮心重合，保证装置在海面漂浮时呈直立漂浮状态。
如图5所示，本发明利用两种材料电负性差异摩擦起电和静电感应产生交变电流，在无外力作用时，介电球5与金属电极之间不会发生滚动摩擦产生感应电荷；而在外部波浪作用下，如波浪向左推动发电装置移动时，其内部的介电球5会相应向左滑动，第一次与金属电极接触摩擦后，介电球5上会由于电极序的差异性与金属电极摩擦从而产生负电荷；当介电球5滚动到左侧时，介电球5会在曲折板左侧的第一电极3和上下平板7左侧的第二电极4上感应出正电荷，这时会在外部电路中产生电流并从曲折板2上的第一电极3和上下平板7上的左侧第二电极4流向相应的右侧金属电极；当波浪向右推动基础发电单元移动时，由于惯性力与回复力的作用，介电球5会向右滑动，将会在其曲折板右侧的第一电极3和上下平板右侧的二电极4表面产生正电荷，这时会在外部电路中产生电流并从电极平面内的右侧金属电极流向左侧金属电极，从而得到方向相反的电流。在海浪的激励下，介电球5不停来回滚动产生交流电。
本发明所设计的摩擦纳米发电机波浪能发电单元，无需整流桥即可实现同相位电流输出，通过控制每层上下平板7和曲折板2上下侧的金属电极同向平行排列，再将曲折板2与上下平板7通过热熔胶固定，保证组合发电单元内并联堆叠的每层基础发电单元同相位输出，可实现无需整流桥，仅通过增加并联连接的发电单元数量即可成倍增大输出，为所搭载用电器持续供电，可实现长续航自供能海洋监测。
本发明通过在装置的基底上增加配重模块，类比不倒翁原理，通过浮标整体系统的重心与浮心高度重合，使浮标拥有良好的漂浮姿态，且在其受波浪作用摇摆后能及时回正，保证每一次海浪作用都可以激励内部各个组合发电单元工作，有效提高整体发电效率。
本发明的实施例如下：
气象水文的一系列数据的监测一直是一个急需解决的问题，这种装置可为用于气象水文监测的用电器供电。针对该应用场景，在发电装置的基础上加装控制模块、通信模块和多参数气象传感器及多参数水质传感器。用电器获得的气象信息主要是会对航道中航行船舶造成影响的因素，加装的气象传感器记录环境的大气温度、相对湿度、露点温度、风向、风速、气压、降水量，采用风向标测量风向，采用热式风速测量测量风速，采用翻斗式雨量采集仪来测量降水量，用传感器来测量相对湿度、大气温度和露点温度。
如图6所示，当装置布置在目标海域后，装置随着波浪作用持续运动，多个组合发电单元持续将波浪能转化为电能，并将电能存储于蓄能电容器8内。当所连接的用电设备9工作时，自动开关闭合，为多参数气象传感器和水质传感器供电，同时也为控制模块和通信模块供电。所采集数据通过短波无线电数字传输，自动传至岸站监控中心接收端，实现对目标海域气象及水文长期定点监测。由于装置可持续将工作环境中的海洋波浪能持续转化为电能，为用电器供电，无需人工更换电池等操作，因此利用该装置可实现长续航工作，持续对目标海域气象水文信息监测。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置，其特征在于：包括由若干个发电单元(1)并联而成的发电部，所述发电单元(1)包括形状为长方体的曲折板(2)，所述曲折板(2)的上表面和下表面皆等间距设置有若干个相同的U型凹槽，所述曲折板(2)的上表面和下表面外部皆贴合设置有一对第一电极(3)，所述第一电极(3)外侧设置有一对第二电极(4)，所述第一电极(3)的凹槽与所述第二电极(4)构成介电通道，所述介电通道内设置有若干个介电球(5)，所述介电通道的两端设置有封口片(6)，所述第二电极(4)外侧设置有平板(7)。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置，其特征在于：每对所述第一电极(3)间设置有相同间距的空隙，每对所述第二电极(4)间设置有相同间距的空隙。
3.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置，其特征在于：所述第一电极(3)与第二电极(4)同向平行排布。
4.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置，其特征在于：所述第一电极(3)与第二电极(4)为金属材料薄膜，所述第一电极(3)外表面经纳米处理后镀于所述曲折板(2)的上表面和下表面，所述第二电极(4)外表面经纳米处理后镀于所述平板(7)的内表面。
5.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置，其特征在于：所述曲折板(2)和封口片(6)采用聚乳酸。
6.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置，其特征在于：所述介电球(5)采用聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物或聚酰亚胺材料中的一种，所述介电球(5)的直径小于所述U型凹槽的间距。
7.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置，其特征在于：若干个所述发电单元(1)纵向堆叠成一个组合发电单元，所述组合发电单元内若干个发电单元(1)的介电通道方向相同，若干个所述组合发电单元组合成一个发电部，所述组合发电单元的介电通道与相邻的组合发电单元的介电通道相互垂直。
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