CN114046220B - 一种发电系统及发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发电系统及发电方法,通过对发电系统的设置,使得至少部分摩擦纳米发电机单元沿着第一方向悬在液体中,浮子漂浮在液体表面,在波浪的作用下,浮子可以随着波浪上下移动,同时带动摩擦纳米发电机单元发生偏转,从而使得摩擦纳米发电机单元输出电信号;如此,因在垂直于液体表面的第一方向上进行设置,使得发电系统无需占用较多的液体表面的面积,可以充分利用空间,提高空间的利用率,实现大规模的能源收集。

Description

一种发电系统及发电方法
技术领域
本发明涉及纳米新能源技术领域,尤指一种发电系统及发电方法。
背景技术
摩擦纳米发电机的基本原理为:利用摩擦(接触)在两表面(其中至少一个为绝缘材料)生成静电荷,当接触表面分离时,静电荷的分离产生电势差,驱动绝缘表面下感应电极中的自由电荷定向移动,从而收集环境中的机械能,并转化为电能。摩擦纳米发电技术尤其适用于收集低频运动的机械能,具有结构简单、成本低、材料选择丰富等优势。
那么,在利用摩擦纳米发电机收集波浪能时,如何在充分利用空间的基础上,实现大规模的能源收集,是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种发电系统及发电方法,用以在充分利用空间的基础上,实现大规模的能源收集。
第一方面,本发明实施例提供了一种发电系统,包括:沿着第一方向设置且连接的浮子、摩擦纳米发电机组件和固定结构;所述浮子漂浮在液体表面;
所述固定结构用于:所述摩擦纳米发电机组件悬在液体中;
所述摩擦纳米发电机组件包括:连接的多个摩擦纳米发电机单元,至少部分所述摩擦纳米发电机单元沿着所述第一方向悬在液体中;
在波浪的作用下,所述浮子沿着所述第一方向往复移动时,带动各所述摩擦纳米发电机单元发生偏转,使得各所述摩擦纳米发电机单元输出电信号;
其中,液体表面平静时与所述第一方向垂直。
第二方面,本发明实施例提供了一种如本发明实施例提供的上述发电系统的发电方法,包括:
在波浪的作用下,浮子沿着第一方向往复移动时,所述浮子带动多个摩擦纳米发电机单元发生偏转,使得各所述摩擦纳米发电机单元输出电信号。
本发明有益效果如下:
本发明实施例提供的一种发电系统及发电方法,通过对发电系统的设置,使得至少部分摩擦纳米发电机单元沿着第一方向悬在液体中,浮子漂浮在液体表面,在波浪的作用下,浮子可以随着波浪上下移动,同时带动摩擦纳米发电机单元发生偏转,从而使得摩擦纳米发电机单元输出电信号;如此,因在垂直于液体表面的第一方向上进行设置,使得发电系统无需占用较多的液体表面的面积,可以充分利用空间,提高空间的利用率,实现大规模的能源收集。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种发电系统的结构示意图;
图2为本发明实施例中提供的另一种发电系统的结构示意图;
图3为本发明实施例中提供的一种摩擦纳米发电机单元的串联连接方式的示意图;
图4为本发明实施例中提供的一种摩擦纳米发电机单元的并联连接方式的示意图;
图5为本发明实施例中提供的一种摩擦纳米发电机单元的对称节点的示意图;
图6为本发明实施例中提供的同一侧中多个摩擦纳米发电机单元的连接方式的示意图;
图7为本发明实施例中提供的一种摩擦纳米发电机单元的具体结构示意图;
图8为本发明实施例中提供的一种工作原理示意图;
图9为本发明实施例中提供的另一种工作原理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明实施例提供的一种发电系统及发电方法的具体实施方式进行详细地说明。需要说明的是,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。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。
本发明实施例提供了一种发电系统,如图1和图2所示,可以包括:沿着第一方向(如F1方向)设置且连接的浮子10、摩擦纳米发电机组件20和固定结构30;浮子10漂浮在液体表面(如s0所指示的表面);
固定结构30用于:摩擦纳米发电机组件20悬在液体中;
摩擦纳米发电机组件20包括:连接的多个摩擦纳米发电机单元21,至少部分摩擦纳米发电机单元21沿着第一方向F1悬在液体中;
在波浪的作用下,浮子10沿着第一方向F1往复移动时,带动各摩擦纳米发电机单元21发生偏转,使得各摩擦纳米发电机单元21输出电信号;
其中,液体表面s0平静时与第一方向F1垂直。
说明一点,在浮子的带动下,摩擦纳米发电机单元发生偏转时,固定结构可以避免摩擦纳米发电机单元漂浮在液体表面,同时还可以防止摩擦纳米发电机单元沉到水底。
通过对发电系统的设置,使得至少部分摩擦纳米发电机单元沿着第一方向悬在液体中,浮子漂浮在液体表面,在波浪的作用下,浮子可以随着波浪上下移动,同时带动摩擦纳米发电机单元发生偏转,从而使得摩擦纳米发电机单元输出电信号;如此,因在垂直于液体表面的第一方向上进行设置,使得发电系统无需占用较多的液体表面的面积,可以充分利用空间,提高空间的利用率,实现大规模的能源收集。
需要强调的是,在本发明实施例中,基于浮力和重力的作用,再结合摩擦纳米发电机单元的激励特点,调节摩擦纳米发电机单元的浮力和重力的平衡状态,通过重力和浮力的作用实现结构的折叠,从而在激励过程中实现波浪能-转动动能和势能-电能的能量转化,以及在回复过程中实现势能-转动动能-电能的能量转化,实现了对波浪能的收集。
可选地,在本发明实施例中,固定结构可以包括:阻尼或锚等。
可选地,在本发明实施例中,各摩擦纳米发电机单元之间的连接关系为:串联和并联中的至少一种。
例如,在图1所示的结构中,处于不同平面的摩擦纳米发电机单元为串联连接;或者,在图2所示的结构中,处于不同平面的摩擦纳米发电机单元为并联连接。
其中,为了更加清楚地说明串联连接,可以参见图3所示的结构,该图仅以三个摩擦纳米发电机单元为例进行说明;为了更加清楚地说明并联连接,可以参见图4所示的结构,该图同样仅以三个摩擦纳米发电机单元为例进行说明。
其中,图3和图4中示出的仅是部分摩擦纳米发电机单元的连接关系。
当然,在实际情况中,摩擦纳米发电机单元的设置数量并不限于图1至图4所示,此处只是以图1至图4所示为例进行说明,在实际情况中,可以根据实际需要设置摩擦纳米发电机单元的数量,在此并不限定,同时还可以提高设计的灵活性,满足不同应用场景的需要。
可选地,在本发明实施例中,如图1和图2所示,摩擦纳米发电机单元包括:配重部分m1和非配重部分m2;
摩擦纳米发电机单元还包括:与配重部分m1对应设置的配重节点P1、与非配重部分m2对应设置的非配重节点P2;
针对沿第一方向F1设置的相邻两个摩擦纳米发电机单元:
相邻的两个摩擦纳米发电机单元串联连接,其中一个摩擦纳米发电机单元的配重节点与另一个摩擦纳米发电机单元的非配重节点连接;或,相邻的两个摩擦纳米发电机单元并联连接,其中一个摩擦纳米发电机单元的配重节点与另一个摩擦纳米发电机单元的配重节点连接,且其中一个摩擦纳米发电机单元的非配重节点与另一个摩擦纳米发电机单元的非配重节点连接。
其中,为了更加清楚地说明各摩擦纳米发电机的连接关系,以图3和图4所示为例进行说明。
参见图3所示,标记为21a和21b的两个摩擦纳米发电机单元为沿第一方向F1设置的相邻两个摩擦纳米发电机单元,标记为21a和21c的两个摩擦纳米发电机单元同样为沿第一方向F1设置的相邻两个摩擦纳米发电机单元,其中,摩擦纳米发电机单元21a的非配重节点P2a,与摩擦纳米发电机单元21b的配重节点P1b连接,而摩擦纳米发电机单元21a的配重节点P1a,则是与摩擦纳米发电机单元21c的非配重节点P2c连接,使得摩擦纳米发电机单元21a、摩擦纳米发电机单元21b和摩擦纳米发电机单元21c为串联连接。
参见图4所示,标记为21d和21m的两个摩擦纳米发电机单元为沿第一方向F1设置的相邻两个摩擦纳米发电机单元,其中,摩擦纳米发电机单元21d的非配重节点P2d,与摩擦纳米发电机单元21m的非配重节点P2m连接,摩擦纳米发电机单元21d的配重节点P1d,与摩擦纳米发电机单元21m的配重节点P1m连接,使得摩擦纳米发电机单元21d和摩擦纳米发电机单元21m为并联连接。
如此,通过对连接方式的设置,以及对摩擦纳米发电机单元的设置,使得配重部分和非配重部分的排列方向并不是平行于第一方向的,而是与第一方向呈一定角度的,使得图3中的虚线框1内和图4中的虚线框2内的部分呈手性结构,从而可以形成基于手性结构的发电系统。
可选地,在本发明实施例中,如图1至图4所示,配重节点P1位于配重部分m1的中心,非配重节点P2位于非配重部分m2的中心。
如此,可以使得摩擦纳米发电机单元在发生偏转时偏转的角度更大,进而使得摩擦纳米发电机单元输出更大的电信号,从而提高发电系统的发电性能。
可选地,在本发明实施例中,如图1和图2所示,垂直于第一方向F1的任一平面内设置有两个或两个以上的摩擦纳米发电机单元;
摩擦纳米发电机单元还包括:多个对称节点(如P3和P4),如图5所示;
针对垂直于第一方向F1的任一平面内的各摩擦纳米发电机单元:
各摩擦纳米发电机单元的对称节点互相连接。
例如,如图6所示,图中示出了三个摩擦纳米发电机单元,分别标记为21e、21f和21g,摩擦纳米发电机单元21e的对称节点P3e与摩擦纳米发电机单元21g的对称节点P4g连接,摩擦纳米发电机单元21e的对称节点P4e与摩擦纳米发电机单元21f的对称节点P4f连接,摩擦纳米发电机单元21f的对称节点P3f与摩擦纳米发电机单元21g的对称节点P3g连接。
如此,可以通过摩擦纳米发电机单元构成三维发电网络,再结合三维手性结构,打破了结构对称性,可以将拉伸运动转换为偏转,适应摩擦纳米发电机单元的激励特点,结合各摩擦纳米发电机单元的连接方式的设置,可以实现放大效应,有效提高发电系统的发电能力。
具体地,在本发明实施例中,手性结构并不限于竖直单链(如图3和图4所示),可以通过节点(包括配重节点、非配重节点和后续内容中提及的对称节点)和连接方式的设置,从而实现以三维手性结构为单元的复杂网络设计。
可选地,在本发明实施例中,对称节点可以设置有两个,但不限于两个,只要能够实现同一层内摩擦纳米发电机单元的连接即可,对于具体的设置数量,在此并不限定。
并且,对于配重节点、非配重节点和对称节点的设置方式,并不限于图5所示,还可以为其他可以实现摩擦纳米发电机单元横向(也即与第一方向垂直的方向)连接和纵向(也即第一方向)连接的设置方式,在此并不限定。
可选地,在本发明实施例中,如图1和图2所示,垂直于第一方向F1的任一平面内的摩擦纳米发电机单元21设置有三个。
当然,任一平面内的摩擦纳米发电机单元的设置数量并不限于三个,还可以为一个、两个、四个等,并且,不同平面内的摩擦纳米发电机单元的设置数量可以相同,也可以不相同,设置数量可以为两个、三个或四个等其他数值,具体可以根据实际需要进行设置,在此并不限定。
并且,摩擦纳米发电机组件并不限于包括三层摩擦纳米发电机(如图1和图2所示),还可以包括一层(未给出图示)、两层(未给出图示)、四层(未给出图示)等其他层数,具体可以根据波浪的激励特点进行设置,在此并不限定。
可选地,在本发明实施例中,如图5所示,配重部分和非配重部分的排列方向为第二方向(如F2所示的方向),各对称节点的排列方向为第三方向(如F3所示的方向),第二方向F2与第三方向F3垂直。
如此,有利于各摩擦纳米发电机的连接稳定性,进而提高发电系统的结构的稳定性,避免出现不希望出现的变形,进而避免影响发电系统的发电性能。
可选地,在本发明实施例中,浮子设置有多个,且浮子的设置数量与第一平面内摩擦纳米发电机单元的设置数量相同;
每个浮子分别与第一平面内的其中两个摩擦纳米发电机单元的配重节点连接,与不同浮子连接的各摩擦纳米发电机单元中至少部分相同;
其中第一平面为:设置有摩擦纳米发电机单元的各平面中靠近浮子的平面。
例如,如图2所示,第一平面为s1所指示的平面,第一平面内设置有三个摩擦纳米发电机单元,且浮子也设置有三个,将三个浮子分别标记为10a、10b和10c,将第一平面内的三个摩擦纳米发电机单元分别标记为21h、21j和21k,那么:
浮子10a分别与摩擦纳米发电机单元21k的配重节点和摩擦纳米发电机单元21h的配重节点连接;
浮子10b分别与摩擦纳米发电机单元21k的配重节点和摩擦纳米发电机单元21j的配重节点连接;
浮子10c分别与摩擦纳米发电机单元21j的配重节点和摩擦纳米发电机单元21h的配重节点连接;
也即:与浮子10a和浮子10b连接的各摩擦纳米发电机单元中部分相同,与浮子10a和浮子10c连接的各摩擦纳米发电机单元中部分相同,与浮子10c和浮子10b连接的各摩擦纳米发电机单元中部分相同。
又例如,若浮子设置有两个,且第一平面内设置有两个摩擦纳米发电机单元时,其中一个浮子分别与这个两个摩擦纳米发电机单元连接,另一个浮子同样也分别与这个两个摩擦纳米发电机单元连接;
也即:与不同浮子连接的各摩擦纳米发电机单元完全相同。
当然,浮子和第一平面内的摩擦纳米发电机单元的设置数量并不限于两个和三个,还可以为四个、五个或六个等其他值,可以根据实际需要进行设置,在此并不限定。
如此,通过对浮子和第一平面内摩擦纳米发电机单元的设置,在浮子沿第一方向往复移动时,可以均匀地带动第一平面内的摩擦纳米发电机单元进行偏转,使得各摩擦纳米发电机单元偏转的更加均匀和一致,进而有利于保证其他摩擦纳米发电机单元受力更加均匀,从而有利于提高发电系统的发电能力。
具体地,在本发明实施例中,浮子与第一平面内摩擦纳米发电机单元的设置数量还可以设置为不同,可以根据实际需要进行设置,以提高设计的灵活性,满足不同应用场景的需要,并且,只要通过浮子的往复移动,可以带动各摩擦纳米发电机单元发生偏转即可。
可选地,在本发明实施例中,针对相邻两个平面内的摩擦纳米发电机单元:
其中一个平面内的任一摩擦纳米发电机单元,分别与另一个平面内的至少两个摩擦纳米发电机单元连接;与不同摩擦纳米发电机单元连接,且位于另一平面内的各摩擦纳米发电机单元中至少部分相同。
例如,如图2所示,图中共示出了三层摩擦纳米发电机单元,且每层摩擦纳米发电机单元的设置数量均为三个,从上数第一层和第二层的摩擦纳米发电机单元为:相邻两个平面的摩擦纳米发电机单元,其中,从上数第一层(即第一平面,以下简写为平面1)中的摩擦纳米发电机单元分别标记为21h、21j和21k,从上数第二层(以下简写为平面2)中的摩擦纳米发电机单元分别标记为21v、21u和21z,那么:
以平面1为例:
摩擦纳米发电机单元21k分别与平面2内的摩擦纳米发电机单元21u和摩擦纳米发电机单元21v连接;
摩擦纳米发电机单元21h分别与平面2内的摩擦纳米发电机单元21z和摩擦纳米发电机单元21v连接;
摩擦纳米发电机单元21j分别与平面2内的摩擦纳米发电机单元21z和摩擦纳米发电机单元21u连接;
也即:平面1内的任一摩擦纳米发电机单元分别与平面2内的两个摩擦纳米发电机单元连接,且以摩擦纳米发电机单元21k和摩擦纳米发电机单元21h为例,与这两个摩擦纳米发电机单元连接的平面2内的各摩擦纳米发电机中部分相同。
说明一点,在平面1和平面2内的摩擦纳米发电机单元为串联连接时,平面1内的摩擦纳米发电机单元的非配重节点需要与平面2内的摩擦纳米发电机单元的配重节点连接;或者,在平面1和平面2内的摩擦纳米发电机单元为并联连接时,平面1内的摩擦纳米发电机单元的非配重节点需要与平面2内的摩擦纳米发电机单元的非配重节点连接,同时,平面1内的摩擦纳米发电机单元的配重节点需要与平面2内的摩擦纳米发电机单元的配重节点连接。
又例如,平面1和平面2内均设置有两个摩擦纳米发电机单元时,以平面1为例,那么:
平面1内的其中一个摩擦纳米发电机单元分别与平面2内的两个摩擦纳米发电机单元连接;
平面1内的另一个摩擦纳米发电机单元同样分别与平面2内的两个摩擦纳米发电机单元连接;
也即:平面1内的两个摩擦纳米发电机单元与平面2内的摩擦纳米发电机单元的连接关系是完全相同的。
说明一点,此例子中两个平面内的摩擦纳米发电机单元连接时,关于配重节点和非配重节点的选择可以参见上个例子,只要通过配重节点和非配重节点的设置,实现串联连接和/或并联连接即可。
如此,通过对相邻平面内摩擦纳米发电机单元的连接关系的设置,可以构成稳定的三维发电网络,在浮子往复移动时,可以均匀地带动各平面内的摩擦纳米发电机单元发生偏转,从而提高发电系统的发电能力。
需要强调的是,可选地,摩擦纳米发电机组件的结构并不限于图1和图2中所示,还可以为设置为:
设置有两层或两层以上,且每层均设置有一个摩擦纳米发电机单元,从而形成单链的摩擦纳米发电机组件;
或,设置有两层或两层以上,且每层均设置有至少一个摩擦纳米发电机单元,同时各层设置的摩擦纳米发电机单元的数量至少部分不同,从而形成比较复杂的摩擦纳米发电机组件,进而形成复杂的三维发电网络,同时可以有效提高发电系统的发电性能。
可选地,在本发明实施例中,如图1至图6所示,摩擦纳米发电机单元为球形。
当然,摩擦纳米发电机单元除了可以为球形之外,还可以为其他便于偏转或旋转的形状,具体可以根据激励模式进行设置,在此并不限定。
可选地,在本发明实施例中,如图7所示,摩擦纳米发电机单元可以包括:具有空腔的壳体(即211、212、213和214构成的结构)、以及位于空腔内的球体210;
其中在摩擦纳米发电机单元发生偏转时,球体210可以在空腔内发生转动,且与壳体发生接触和分离,从而输出电信号。
具体地,在本发明实施例中,如图7所示,壳体可以包括:位于最外侧表面的外壳214、位于最内侧的摩擦层211、以及位于外壳214与摩擦层211之间的电极层(如由213和212构成的膜层);
其中,电极层包括:间隔(也即虚线框3和4内所示的间隙)设置的第一电极层212和第二电极层213;
在球体210可以在空腔内发生转动时,球体210与摩擦层211发生接触和分离,产生的电信号并通过第一电极层212和第二电极层213输出。
如此,可以实现在摩擦纳米发电机单元发生偏转或旋转时产生电信号,将波浪能转换为转动动能,再由转动动能转换为电能,实现能量的转化和收集,从而实现发电系统的发电功能。
当然,可选地,摩擦纳米发电机单元的具体结构并不限于图7所示,还可以为其他可以实现摩擦纳米发电机单元功能的结构,在此并不限定。
具体地,在本发明实施例中,第一电极层和第二电极层的制作材料可以包括:导电金属等具有导电功能的材料,并且第一电极层和第二电极层的制作材料可以相同,当然也可以不同,可以根据实际需要进行设置,在此并不限定。
并且,球体的外表面的制作材料与摩擦层的制作材料可以为:具有不同电负性的材料,使得在摩擦起电的作用下,可以在球体的外表面和摩擦层感应出不同的电荷;对于球体的外表面的制作材料与摩擦层的制作材料的具体选择,可以根据实际需要进行设置,在此并不限定。
下面结合图1和图2所示的结构,对发电系统的工作原理进行说明。
参见图8所示,该图为图2所示的结构示意图对应的工作原理示意图。
其中,首先对图中示出的三层摩擦纳米发电机单元进行标记,从上数第一层摩擦纳米发电机单元所在的平面记为平面1,从上数第二层摩擦纳米发电机单元所在的平面记为平面2,从上数第三层摩擦纳米发电机单元所在的平面记为平面3。
1、在波浪的作用下,若浮子从下向上移动,浮子首先可以带动平面1内的摩擦纳米发电机单元沿着图(a)中所示的箭头方向发生旋转,在拉力的作用下,使得平面1内的摩擦纳米发电机单元的配重部分向上移动,非配重部分向下移动;
随着平面1内的摩擦纳米发电机单元的旋转,带动平面2内的摩擦纳米发电机单元沿着图(a)中所示的箭头方向发生旋转,在拉力的作用下,使得平面2内的摩擦纳米发电机单元的配重部分向上移动,非配重部分向下移动;
随着平面2内的摩擦纳米发电机单元的旋转,带动平面3内的摩擦纳米发电机单元沿着图(a)中所示的箭头方向发生旋转,在拉力的作用下,使得平面3内的摩擦纳米发电机单元的配重部分向上移动,非配重部分向下移动;
也就是说,由于平面1、平面2和平面3内的摩擦纳米发电机单元为串联连接,所以在浮子向上移动时,可以依次带动平面1、平面2和平面3内的摩擦纳米发电机单元发生旋转,最终从图(a)的状态转化为图(b)的状态,在将这一过程看作是激励过程时,发电系统经历了波浪能-转动动能和势能-电能的转换过程。
说明一点,固定结构由于起到固定作用,所以摩擦纳米发电机组件可以一直保持悬在液体中。
2、在波浪的作用下,若浮子从上向下移动,平面1内的摩擦纳米发电机单元失去了来自浮子的拉力,在重力的作用下,平面1内的摩擦纳米发电机单元沿着图(b)中所示的箭头方向发生旋转,使得平面1内的摩擦纳米发电机单元的配重部分向下移动,非配重部分向上移动;
随着平面1内的摩擦纳米发电机单元的旋转,在重力的作用下,平面2内的摩擦纳米发电机单元沿着图(b)中所示的箭头方向发生旋转,使得平面2内的摩擦纳米发电机单元的配重部分向下移动,非配重部分向上移动;
随着平面2内的摩擦纳米发电机单元的旋转,在重力的作用下,平面3内的摩擦纳米发电机单元沿着图(b)中所示的箭头方向发生旋转,使得平面3内的摩擦纳米发电机单元的配重部分向下移动,非配重部分向上移动;
也就是说,由于平面1、平面2和平面3内的摩擦纳米发电机单元为串联连接,所以在浮子向下移动时,可以在重力的作用下,依次带动平面1、平面2和平面3内的摩擦纳米发电机单元发生旋转,最终从图(b)的状态转化为图(a)的状态,在将这一过程看作是回复过程时,发电系统经历了势能-转动动能-电能的转换过程。
参见图9所示,该图为图1所示的结构示意图对应的工作原理示意图。
其中,首先对图中示出的三层摩擦纳米发电机单元进行标记,从上数第一层摩擦纳米发电机单元所在的平面记为平面1,从上数第二层摩擦纳米发电机单元所在的平面记为平面2,从上数第三层摩擦纳米发电机单元所在的平面记为平面3。
1、在波浪的作用下,若浮子从下向上移动,浮子可以同时带动平面1、平面2和平面3内的摩擦纳米发电机单元沿着图(a)中所示的箭头方向发生旋转,使得三个平面内的摩擦纳米发电机单元的配重部分均向上移动,非配重部分均向下移动;
也就是说,由于平面1、平面2和平面3内的摩擦纳米发电机单元为并联连接,所以在浮子向上移动时,可以同时带动平面1、平面2和平面3内的摩擦纳米发电机单元发生旋转,最终从图(a)的状态转化为图(b)的状态,在将这一过程看作是激励过程时,发电系统经历了波浪能-转动动能和势能-电能的转换过程。
2、在波浪的作用下,若浮子从上向下移动,在重力的作用下,平面1、平面2和平面3内的摩擦纳米发电机单元沿着图(b)中所示的箭头方向发生旋转,使得三个平面内的摩擦纳米发电机单元的配重部分均向下移动,非配重部分均向上移动;
也就是说,由于平面1、平面2和平面3内的摩擦纳米发电机单元为并联连接,所以在浮子向下移动时,在重力的作用下,平面1、平面2和平面3内的摩擦纳米发电机单元同时发生旋转,最终从图(b)的状态转化为图(s)的状态,在将这一过程看作是回复过程时,发电系统经历了势能-转动动能-电能的转换过程。
综合上述工作原理,在波浪的作用下,浮子在进行往复移动时,通过基于手性结构的三维网络,将纵向(也即垂直于第一方向的方向)激励转化为对摩擦纳米发电机单元的转动激励,使得发电系统经历了波浪能-转动动能和势能-电能的转换过程;在三维网络的回复过程中,在重力的作用下,可以使得三维网络回到最初的状态,该过程完成了势能-转动动能-电能的转换过程。
此外,由于激励过程以及回复过程中,各层摩擦纳米发电机单元的转动相位保持一致,对于同一三维网络下的摩擦纳米发电机单元,可以直接并联输出电信号而不会有能量损失。
需要说明的是,在平面1、平面2和平面3内的摩擦纳米发电机单元为并联连接时,各平面内的摩擦纳米发电机同时发生旋转,所需的激励力值更大,行程更小;而平面1、平面2和平面3内的摩擦纳米发电机单元为串联连接时,所需的激励力值更小,行程更大;因此,在具体实施时,可以根据实际需要选择各摩擦纳米发电机单元之间的连接关系,以满足不同应用场景的需要。
并且,在同一平面内设置有多个摩擦纳米发电机单元时,通过对称节点的连接,可以形成横向(也即垂直于第一方向的方向)网络;在设置有多个层的摩擦纳米发电机单元时,通过各摩擦纳米发电机单元的配重节点和非配重节点的连接,可以形成纵向(也即第一方向)网络,从而实现了三维网络结构的发电系统。
此外,由于摩擦纳米发电机单元中的配重部分和非配重部分的设置,可以调节浮力和重力的平衡状态,通过重力和浮力的作用,实现结构的折叠。
具体地,由于设置有配重部分,使得配重部分的重量大于非配重部分,摩擦纳米发电机单元的重心和浮心不重合,在液体(例如但不限于为水)中会产生一个旋转力矩,使重心和浮心的连线向竖直方向转动且重心在下,在旋转的过程中,由于连接线的约束,可以使得各摩擦纳米发电机单元堆积在一起,实现折叠的效果。
说明一点,可选地,上述内容中提及的连接线,可以理解为:
用于实现浮子与摩擦纳米发电机单元之间的连接、各摩擦纳米发电机单元之间的连接、以及摩擦纳米发电机单元与固定结构之间的连接的结构。
具体地,连接线可以采用具有一定刚性的材料,例如硬质材料,使得浮子的拉力可以通过连接线传递至摩擦纳米发电机单元中,从而带动摩擦纳米发电机单元发生旋转,产生电信号。
其中,对于连接线的具体设置材料,可以根据实际需要、发电系统所用环境的腐蚀性、连接强度、激励的响应速度等因素选择不同刚性的材料,只要能够使得发电系统稳定发电即可。
基于同一发明构思,本发明实施例提供了一种如本发明实施例提供的上述发电系统的发电方法,可以包括:
在波浪的作用下,浮子沿着第一方向往复移动时,浮子带动多个摩擦纳米发电机单元发生偏转,使得各摩擦纳米发电机单元输出电信号。
需要说明的是,本发明实施例中提供的发电系统和发电方法,可以实现以下技术效果:
本发明实施例在摩擦纳米发电技术以及手性结构的基础上,提出了用于收集波浪能的基于手性结构的三维发电机网络,基于三维手性结构,打破了结构对称性,将拉伸运动转换为偏转或者旋转,适应摩擦纳米发电机单元的激励特点,结合特殊的器件结构,可以实现放大效应;并且,三维网络相比于二维网络可以更充分利用水面及临近水面区域,增加单位水域面积的空间利用率;基于浮力和重力的作用、以及对称性,实现了三维网络结构的折叠与展开,实现器件的周期性激励回复运动,达到水力-重力弹簧的效果。
此外,串联手性单链与并联手性单链,对于浪高、激励频率具有不同的响应范围,在实际应用中可以根据水域特点灵活选择或组合应用,使得该发电系统可以响应宽频波浪激励,使单位水域面积的输出功率得到大幅提升,将推动纳米发电机技术进一步向产业化迈进。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种发电系统,其特征在于,包括:沿着第一方向设置且连接的浮子、摩擦纳米发电机组件和固定结构;所述浮子漂浮在液体表面;
所述固定结构用于:所述摩擦纳米发电机组件悬在液体中;
所述摩擦纳米发电机组件包括:连接的多个摩擦纳米发电机单元,至少部分所述摩擦纳米发电机单元沿着所述第一方向悬在液体中;
在波浪的作用下,所述浮子沿着所述第一方向往复移动时,所述浮子在移动过程中产生的拉伸运动,转换为带动各所述摩擦纳米发电机单元的偏转运动,使得各所述摩擦纳米发电机单元输出电信号;
其中,液体表面平静时与所述第一方向垂直。
2.如权利要求1所述的发电系统,其特征在于,各所述摩擦纳米发电机单元之间的连接关系为:串联和并联中的至少一种。
3.如权利要求1所述的发电系统,其特征在于,所述摩擦纳米发电机单元包括:配重部分和非配重部分;
所述摩擦纳米发电机单元还包括:与所述配重部分对应设置的配重节点、与所述非配重部分对应设置的非配重节点;
针对沿所述第一方向设置的相邻两个所述摩擦纳米发电机单元:
相邻的两个所述摩擦纳米发电机单元串联连接,其中一个所述摩擦纳米发电机单元的所述配重节点与另一个所述摩擦纳米发电机单元的所述非配重节点连接;或,相邻的两个所述摩擦纳米发电机单元并联连接,其中一个所述摩擦纳米发电机单元的所述配重节点与另一个所述摩擦纳米发电机单元的所述配重节点连接,且其中一个所述摩擦纳米发电机单元的所述非配重节点与另一个所述摩擦纳米发电机单元的所述非配重节点连接。
4.如权利要求3所述的发电系统,其特征在于,所述配重节点位于所述配重部分的中心,所述非配重节点位于所述非配重部分的中心。
5.如权利要求3所述的发电系统,其特征在于,垂直于所述第一方向的任一平面内设置有两个或两个以上的所述摩擦纳米发电机单元;
所述摩擦纳米发电机单元还包括:多个对称节点;
针对垂直于所述第一方向的任一平面内的各所述摩擦纳米发电机单元:
各所述摩擦纳米发电机单元的所述对称节点互相连接。
6.如权利要求5所述的发电系统,其特征在于,所述配重部分和所述非配重部分的排列方向为第二方向,各所述对称节点的排列方向为第三方向,所述第二方向与所述第三方向垂直。
7.如权利要求5所述的发电系统,其特征在于,所述浮子设置有多个,且所述浮子的设置数量与第一平面内所述摩擦纳米发电机单元的设置数量相同;
每个所述浮子分别与所述第一平面内的其中两个所述摩擦纳米发电机单元的配重节点连接,与不同所述浮子连接的各所述摩擦纳米发电机单元中至少部分相同;
其中所述第一平面为:设置有所述摩擦纳米发电机单元的各所述平面中靠近所述浮子的平面。
8.如权利要求5所述的发电系统,其特征在于,针对相邻两个平面内的所述摩擦纳米发电机单元:
其中一个平面内的任一所述摩擦纳米发电机单元,分别与另一个平面内的至少两个所述摩擦纳米发电机单元连接;与不同所述摩擦纳米发电机单元连接,且位于另一平面内的各所述摩擦纳米发电机单元中至少部分相同。
9.如权利要求5所述的发电系统,其特征在于,垂直于所述第一方向的任一平面内的所述摩擦纳米发电机单元设置有三个。
10.如权利要求1-9任一项所述的发电系统,其特征在于,所述摩擦纳米发电机单元为球形。
11.一种如权利要求1-10任一项所述的发电系统的发电方法,其特征在于,包括:
在波浪的作用下,浮子沿着第一方向往复移动时,所述浮子在移动过程中产生的拉伸运动,转换为带动各所述摩擦纳米发电机单元的偏转运动,使得各所述摩擦纳米发电机单元输出电信号。
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