CN115111107B - 一种基于纳米发电机的全方位波浪能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纳米发电机的全方位波浪能发电装置，包括：球壳、设置在球壳内部的发电单元、储能单元；其中：发电单元包括由一个十八面体分成的六个梯形空壳立方体、设置在梯形空壳立方体内部的固定板和活动板；且活动板上依次贴有作为金属电极的铝箔和作为介电薄膜和摩擦层材料的PTFE膜；固定板上依次贴有作为金属电极的铝箔和作为介电薄膜和摩擦层材料的Nylon膜；储能单元，包括整流桥、稳压电容以及储能电池；发电单元和整流桥串联形成一个发电组，再与储能电池串联，储存电能。本发明装置基于纳米发电机进行构建，在受到来自不同方向的海浪的冲击时，能够实现对低频率、低振幅的波浪能全方位高效收集，将来自不同方向波浪能转换为电能。
Description
技术领域
本发明涉及波浪能的收集以及波浪能发电系统技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于纳米发电机的全方位波浪能发电装置。
背景技术
随着工业化进程的加快，全球性的资源短缺、环境污染和生态恶化等问题日益加剧。能源危机和使用化石能源带来的环境污染问题亟待解决，从自然界获取可再生能源是解决能源危机和环境问题的最有效的途径。
优化能源结构、快速发展清洁、高效、低碳的新型能源以代替传统化石能源，才能在未来即将到来的工业革命中占领先机。地球表面的71％的是由海洋覆盖的，海洋里蕴藏着极为丰富的资源和能源。在我国加快建设海洋强国的背景下，开发和利用海洋能，缓解资源日渐匮乏的趋势，是一种解决能源危机和环境污染问题的最有效的途径。
海洋能源主要以潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能等形式存在，其中，海洋能在全球范围内的总量高达750亿kW以上，与此同时具有能量密度高，分布面广等优点。由于波浪能的频率很低，波浪能的采集极其困难，如果能将波浪能充分利用起来，能源危机和环境污染问题将会有所缓解。
发明内容
根据上述提出的技术问题，提供一种基于纳米发电机的全方位波浪能发电装置。本发明装置基于纳米发电机进行构建，在受到来自不同方向的海浪的冲击时，能够实现对低频率、低振幅的波浪能全方位高效收集，将来自不同方向波浪能转换为电能。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于纳米发电机的全方位波浪能发电装置，包括：球壳、设置在球壳内部的发电单元、储能单元；其中：
发电单元包括由一个十八面体分成的六个梯形空壳立方体、设置在梯形空壳立方体内部的固定板和活动板；且活动板上依次贴有作为金属电极的铝箔和作为介电薄膜和摩擦层材料的PTFE膜；固定板上依次贴有作为金属电极的铝箔和作为介电薄膜和摩擦层材料的Nylon膜；
储能单元，包括整流桥、稳压电容以及储能电池；发电单元和整流桥串联形成一个发电组，再与储能电池串联，储存电能。
进一步地，所述十八面体的中心位置开设有用于安装所述储能单元的方形腔体，且方形腔体的长度与所述梯形空壳立方体的上底面长度相等，所述空腔正方体的每一面分别开设有用于安装所述梯形空壳立方体的梯形腔体。
进一步地，所述梯形空壳立方体的下底面通过弹簧固定连接在所述球壳的内壁上，弹簧安装在弹簧槽内，弹簧槽分别固定在所述梯形空壳立方体的下底面上和所述球壳的内壁上。
进一步地，所述球壳由六部分的壳体组装连接，收集来自不同方向的波浪能，每一部分壳体内均开设有一空腔，空腔的顶部与梯形空壳立方体的下底面平行设置，空腔的两侧与梯形空壳立方体的四个腰面平行设置；且球壳采用玻璃胶进行密封。
进一步地，所述梯形空壳立方体的内部设置有上滑轨槽和下滑轨槽，所述活动板两端固定连接滑轮，活动板通过滑轮在上滑轨槽和下滑轨槽内活动；当全方位波浪能发电装置受到来自不同方向海浪的冲击时，十八面体顺着弹簧的安装方向在六个球壳内壁之间晃动，梯形空壳立方体内的固定板和活动板顺着弹簧晃动的方向发生接触分离。
进一步地，所述固定板和活动板的数量相等，且所述固定板和活动板的数量不限。
进一步地，所述发电单元中，在固定板上的PTFE膜和活动板上的Nylon膜接触过程中，由于接触起电效应，活动板上的PTFE膜表面带有负电荷，固定板上的Nylon膜表面的带有正电荷；当加载在纳米发电机表面的力被卸载时，两个带电表面发生分离，两个表面中间会形成一个小的空气间隙，并在两个电极之间形成感应电势差。
进一步地，若两个电极通过负载连接在一起，电子会通过负载从一个电极流向另一个电极，形成一个反向的电势差来平衡静电场。
进一步地，当两个摩擦层中间的空气间隙闭合时，由摩擦电荷形成的电势差消失，电子会发生回流。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的全方位波浪能高效采集装置，由梯形空壳立方体内部的固定内板和活动板构建发电单元，为使得该装置可全方位吸收波浪能，不受海浪撞击倾覆等影响，特地将外壳分成六个部分，收集来自不同方向的波浪能，保证在受到来自不同方向的海浪的冲击时，能够实现对低频率、低振幅的波浪能全方位高效收集，将来自不同方向波浪能转换为电能。
2、本发明提供的全方位波浪能高效采集装置，其在活动板上依次贴有作为金属电极的铝箔和作为介电薄膜和摩擦层材料的聚四氟乙烯(PTFE)膜；固定板上依次贴有作为金属电极的铝箔和作为介电薄膜和摩擦层材料的尼龙(Nylon)膜，由于PTFE和Nylon是高分子材料，高分子的绝缘性能很好，所以两个高分子材料表面的电荷可以保持很长时间。
基于上述理由本发明可在波浪能的收集以及波浪能发电系统等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明全方位波浪能高效采集装置整体结构爆炸图。
图2为本发明全方位波浪能高效采集装置整体结构示意图。
图3为本发明发电单元结构示意图。
图4为本发明发电单元发电原理示意图。
图5为本发明储能装置的整流电路示意图。
图6为本发明十八面体示意图。
图7为本发明实施例提供的球壳结构尺寸图。
图8为本发明实施例提供的梯形空壳立方体结构尺寸图。
图9为本发明实施例提供的弹簧尺寸图。
图中：1、球壳；2、弹簧；3、梯形空壳立方体的外壁；4、球壳内壁；5、储能装置；6、梯形空壳立方体；7、滑轨槽；8、滑轨；9、固定板；10、活动板；11、整流桥；12、全方位波浪能发电装置；13、稳压电容；14、外部用电器；15、金属电极；16、导线；17、十八面体。
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，任向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。
如图1所示，本发明提供了一种基于纳米发电机的全方位波浪能发电装置，包括：球壳1、设置在球壳1内部的发电单元、储能单元5；其中：
发电单元包括由一个十八面体17分成的六个梯形空壳立方体6、设置在梯形空壳立方体6内部的固定板9和活动板10；且活动板10上依次贴有作为金属电极的铝箔和作为介电薄膜和摩擦层材料的聚四氟乙烯(PTFE)膜；固定板9上依次贴有作为金属电极的铝箔和作为介电薄膜和摩擦层材料的尼龙(Nylon)膜；
储能单元5，包括整流桥11、稳压电容13以及储能电池；发电单元和整流桥11串联形成一个发电组，再与储能电池串联，储存电能。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图2所示，所述球壳由六部分的壳体组装连接，收集来自不同方向的波浪能，每一部分壳体1内均开设有一空腔，空腔的顶部与梯形空壳立方体6的下底面平行设置，空腔的两侧与梯形空壳立方体6的四个腰面平行设置；且六部分球壳1采用玻璃胶进行密封，解决海水腐蚀问题。在本实施例中，如图6所示，为球壳1的尺寸图，球壳1的外半径为155mm，内半径为153mm；球壳内壁4的外边长170mm，短边为60mm。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述空十八面体17的中心位置开设有用于安装所述储能单元5的方形腔体，且方形腔体的长度与所述梯形空壳立方体6的上底面长度相等。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述梯形空壳立方体的下底面通过弹簧固定连接在所述球壳的内壁上，弹簧安装在弹簧槽内，弹簧槽分别固定在所述梯形空壳立方体的下底面上和所述球壳的内壁上。如图3所示，所述梯形空壳立方体的内部设置有上滑轨槽和下滑轨槽7，所述活动板两端固定连接滑轮8，活动板10通过滑轮8在上滑轨槽和下滑轨槽7内活动；在本实施例中，滑轮8的高度为4mm，在上滑轨槽和下滑轨槽7的活动空间为3mm；固定板9的总高度为4mm，宽度根据位置来具体变化；活动板10的活动空间为2mm，滑轮8和活动板10连接轴高度为1mm，宽度根据位置来具体变化；上滑轨槽和下滑轨槽7高为2mm，上滑轨槽和下滑轨槽7之间的活动空间为3mm。此时在梯形空壳立方体6的一个方向有10组发电装置，每个组合之间有2个电极层，一共有6个方向，所以发电单元一共120个电极层。当全方位波浪能发电装置12受到来自不同方向海浪的冲击时，梯形空壳立方体6顺着弹簧2的安装方向在六个壳体空腔内壁之间晃动，梯形空壳立方体6内的固定板9和活动板10顺着弹簧2晃动的方向发生接触分离。在本实施例中，如图8所示，为梯形空壳立方体6结构尺寸图，梯形空壳立方体6上部四棱台上底的边长均为100mm，下底的边长均为160mm，高为30mm，梯形空壳立方体6下部四棱台上底的边长均为20mm，下底的边长均为160mm，高为70mm。如图9所示，为本发明实施例提供的弹簧尺寸图，弹簧2的长度30mm，外半径为5mm，内半径为3mm；
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述固定板和活动板的数量相等，且所述固定板和活动板的数量不限。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述发电单元中，在固定板上的PTFE膜和活动板上的Nylon膜接触过程中，由于接触起电效应，活动板上的PTFE膜表面带有负电荷，固定板上的Nylon膜表面的带有正电荷；由于PTFE和Nylon是高分子材料，高分子的绝缘性能很好，所以两个高分子材料表面的电荷可以保持很长时间。当加载在纳米发电机表面的力被卸载时，两个带电表面发生分离，两个表面中间会形成一个小的空气间隙，并在两个电极15之间形成感应电势差。若两个电极15通过负载连接在一起，电子会通过负载从一个电极15流向另一个电极15，形成一个反向的电势差来平衡静电场。当两个摩擦层中间的空气间隙闭合时，由摩擦电荷形成的电势差消失，电子会发生回流。
如图4所示，为全方位波浪能发电装置12发电原理图，在一个完整的发电周期内，共可分为4个阶段，电子在一个周期内通过接触起电以及电荷平衡两个原理来实现电子在PTFE和Nylon转移，由于电荷平衡能够使得电子在两个金属电极15之间转移，产生与电子转移方向相反的且等量的电流，产生电压，实现波浪能与电能之间的转换。
如图5所示，本装置的储能单元5由电容器14、整流桥11、储能电池组成。由于发电装置在发电过程中受波浪的振幅、频率以及易受风能等其他外界因素影响，产生的电压极其不稳定，故需要整流桥11以及稳压电容13对转换的电能进行处理再进行储存。在基于纳米发电机的全方位波浪能发电装置系统中，发电单元和整流桥11串联形成一个发电组，然后与储能电池串联，储存电能。此外，全方位波浪能发电装置12的电压较高，电流较低，如果将多个全方位波浪能发电装置12进行并联，可以大幅度的提高全方位波浪能发电装置12的输出电流和输出功率。
下面对全方位波浪能发电装置12的发电过程进行阐述，当全方位波浪能发电装置12来自不同方向海浪的冲击时，十八面体17顺着弹簧2的安装方向在六个壳体空腔球壳内壁4之间晃动，梯形空壳立方体6内的固定板9和活动板10也会顺着弹簧晃动的方向发生接触分离。由于球壳1分布在六个方向，全方位波浪能发电装置12受到来自不同方向的海浪的冲击时，可以将来自不同方向波浪能转换为电能，实现波浪能的全方位高效收集。通过接触起电来实现电子在PTFE和Nylon转移，通过电荷平衡原理，两个金属电极15有电荷转移，最终形成电流，产生电压，实现波浪能与电能之间的转换，由于潮起潮落是不断地发生，全方位波浪能发电装置12会一直把波浪能转换为电能。波浪能的存在不规则性与低频性，全方位波浪能发电装置12产生的电压不稳定，需要整流处理，通过整流桥11整流后，输出电压是单向脉动电压，这样的电压强度的波动很大，会对储能电池造成冲击，需要一个稳压电容13将单向波脉动电压变成均匀电压，经过转换的电能利用储能电池进行储存，以备外部用电器14使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种基于纳米发电机的全方位波浪能发电装置，其特征在于，包括：球壳、设置在球壳内部的发电单元、储能单元；其中：
发电单元包括由一个十八面体分成的六个梯形空壳立方体、设置在梯形空壳立方体内部的固定板和活动板；且活动板上依次贴有作为金属电极的铝箔和作为介电薄膜和摩擦层材料的PTFE膜；固定板上依次贴有作为金属电极的铝箔和作为介电薄膜和摩擦层材料的Nylon膜；
梯形空壳立方体的下底面通过弹簧固定连接在球壳的内壁上，弹簧安装在弹簧槽内，弹簧槽分别固定在梯形空壳立方体的下底面上和球壳的内壁上；
梯形空壳立方体的内部设置有上滑轨槽和下滑轨槽，活动板两端固定连接滑轮，活动板通过滑轮在上滑轨槽和下滑轨槽内活动；当全方位波浪能发电装置受到来自不同方向海浪的冲击时，十八面体顺着弹簧的安装方向在六个球壳内壁之间晃动，梯形空壳立方体内的固定板和活动板顺着弹簧晃动的方向发生接触分离；
储能单元，包括整流桥、稳压电容以及储能电池；发电单元和整流桥串联形成一个发电组，再与储能电池串联，储存电能；
发电单元中，在固定板上的PTFE膜和活动板上的Nylon膜接触过程中，由于接触起电效应，活动板上的PTFE膜表面带有负电荷，固定板上的Nylon膜表面的带有正电荷；当加载在纳米发电机表面的力被卸载时，两个带电表面发生分离，两个表面中间会形成一个小的空气间隙，并在两个电极之间形成感应电势差。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米发电机的全方位波浪能发电装置，其特征在于，所述十八面体的中心位置开设有用于安装所述储能单元的方形腔体，且方形腔体的长度与所述梯形空壳立方体的上底面长度相等。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米发电机的全方位波浪能发电装置，其特征在于，所述球壳由六部分的壳体组装连接，收集来自不同方向的波浪能，每一部分壳体内均开设有一空腔，空腔的顶部与梯形空壳立方体的下底面平行设置，空腔的两侧与梯形空壳立方体的四个腰面平行设置；且六部分球壳之间采用玻璃胶进行密封。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米发电机的全方位波浪能发电装置，其特征在于，所述固定板和活动板的数量相等，且所述固定板和活动板的数量不限。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米发电机的全方位波浪能发电装置，其特征在于，若两个电极通过负载连接在一起，电子会通过负载从一个电极流向另一个电极，形成一个反向的电势差来平衡静电场。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米发电机的全方位波浪能发电装置，其特征在于，当两个摩擦层中间的空气间隙闭合时，由摩擦电荷形成的电势差消失，电子会发生回流。
7.根据权利要求1所述的一种基于纳米发电机的全方位波浪能发电装置，其特征在于，所述发电单元中，在梯形空壳立方体的一个方向有10组发电装置，每个组合之间有2个电极层，一共有6个方向，所以发电单元一共120个电极层。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA404123A (en) * | 1942-04-14 | Courcoulas Emmanuel | Energy transforming apparatus | |
| CA485914A (en) * | 1952-08-19 | C Charles F. Crumb, Sr. | Harvesting power unit | |
| CN101649813A (zh) * | 2009-09-09 | 2010-02-17 | 张建洲 | 水流海浪潮汐动能和风能太阳能发电的综合系统 |
| BRPI0903264A2 (pt) * | 2009-08-26 | 2011-05-24 | Batista Ferreira De Andrade João | sistema hìbrido e co gerador de energia elétrica limpa e sustentável dotado de usina hidrelétrica marìtima, de central de geração termelétrica abastecida por eletricidade e acoplada com estação dessalinizadora e de hidrelétrica em contêiner, integradas a central maré-motriz, usina de energia das ondas, estação de tratamento de água doce, usina eólica e painel solar de células fotovoltaicas para abastecimento de regiões urbanas, rurais e redes aerorodoferroviáriateleféricas |
-
2022
- 2022-05-13 CN CN202210524817.3A patent/CN115111107B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA404123A (en) * | 1942-04-14 | Courcoulas Emmanuel | Energy transforming apparatus | |
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| CN101649813A (zh) * | 2009-09-09 | 2010-02-17 | 张建洲 | 水流海浪潮汐动能和风能太阳能发电的综合系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 《机械工程学报》2019年度1～24期总目次;机械工程学报;20191220(24);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115111107A (zh) | 2022-09-27 |
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