CN115803988A - 功率产生和存储设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在局部捕获、存储和专门使用从自然源(诸如太阳能或水能)产生的功率的设备和方法。该设备可以用在例如商业或住宅建筑物、车辆、海洋船舶、风力发电场涡轮机塔架中或在其附近，或者用在太阳能园区或光伏电站中，或者用在需要局部功率产生、局部功率存储和更广泛功率分配的任何地方。

Description

功率产生和存储设备
本发明涉及一种用于产生、存储和管理源自自然源(诸如太阳能或水能)的电的设备。该设备可以用在例如商业或住宅建筑物、车辆、海洋船舶、风力发电场涡轮机塔架上或用在其中或用在其附近，用在太阳能园区或光伏发电站中，或者用在需要局部功率产生、局部功率存储和更广泛功率分配的且在包含该设备的区域的布局内外需要能量管理的任何地方。
发明背景
存在许多类型的能够从自然源(诸如太阳能或水能)捕获能量、将其转换成电能并存储的设备。
一种这类设备包括含有钙钛矿材料的设备。钙钛矿是由钛酸钙(CaTiO3)组成的钛钙氧化物矿物。术语“钙钛矿”还用于指代具有与CaTiO3相同类型的立方晶体结构的这类化合物。它们一般具有化学式ABX3，其中‘A’和‘B’表示阳离子，X是结合到两个阳离子的阴离子。
钙钛矿由于它们相对简单的制造工艺也是可取的。
然而，始终有提供用于能量转换的新装置的愿望。
因此，根据本发明，提供了一种用于将来自自然能量源的功率转换成电并将电存储和分配的设备，该设备包括：
i)一个或多个第一装置，其能够将来自自然能量源的功率转换成电；
ii)一个或多个第二装置，其能够存储由一个或多个第一装置产生的电；
iii)第三装置，其能够将电从一个或多个第一装置引导到一个或多个第二装置；
iv)第四装置，其能够分配来自设备的电。
本发明的设备可以用于从太阳能或从水能产生电。
本发明的设备可以用在需要功率产生和存储的任何地方，诸如在住宅或商业建筑物、功能结构或车辆、海洋船舶或风力发电场涡轮机塔架中、在其上或在其附近，或者在太阳能园区或光伏发电站中，或者在需要局部功率产生、局部功率存储和更广泛功率分配的任何地方。
当使用时，可以采用这些设备中的一个或多个设备。
使用一个或多个设备的一个可能地点是在海洋船舶上，其可以是从较小的舟或游艇到较大的船舶(诸如货船、油轮或旅游班轮)的任何一种。一个或多个设备可以安装在船舶的任何暴露表面(诸如甲板)上、或安装在船舶的侧面上、或安装在舱顶上或安装在可以暴露于可能认为适合能量产生的必要元素(诸如太阳或水)的其他任何地方。如果将设备用在较大的船舶上，那么考虑到较大的船舶有更大的功率要求，它就通常被设计成与用在较小船舶上的设备的存储容量相比具有更大的存储容量。这可以采取堆叠的形式，其中将添加附加的电存储空间以提供附加电池、超级电容器或混合存储空间。设备的高度将与它们供应的存储量成比例，即更高的设备表示更高的能量存储水平。
现在将更详细地讨论本发明中的第一装置、第二装置、第三装置和第四装置。
第一装置
根据本发明的一个实施例，一个或多个第一装置能够将来自自然源(诸如太阳能或水能)的能量转换成电。为此，它们可以包括能够将来自自然源(诸如太阳能电或水)的能量转换成电的任何装置。这类装置的一个示例包括一个或多个太阳能或光伏(PV)电池。PV电池还能够通过提供用于电解的功率以从水中产生氢。
可替代地，可以吸收可见频率和红外频率的超材料(即，被设计成具有在天然存在的材料中未发现的特性的材料)也可以捕获来自太阳的能量。这类材料的非限制性示例包括使用化学气相沉积(CVD)而形成的石墨烯材料，或三维涂层材料的组合；或二维(2D)材料的组合，包括传导性2D碳化物、氮化物和碳氮化物的任何组合，其在材料科学中也被称为MXene；或磷烯，其可以用于生产氢或用于在PV模块的一部分内产生能量。
一个或多个第一装置可以构成设备中的第一层。
在本发明的一个实施例中，一个或多个第一装置可以包括二维材料(其可以被喷墨印刷)，其能够作为PV电池进行能量转换。该PV电池可以包括例如选自钙钛矿层、碳糊、贵金属和/或传导膜中的一种或多种。
一个或多个第一装置可以包括背板，其可以是导电的，并且可以包括选自以下的一种或多种材料：碳纳米管(其可以是单层或多层)、氮化硼、石墨烯、氧化石墨烯、金属(例如银、铜、金、铝)或这些材料的任何组合。背板可以是较大的密封构件的一部分，该密封部件具有聚合物基的覆盖膜或在需要时具有树脂涂层。背板还可以充当能量存储层。
一个或多个第一装置(诸如PV电池)可以涂覆有传导性材料，诸如但不限于氧化石墨烯材料(诸如氧化石墨烯浆料)。
PV电池可以直接印刷到背板上，然后在再次被覆盖以免受环境影响之前用传导性聚合物膜密封。可替代地，PV电池可以直接印刷到玻璃上，并且使用低功率激光和玻璃料或银来将其气密地密封到背板。
当在设备中存在多个第一装置(诸如PV电池)时，它们可以以期望的任何图案或形式进行布置，并且可以被制成一个或多个定制形状，这些定制形状被连接在一起作为电路以将产生的电通过一个第一装置的一侧递送到相邻装置。多个第一装置的最终设计布置取决于设备的尺寸和用于该特定要求的第一装置的类型。
根据一个实施例，多个第一装置可以成行布置，其可以是基本上平行的。可替代地，多个第一装置可以定位在小集群中，其中它们中的许多在包括一个或多个第一装置的第一层的不同部分(可以存在两个、三个、四个或更多个部分)中彼此紧邻。
一个或多个第一装置(诸如PV电池)可以涂覆有传导性材料，诸如但不限于氧化石墨烯材料(诸如氧化石墨烯浆料)。
PV电池可以直接印刷到背板上，然后在再次被覆盖以免受环境影响之前用传导性聚合物膜密封。
当本发明的设备使用水能或水蒸气来产生电时，该设备可以具有氢生产电池，其使用光伏技术和热以从水中生成氢并因此生成电。该设备还可以将氢存储在由金属氧化物或具有石墨烯的金属氧化物所制成的金属结构中。如果设备用于产生氢，那么所产生的氢可以被存储在PV电池下且在需要之前被化学存储。
水来源于河流或海洋，并且可以过滤，诸如通过石墨烯过滤；或者它可以通过冷凝以水蒸气的形式从空气中汇集。因此，这种过滤器可以作为第一装置的一部分而存在。
设备通常可以包括保护层。保护层通常还是当本发明的设备在使用中时在设备中的最上面的层，接近自然能量源，并且该层将最多地暴露于元素且潜在地暴露于人类接触。当设备位于地板或甲板表面上时，它也是在其上行走的层，因此需要坚固到足以在其上行走时而不发生破裂和断裂，同时还保持相对轻质、耐用且耐刮擦和耐极端温度条件，并且还是基本上防打滑的。因此，根据另一实施例，保护层设置有非打滑特质，以便在保护层上行走的人不会打滑和跌倒。这种非打滑特质的示例包括但不限于：凸出的突起，可选地为图案的形式，其可以是随机或重复的、规则或不规则的，其可以在每个装置上整体成形为凹的或凸的表面，并且其可以允许更大的摩擦系数并因此进行夹持；或者是嵌入于层中的颗粒材料的块，其提供更粗糙的表面，并因此还提供更大的摩擦系数。可替代地，非打滑特质可以应用在辊系统中或直接附接到表面(诸如甲板表面)。这些非打滑区域图案还可以充当防止光从设备内部逸出的光导。保护层还可以具有光散射或非反射涂层。
在一个实施例中，保护层可以是相对于本发明的一个或多个第一装置的分立实体。可替代地，在另一实施例中，保护层可以包括第一装置的一部分，并且在其内包含能够将来自自然能量源的功率转换成电的一个或多个第一装置中的一个或多个。
在另一实施例中，一个或多个第一装置可以位于保护层下方。例如，一个或多个第一装置可以附着到保护层的下侧或位于保护层正下方。
这些装置可以通过任何适合的手段(诸如通过粘合剂或适合的稳定的传导性背衬材料)结合到保护层上。
在这些实施例的任一实施例中，无论保护层在其内是否包含能够将来自自然能量源的功率转换成电的一个或多个第一装置，并且同时保护一个或多个第一装置和设备的其余部分免受损坏，它都被设计成允许能够将来自自然能量源的功率转换成电的一个或多个第一装置暴露于自然能量源，使得它们能够产生电。
因此，保护层必须包括能够允许这样的材料。例如，在太阳能的情况下，保护层需要是能被太阳透过的。在一些实施例中，保护层在视觉上是透明的，和/或太阳辐射可透过的。保护层可以包括诸如树脂、玻璃纤维、钢化玻璃或硬化聚合物(诸如以商品名称
Figure BDA0004046773670000051
或
Figure BDA0004046773670000052
所销售的硅基聚合物、聚碳酸酯或聚(甲基丙烯酸甲酯))等材料或由这些材料形成，或通过薄膜集成技术形成。它还可以是赋予多用途增强的材料的任何混合物，诸如能够提供诸如非打滑和耐久性等特质的材料。根据一个实施例，保护层可以包括基本上透明的聚碳酸酯或玻璃、或两者的组合以作为复合材料；或者保护层可以包括薄膜。例如，在整个海洋船舶上，设想到了本发明的单个设备可以在保护层中分别包括不同的材料。
一个或多个第一装置可以是平面喷墨印刷或丝网印刷的，或者它们可以是3D印刷的。它们可以包括塑料箔基底或类似物，并且例如采用钙钛矿结晶的使用。在一个或多个装置中一些钙钛矿材料的存在使得它们能够从相同的光谱吸收两倍多的能量。例如，PV电池常常能够吸收约15％-18％的太阳能；然而，在钙钛矿材料的存在下，可以吸收的能量在30％-50％之间，这进而意味着可以产生更大量的电。一个或多个第一装置还可以包括使用碳或石墨烯纳米管作为它们结构的一部分，其或是在铜层上生产或是作为材料的夹层结构的一部分来收集太阳能。
保护层还可以包括在其上的三维结构或图案。这些三维结构或图案可以通过例如激光切割、蚀刻或热压的方式生成。这种三维结构或图案的存在使得能够放大进入设备的光，并且还能够扩散离开设备的光。
多个第一装置的一种可替代布置是它们可以位于保护层的一侧或多侧上，或是在保护层内或是在其下侧上。任何汇集的能量均将围绕在装置布局内设计的装置阵列的边缘流动，具有绕过任何单个装置的能力，如果它们变得不可操作或者超出正常使用而受到损坏的话，则通过装置布置的设计而得以避免。
第二装置
一个或多个第二装置能够存储由一个或多个第一装置产生的电。
通常，当被转换成电的自然能量源是太阳能时，能够存储由一个或多个第一装置产生的电的一个或多个第二装置包括一个或多个电池、或一个或多个超级电容器与一个或多个电池的组合以作为混合替代方案。电池可以是技术人员认为适合的任何类型。一个或多个超级电容器可以包括一种或多种以下非限制性材料：一种或多种钙钛矿化合物、一种或多种金属氧化物(诸如氧化铟锡、氟氧化锡、铝掺杂氧化锡、氧化钌、氧化铱、氧化锌、氧化铜、氧化锰和/或氧化镍)，并且还可以包括传导性材料或金属的纳米管，诸如碳纳米管或使用铜、镍或钴制成的纳米管。如果需要，还可以添加一定量的铋以加速阳极/阴极相互作用；这个可以是元素形式或作为化合物。
可以在本发明的设备中使用的钙钛矿化合物的示例包括但不限于BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3、Bi4Ti3O12、(K0.5Na0.5)NbO3、Na0.5Bi0.5TiO3、(Pb,La)(Ti,Zr)O3、BiFeO3、PbMg1/3Nb2/3O3、SrRuO3、(La,A)MnO3(其中A＝Ca、Sr、Ba)、SrTiO3、LaGaO3、BaIn2O5、BaCeO3、BaZrO3、(La,Sr)BO3(其中B＝Mn、Fe、Co)、LaAlO3、YAlO3。
相对于由一个或多个第一装置产生的电输出，一个或多个超级电容器能够在化学上将电输出增加至少两倍，甚至增加多达约10倍。
一个或多个超级电容器可以位于诸如由铝制成的壳体内。一个或多个超级电容器可以具有分层结构或分形结构。
可替代地，在本发明的另一实施例中，当被转换成电的自然能量源是水能时，用在太阳能转换实施例中的电池和超级电容器由诸如一个或多个金属氧化物结构的储氢装置代替，其存储从水中产生的氢。金属氧化物可以包括但不限于氧化锰、氧化铟锡、氟氧化锡、铝掺杂氧化锡、氧化钌、氧化铱、氧化锌、氧化铜和/或氧化镍。
第三装置
第三装置能够将电从一个或多个第一装置引导到一个或多个第二装置。在一个实施例中，它可以包括印刷电路板(PCB)，它管理任何收集的能量并将其引导到一个或多个第二装置中用于存储所产生的电力。第三装置可以采用超级电容器或超级电容器与电池先进技术的组合作为混合替代方案。
对该功率的感测和管理可以报告给集中或专用控制单元，其或是可以通过智能电话应用来访问，或是可以通过液晶显示器(LCD)屏幕与现有船舶结构内的内置导航面板一起使用，诸如用在仪表板上。第三装置上的传感器将记录并调节在一个或多个第二装置内的功率水平，并且它们将测量可用功率并提供关于该功率在其当前放电速率下可以使用多长时间的信息。例如，当一个或多个第二装置包括一个或多个电池时，每24小时的周期通常对任何电池单元进行最少两次再充电，或者对超级电容器进行累积充电，直到能量被释放以供使用。
第三装置还可以充当汇集每个设备内所收集的电的通道，这是因为它还可以控制能量的流动以在需要的地方和时间在整个有待使用的区域上遍布。它还提供了安全断点，以用于在它引起问题之前在非常局部的水平上检测不规则的温度出现。整个管理电池还包含紧急通道切断点，以用于任何部分的故障、过热或任何电存储装置的过充电，并且这是通过第三装置来控制的。
第四装置
第四装置使得能够将电从设备分配到任何需要它的地方，即它充当能量分配装置或能量层。
第四装置包括一种或多种导电材料。这类材料的非限制性示例可以包括以下材料中的一种或多种：导电金属(诸如铜、镍)和/或两种或更多种导电金属(诸如铜和镍)的复合合金；或石墨烯，一种传导性聚合物。导电金属可以是网格或箔结构的形式。石墨烯可以应用到金属的两侧，无论其处于何种形式。金属层可以涂覆有腐蚀抑制剂材料，诸如石墨烯抑制剂、铬酸盐基抑制剂、磷酸盐基抑制剂或离子交换树脂中的有机离子；或活性物质，其可以作为涂料添加到金属层上。
复合合金可以由已知的粉末状金属制成，诸如稀土磁性金属、铜、氧化铜、钴和镍金属，其中通过先进生产技术从这些金属中去除了许多存在的杂质并减少了氧化物。复合合金还可以包含一定量的石墨烯；或者它可以包括层状石墨烯片，其可以是2D材料夹层结构的一部分。然后，可以将这些合成为织物，并且用经纳米橡胶化处理的且耐候的材料进行涂覆，以形成柔性(或非刚性)传导性结构，诸如网格结构。这些金属可以是增材制造的(AM)以包住一层传导性金属，然后用传导性材料(诸如石墨烯)进行粉末涂覆，以便对于设备将在其中运行的恶劣环境具有最大耐受性。
可以用高浓度的混合成纳米级粉末的金属基材料来产生复合合金，然后将其印刷，有效地以任何尺寸或形状维持它们在分子级上的特性，从而保持每种尺寸的复合品质。这些分子复合物可以包含高度磁性，并且可以通过磁性或电磁促进高效电传输，以促进电力的流动。
在一个实施例中，第四装置可以包括三个子层。第一子层是导电层。这层可以定位或夹在第二子层与第三子层之间，这些子层中的每一个均可以包括不导电且不导热的(或最低限度导电和导热的)材料。第二子层和第三子层可以包括相同的材料，或者它们可以包括不同的材料。这种无传导性的(或具有最低限度传导性的)材料可以是或包括任何适合的轻质无传导性材料，诸如像树脂复合材料。
传导层可以包括复合合金材料，其包括以下材料中的一种或多种：稀土磁性金属、铜、氧化铜、石墨烯、氧化石墨烯、钴、镍和/或导电聚合物。复合合金可以呈织物形式，其可以被聚合物(诸如橡胶)和石墨烯的混合物或者经涂覆或未涂覆的玻璃纤维所包裹或涂覆。
传导层可以以小的或大的片的形式生产，以被居中锚定在设备内，以提供柔性和移动容差，同时仍然能够在多个电连接的设备的能量分配装置上提供一致水平的传导率。
传导层还可以具有位于其上的一个或多个传感器，以能够随时间持续地或周期性地针对任何变化来监测传导子层的传导性。一个或多个传感器可以连接到软件和/或硬件，其可以包括(例如但不限于)可以访问相关信息的笔记本电脑或智能电话。
本发明的设备的第一装置、第二装置、第三装置和第四装置可以以适合产生和存储源自自然源(诸如太阳能)的电力的任何方式布置在其中。
然而，在本发明的一个实施例中，本发明的设备可以具有分层布置。在一个实施例中，一个或多个第一装置形成第一层。该第一层可以形成如上详述的保护层的一部分，或者可以独立于保护层。当一个或多个第一装置独立于保护层时，它通常位于保护层下方，诸如粘附到其上，即保护层位于第一层与自然能量源之间。
在这个实施例中，第一层通常定位在第二层的顶部上，第二层包含能够将电从一个或多个第一装置引导到一个或多个第二装置的第三装置。可选地，如果需要，在第一层与第二层之间可以存在空气间隙或空气孔，以防止或最小化在高湿度条件下的冷凝。
进而，第二层通常定位在第三层的顶部上(即在第一层与第三层之间)，第三层包含一个或多个第二装置，其能够存储由一个或多个第一装置产生的电。
然后，第三层通常定位在第四层的顶部上(即在第二层与第四层之间)，第四层包含能够分配来自设备的电的第四装置，并且第四层是离保护层和自然能量源最远的层。
本发明的设备可以包含在壳体内，该壳体可以包括任何适合的材料，特别是基本上耐水损坏和腐蚀的材料。壳体可以包括树脂材料。可替代地，壳体可以包括具有磁性和散热特性的海绵结构。壳体的整体特性是根据运行环境来设计的。例如，在存在潜在的热量积聚的情况下，可以将树脂的热品质进行混合以变得可适应这种环境。
壳体可以具有位于其外部的传导性材料，以充当相邻设备之间的有效能量传递系统。例如，涂覆有石墨烯的传导性金属(诸如铜)可以位于那里。金属可以在两侧上涂覆石墨烯。金属可以呈网格形式或呈金属箔形式。涂覆有石墨烯的铜网是优选的。这种组合提供了特别有效的能量传递系统。
当保护层包括诸如聚碳酸酯的材料时，那么壳体也可以包括聚碳酸酯。然而，当保护层包括诸如玻璃的材料时，那么壳体通常包括另一种材料，诸如铝。当保护层包括玻璃时，可以使用激光来将玻璃接合并密封到壳体材料。这里用的壳体材料可以是金属，诸如铝。当采用激光密封时，不需要粘合剂来将保护层结合到壳体。保护层还可以由诸如在制造薄膜太阳能电池时所用的保护膜制成。针对该膜将运行的其它环境，该膜将被涂覆。
根据一个实施例，本发明的设备可以具有位于其上的自修复抑制剂或水分散剂，其部分地或完全地涂覆壳体。抑制剂可以充当密封剂，在离子级上密封用于设备的壳体。抑制剂防止水和其他流体进入壳体而引起其中装置的降解，并且还能够防止或最小化生物材料(诸如藻类或类似物)在壳体上的生长。
如果其中形成任何缺陷，自修复抑制剂本身能够再生。抑制剂经常包括聚合物基涂层。这些通过在涂层内具有微容器而起作用，微容器包含与聚合物基质类似的单体和对某些条件(诸如pH)敏感的适合的催化剂或试剂，当其在涂层的损坏点处释放时将引发单体的聚合。当这些微容器发生机械变形时，它们释放单体和催化剂，从而密封任何缺陷。
设备和/或壳体通常具有强健的热特性，这是通过在设备和/或壳体内包括阻燃材料而获得的。壳体可以包括含有阻燃材料的树脂材料，并且促进从设备中释放热量，以便防止设备过热并降低任何火灾风险。设备还可以容纳在尼龙泡沫插入件内，以用于抗冲击和防火保护。
壳体的每个单个部分均可以具有期望的定制品质。例如，任何期望的添加剂材料(诸如通常呈充分分散形式的用于导热和散热的材料，如石墨或氮化硼)可以(或根据需要可以不)包含在壳体的任何部分中。这允许根据期望的功能以及设备需要在其内运行的任何运行环境而在导热品质上发生变化。
根据另一实施例，每个设备还可以包括一个或多个发光二极管(LED)。这些LED可以围绕设备的周边定位。这些LED可以提供照明，该照明独立于设备所位于的结构或船舶的电源，该照明的强度可以根据期望的用途来控制。当日光水平不足以向设备提供足够的能量以用于由一个或多个第一装置进行转换时，LED能够提供照明。由于所发射的光将被保护性的第一层漫射，因此将生成环境光和漫射光效应，并且仅在设备不产生能量时才可以激活照明。然而，在功率损耗的情况下或在紧急情况下，当由印刷电路板控制的用于设备的管理系统可以先于太阳能的收集并向LED提供能量时，LED可以被激活。
光导的使用可以用来减少反射损失。光导或光聚集器装置(诸如发光太阳能聚集器(LSC))的使用也用于聚集辐射(特别是太阳辐射)以通过将光自吸收到PV模块中来产生电，回收10％-30％左右的光作为能量。
一个或多个第一装置可以覆盖有薄的迷你型或微型菲涅耳或定制的聚光透镜，或者可以在没有任何透镜附件的情况下使用。反射透镜的双重使用还用于分散由集成在包含一个或多个第一装置的层内的LED所生成的光。
本发明的设备可以是期望的任何形状或尺寸，以便适配其所位于的区域，或者就是为了在其所要放置的环境中实现美观。还可以存在半个形状，其具有在阵列的边缘处使用的小平面形状的块，以使例如船甲板系统与下部甲板结构的过渡平滑，以避免出行危险或甲板空间的定位不平整，其中可以存在其他甲板设置，诸如舱口。在甲板不平整的或存在高度限制问题的地方可能存在生成积水或水坑的风险，而提供了任何甲板水的适当径流或防止水进入的周围甲板区域在高度水平上将保持可靠。设备通常具有公认的几何形状，诸如六边形、正方形或矩形，其允许通过使用这种设备来实现最大程度的互连和表面覆盖；然而，它也可以是不规则的、非几何形状的、或者还是允许对设备有待附接到的表面进行有效覆盖的任何形状。这种设备还可以成集群制造，用于直接成一体地附接到表面上。
在设备具有几何形状(诸如六边形)的一个实施例中，第一装置(诸如PV电池)可以存在于设备的所有侧面上，或者可替代地，可以存在于相邻或交替的垂直侧面上，而其中不含第一装置的其他侧面在其上具有反射或镜面表面。
根据一个实施例，在第一装置下面可以存在一定量的反射材料，其可以呈PV电池或反射材料的定制布置的形式，诸如但不限于具有高反射饰面的铝片材。具有高水平光反射率的其他金属或材料也可以用作反射基底。该反射基底通过将光向上反射回来而有助于太阳能的捕获，使得其可以被一个或多个第一装置捕获。反射材料通常位于第一装置与第三装置之间。
在本发明的一个实施例中，如上所见，第三装置可以大致居中地定位在设备中。LED灯可以围绕设备的周边以及围绕第三装置布置。
设备还可以包括嵌入在层结构内的染料和量子点。量子点可以包括无机卤化物钙钛矿材料，诸如包括CsPbBr3和K2SiF6的材料。这些染料和量子点能够使光谱增强并能够收集到更多捕获的太阳能。无机卤化物钙钛矿量子点(QD)已经被认为是一种用于白光发光二极管(WLED)的有前景的替代物。
在本发明内设想的另一种布置包括太阳能收集的能量连同氢转换膜的被动使用，该氢转换膜将已经净化的海水转换成氢和氧用于存储。
当设备用于从水能中产生电时，存储在设备中的氢含量小于约5％。在开放结构中，高于这个含量的任何水平都是危险的。通过电或化学感应电荷将它从存储装置中释放出来，或者如果以更高水平产生氢，那么就将其作为燃料电池通过移除存储装置而手动释放。这些电池可以在高度和宽度上发生变化。所产生的氢可以与燃料电池一起使用或者作为用于进入传统发动机或发电机的气体或其他燃料的可燃材料的一部分。可移除的氢装置可以被再次使用并分开存储以供随后使用。电荷水平由设备内的PCB记录，其中信息在设备上提供或者以数字形式向装置提供，诸如电话应用。
根据本发明的一个实施例，本发明的两个或更多个设备可以可逆地连接到一起以形成阵列。在阵列中可以存在适合且能够提供预先设计的能量需求的任何数量的设备，它们在功率的产生、存储和分配中一起采用，其中第四装置充当能量分配系统以在阵列上分配存储在第二装置中的电。
氢产生装置可以混合在使用太阳能的装置中，并且可以以任何组合或布置使用它们。如果与水接触的可能性变大，诸如在海洋船舶的侧面上，还可以在水接触水平处以增加的体积来使用它们。
在阵列中，设备彼此电连接，所以电可以从一个设备自由地流到它所连接的任何其他设备。在一个实施例中，在设备的一个或多个侧面上可以存在一定量的传导性金属，诸如铜和/或石墨烯和/或氮化硼、或者石墨烯和氮化硼两者的复合物，以便在相邻设备作为阵列的一部分而连接在一起时增强它们之间的电连接。铜可以涂覆有石墨烯，和/或它可以呈铜网或铜箔的形式。这些材料的存在促进所连接的设备之间的电连接，并且充当非常有效的能量传递系统。
在一个实施例中，每个阵列或集群均可以包含不限数量的单个设备。通过非限制性示例，可以存在多达约12个单个设备，或者多达约10个或8个单个设备。一个示例性阵列可以包含7个单个设备。每个阵列通常以船舶周围的拼接图案来定位在船舶上，例如在甲板的侧面或船舶的端部，这样使得每个阵列彼此并不直接连接。设备不需要覆盖它们所连接的整个表面。阵列可以单独使用，或者作为提供各种特定功能的组使用，或者是组合能量产生系统的一部分。
单个设备可以通过任何适合的方式连接在一起，诸如磁体，或机械连接(诸如支架)，或使用结合或连接的传导性材料，或硬布线。
当相邻设备通过磁体连接在一起时，磁体可以位于壳体的壁内。如果需要，也可以根据系统将运行的环境使用更多已制定的材料来进行硬连接。
这些阵列可以以不同的方式工作：或是和电容器一起来升级能量用于基于甲板的瞬时使用；或是在它们可以被用于酒店负载功率时，它们可以设置为用于存储，这是在可用自然光不再足以产生现在的电之后所需的功率，并且电池能量必须通过电池的放电而在夜间提供该能量。
由每个设备汇集的电能被依次传递到包含电池的相邻设备，并且累积地汇集功率直到它到达能量管理单元。本文中所使用的术语“能量管理单元”是指控制在根据本发明的设备阵列上电的流动的单元。这些能量管理单元提供能量产生装置(即一个或多个第一装置)和能量使用和分配装置(即第四装置)之间的能量管理。这些管理单元被热隔离并容纳在密封单元中，以在能量被移动到局部需要的地方时(诸如在甲板上或集成到船舶内的现有电气系统中)管理能量。能量管理单元是非太阳能的，即它们本身并不从自然能量源产生电。这些非太阳能单元可以用于无线充电点，但也可以用于无人机和在工作船上的其他电气设备。一个能量管理单元能够控制本发明的大量设备，例如在约100-150个之间的单个设备。能量管理单元通常包括PCB和诸如一个或多个电池或超级电容器的功率存储设施。
电池可以是手机大小的标准电池，或者，它可以是尺寸和输出均较大的、使用可变的但单独指定的锂离子、锂硫、氧化锌的电池或任何其他可通过大规模生产获得的先进电池。它也可以在形状和深度上变化以适应设备的形状(例如六边形)和深度的变化；并且可以采用液体电解质。系统的进一步增强可以包括集中式液流电池系统的开发和结构的集成。这些含电池的设备将是独立的，并适合于满足所提供的衬有阻燃剂(诸如但不限于尼龙基泡沫材料以及绝缘材料)的电池的所需尺寸，这使每个电池都热绝缘。本发明的设备能够使用所产生的电能对这些电池充电。
能量管理单元通常包括PCB，其管理并引导任何收集的能量到局部连接且分立的电池块中，并且允许将该能量的感测和管理报告给中央的或专用的控制单元，该控制单元或是可以通过智能电话应用来访问，或是可以与现有船只结构内的内置导航面板一起使用，诸如通过液晶显示器(LCD)屏幕在仪表板上进行访问。PCB上的传感器将记录和调节电池集群内的功率水平，它们将测量可用功率并提供该功率在其当前放电速率下可以使用多长时间的信息。电池单元通常每24小时周期至少两次再充电。所产生的功率将在所连接的电池集群上遍布，以提供均匀的充电。
可以使用定制软件进行能量管理。这将允许基于行程模式、天气和口岸/港口信息的机器学习能量转移。它可以通过卫星技术和/或作为现有或定制船只能量管理系统的一部分进行管理。
能量管理单元的PCB还充当汇集每个电池单元集群内所收集的能量的通道，从而允许在甲板上的电流稳定和热管理，其还控制能量流在甲板上遍布以在需要的地方和时间进行使用。它还提供了安全断点，用于在温度异常引起问题之前以非常局部的水平检测温度异常的发生。管理单元还包含针对电池的任何部分的故障、过热或过充电的紧急通道切断点，并且这通过PCB来控制。
能量管理单元通常还衬有阻燃材料，诸如但不限于尼龙基泡沫材料以及绝缘材料，这使得它们中的每一个均是热绝缘的。
阵列中的单个设备之间的任何空间均可以填充有复合材料网格，复合材料包括但不限于氧化石墨烯和铝，其可以包含在经橡胶化处理的材料中，其将通过具有允许一些移动和冲击的柔性海绵状品质来提供缓冲并减少摩擦。这个开放空间还可以充当允许释放热量的散热器。
设备可以通过任何适合的方式附接到表面，这将取决于任何给定表面的性质和材料。适合的手段可以包括但不限于天然或高级的粘合剂，或者螺栓或螺钉(取决于上部结构)。所有设备都通过使用复合材料和树脂材料而防水，并且这些材料具有经认证的且可变的良好的热品质和低传导品质。
水可以围绕甲板结构泵送，用于冷却本发明的设备并清洁它们的表面。设备还可以具有密封的、洁净的且疏水的涂层。
设备和设备阵列能够在特定结构的限定和预期内垂直和水平移动。所有设备在第四装置中均具有大致相同高度的传导子层，从而允许最大接触和能量传递效率。单个设备如何连接在一起(诸如利用磁体)，还允许振动干扰而不削弱结构，并且当安装在柔性树脂表面上时允许受控量的横向移动。
在运行中，本发明的设备可以定位成使得它不平放并与表面接触；相反，它也可以定位成使得在设备与该表面之间存在小的间隙。例如，当表面是船舶的甲板时，这种间隙的存在就允许排出在甲板上的任何积水，并且还允许引入水用于需要其来产生氢的设备。
总之，本发明允许在可以根据具体需要定制的、高效且有效的、基于电池的电网设备中局部地产生、存储和使用功率。它还包括用于监测存储在设备中存储和/或由设备使用的能量的量的设施，这可以通过例如应用来远程执行。可以定制本发明的一种方式是通过使用包括本发明的设备的可移除的块或面板。根据用户的具体需要以及在这些块或面板上所使用的具体结构或具体的功率使用或存储要求，可以改变和更新它们以最大化能量捕获。该系统还允许未来增强的技术被迅速引入并集成到现有结构中。重点要注意的是，第四装置中的传导子层将是对于在其上方的装置的有效结构基底。如果壳体损坏，则可以通过环氧树脂修复并进行颜色匹配以最小化饰面和性能上的一致性的任何损失。
第四装置还可以提供传感器的集成网络，该集成网络可以提供关于它们所附接的结构的完整性的结构信息。这可以通过第二装置来操作和提供动力。一个或多个传感器可以用作例如自主船只中的数据的持续记录，或者是在船舶的生命周期中的例行检查的一部分，或者可以记录天气模式或运行变化(诸如速度或移动)。一个或多个传感器可以通过第四装置的下子层中的开口而直接连接到设备所固定到的表面或甲板，其中下子层直接定位在传导子层上的一个或多个传感器下方。传感器的类型可以被选择为便于对附接到系统的软件系统的适当使用以及对需要被记录的数据水平的适当使用。一个或多个传感器将适合于恶劣环境运行，并且可以包含石墨烯和硅材料。
来自太阳能的能量通常将作为DC电流产生，如同所有PV电池的情况。它将在这种布置中被存储和使用。太阳能的水平可以能够提供推动能量，该推动能量将所馈送的DC功率直接馈送到建造新一代船只设计中，该新一代船只设计围绕仅使用DC供电的电气系统来建造，DC供电对较重设备提供功率时更有效。在大多数布置中，甲板系统的最大甲板运行功率电平将是48V，最小是12V；这是围绕从其他运输行业到海运的技术转移而设计的，在海运中，如果管理和自主导航系统受到破坏，它们将会需要分立且可靠的备用能量系统。
本发明的设备是耐用的、导热和导电的，并且基本上是防水和防火的。本发明的设备：
-具有低维护性；
-提供持续的可再生能量供应；
-包括功率存储和现成的能量；
-可以捕获低光能；
-容易地更新用于新技术；
-与其他无线技术集成；
-可以改装或进行新装配；
-可以用作紧急能量储备；
-还将在未来提高效率；
-可以以任何尺寸或可用空间进行装配；以及
-提供产生能量的定制方法
在本发明内还设想的是，有可能从块进行无线充电。这可以使用另一层传导性复合材料代替能够将来自自然源的能量(诸如太阳能)转换成功率的一个或多个第一装置来实现。这可以用于对例如在渔船的无人机或次要电气设备充电。它通过使用射频识别(RFID)标签起作用，该标签与待充电的装置通信并允许通过充电板释放正确的充电电压。充电板使用穿过顶板的电磁电流而将具有传导性，从而使其在水周围安全，除非与电磁体一起使用。
还设想了包括以每几百个本发明的设备中有一个的比率的设备或块，该设备或块能够从船舶上脱离并漂浮，而且从其位置发送GPS信号。在船舶下沉的情况下会这样。以这种方式，可以通过水域表面上的信号来追踪船舶。
本发明的设备还可以有助于对救生设备(诸如可充气救生衣和用于救援设备的小艇)进行充电。这些装置可以以永久充电状态存储，或者在几分钟内，甚至在几秒内由超级电容器充电，以用于较大物品的紧急部署。
本发明的设备还可以以另外的形状生产，包括矩形、三角形或更加不规则的形状，并且可以与不同尺度和尺寸的其他设备一起使用。例如，单一设备可以附接到更大的设备集群以形成网络。设备可以包含可变尺寸的PV单元，并且可以大于或小于标准尺寸。
设备还可以以各种颜色和饰面来精整，包括木制饰面、板岩或玄武岩饰面和可以应用到聚酯基树脂的哑光或光泽的任何色调的可用彩色饰面。这可以是或可以是施加到其表面的任何涂层的一部分；或者，可替代地，或是通过预浸渍或是通过编织来将其集成到复合材料中。这可以包括诸如聚酯和尼龙等可回收材料，其用于回收废弃的钓鱼线和其他来自海洋的塑料。
可以沿着海洋船舶的侧面安装的任何设备可以包含或可以不包含电池或任何种类的能量存储装置。它们可以通过LED照明效果来显示船只的标志或名称、品牌等，这些是沿着船舶的船体或下部船体结构的任何部分而显示出来的。
本发明的设备可以被提供用于装配另外的安全措施，包括但不限于在运输中保持电池电荷水平的传导性覆盖物以及防止标记或刮擦的在块上方的保护套。
根据本发明的另一实施例，提供了一种包括如上文所定义的一个或多个设备的海洋船舶。
根据本发明的另一实施例，提供了如上文所定义的一个或多个设备在功率(特别是电力)的产生和存储中的用途。
本发明还提供了一种产生和存储功率的方法，该方法包括采用如上文所定义的一个或多个设备。
现在将参考以下附图通过实例进一步描述本发明，这些附图仅是说明性的，并不以任何方式限制本发明的范围。
图1描绘了从上方接合在一起的本发明的七个设备的集群；
图2描绘了从下方接合在一起的本发明的七个装置的集群；以及
图3描绘了本发明的设备与顶块和下块组件一起构成的组件。
在图1中，从空中视角示出了接合在一起的本发明的七个设备2的小集群。这些设备具有六边形形状，这种形状纯粹是为了易于将多个设备组合和接合在一起，并且它们一起形成纯几何形状。围绕设备集群的是边缘4。
在每个设备上可以看到多个PV电池6来吸收太阳辐射。
在图2中，从下方视角示出了接合在一起的本发明的七个设备2的相同小集群。这些设备通过连接装置8连接。
在图3中，在下层上方示出了具有PV电池6的第一层10，以给出这些层和相邻设备如何连接在一起以形成阵列的视角。
当然，应当理解，本发明并不意在限制于仅通过举例而描述的上述实施例。

Claims (25)

1.一种用于将来自自然能量源的功率转换成电并将所述电存储和分配的设备，所述设备包括：
v)一个或多个第一装置，所述一个或多个第一装置能够将来自自然能量源的功率转换成电；
vi)一个或多个第二装置，所述一个或多个第二装置能够存储由所述一个或多个第一装置产生的电；
vii)第三装置，所述第三装置能够将所述电从所述一个或多个第一装置引导到所述一个或多个第二装置；
viii)第四装置，所述第四装置能够分配来自所述设备的电。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个第一装置包括一个或多个光伏电池和/或氢燃料电池。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述一个或多个第一装置包括钙钛矿材料。
4.根据任意前述权利要求所述的设备，其中所述第二装置包括一个或多个电池和一个或多个超级电容器，或用于存储氢的一个或多个装置。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述一个或多个超级电容器包括选自一种或多种钙钛矿化合物、一种或多种金属氧化物、传导性材料或金属氧化物的纳米管、水性石墨烯增强材料或一定量的含铋材料中的一种或多种材料。
6.根据任意前述权利要求所述的设备，其中所述第三装置包括印刷电路板。
7.根据任意前述权利要求所述的设备，其中所述第四装置包括在其中的三个子层。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述子层包括导电子层，所述导电子层夹在第二子层与第三子层之间，第二子层和第三子层基本上都不导电。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述导电子层包括铜和/或复合合金材料。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述复合合金材料包括稀土磁性金属、铜、氧化铜、石墨烯、氧化石墨烯、钴和/或镍中的一种或多种。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的设备，其中所述导电子层包括柔性导电网格结构。
12.根据任意前述权利要求所述的设备，其中所述设备呈块或面板的形式。
13.根据任意前述权利要求所述的设备，还包括保护所述设备免受其环境影响的保护材料层。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述保护材料能被太阳能透过。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的设备，其中所述一个或多个第一装置包含在所述保护材料内或定位在其下方。
16.根据任意前述权利要求所述的设备，其中所述设备包括量子点和/或染料材料。
17.根据任意前述权利要求所述的设备，其中所述设备具有分层结构，其中所述一个或多个第一装置定位在所述自然能量源附近并形成第一层；所述第三装置定位在所述一个或多个第一装置下方并形成第二层；所述一个或多个第二装置定位在所述第三装置和所述一个或多个第一装置下方并形成第三层；并且所述第四装置定位成远离所述自然能量源且在所述第一装置、第二装置和第三装置下方并形成第四层。
18.根据任意前述权利要求所述的设备，其中所述设备包括壳体，所述壳体包含所述第一装置、第二装置、第三装置和第四装置，所述壳体包括树脂材料，所述树脂材料包含一定量的氧化石墨烯、氮化硼、阻燃添加剂、炭黑和/或石墨中的一种或多种。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述壳体包括位于其外部的传导性材料和/或自修复抑制剂。
20.一种阵列，包括彼此互连的多个根据前述权利要求中任一项所述的设备。
21.根据权利要求20所述的阵列，其中电力存储在位于电池单元内的电池中。
22.根据权利要求20或21所述的阵列，其中所述阵列与一个或多个能量管理单元一起操作，所述一个或多个能量管理单元分别包括印刷电路板，其控制在所述阵列上的电流。
23.一种海洋船舶，包括根据权利要求1至19中任一项所述的一个或多个设备，或根据权利要求20至22中任一项所述的阵列。
24.一种产生和存储功率的方法，包括采用根据权利要求1至19中任一项所述的一个或多个设备，或采用根据权利要求20至22中任一项所述的阵列。
25.一种一个或多个根据权利要求1至18中任一项所述的设备或根据权利要求20至22中任一项所述的阵列在功率产生和存储中的用途。
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