CN203883696U - 一种适用于波动液体的发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种适用于波动液体的发电系统,包括若干连接在一起的全密封发电单元，发电单元的密封外壳中包括纳米发电机和整流部件。在水力、洋流等外界机械能的作用下，发电单元将机械能传递至其内部的纳米发电机，纳米发电机利用摩擦发电原理和静电感应原理产生电信号，实现能量收集。该发电系统最大的优点是，能实现多个发电单元在海水/河水里并行发电，充分收集波动液体如海潮的能量，并且获得大的电流输出。

Description

一种适用于波动液体的发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种纳米发电系统，特别是能够将河流或海洋等波动液体中的机械能转化为电能的发电系统。

背景技术

从2012年开始，基于摩擦静电效应的纳米发电机得以快速发展，并以其高效的输出、简单的工艺、稳定的性能，为机械能转变为电能来驱动电子器件提供了一种具有应用前景的途径。但是，基于现有的摩擦电纳米发电机的基本模式与器件设计用于水利发电，首先在海水中，摩擦产生的静电荷很容易被海水中的带电离子中和，大大降低发电机的发电功率和机械能利用效率。这一特点很大程度地限制了摩擦电纳米发电机的应用，使其无法有效收集海水/河水中任意的自由运动物体的机械能。此外，绝大多数摩擦发电机只有一个主要工作部件，能够产生的电流有限，难以获得可以实用的高功率。

实用新型内容

要解决的技术问题

本实用新型所要解决的技术问题是设计一种新型适用于波动液体如海水或河水能量收集的发电系统，将波动液体的机械能转变为高功率的电能输出。

技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种可以应用在波动液体中的发电系统，该发电系统设计包括多个全密封的发电单元，其中每个全密封发电单元包括一个或多个纳米发电机，以及与纳米发电机个数匹配的整流部件。多个所述发电单元互相连接形成单层或者多层网络，所述网络的形状能够随着液体的波动而变化，带动发电单元中的纳米发电机向整流部件输出电信号；所述整流部件的输出端引出所述密封外壳作为所述发电单元的输出端。

具体的，本实用新型提供一种适用于波动液体发电的纳米发电系统，包括多个发电单元，每个所述发电单元中包括密封外壳，密封外壳中封装有至少一个纳米发电机以及不少于纳米发电机个数的整流部件，每个纳米发电机连接一个整流部件；其中，多个所述发电单元互相连接形成网络，所述网络的形状能够随着液体的波动而变化，带动所述发电单元中的纳米发电机向所述整流部件输出电信号；所述发电单元中的全部所述整流部件的输出端并联后引出所述密封外壳作为所述发电单元的输出端。

优选的，多个所述发电单元互相连接形成的网络为单层结构。

优选的，多个所述发电单元互相连接形成的网络为包括多个发电层的多层结构，相邻两层之间通过连接线互相连接形成所述网络。

优选的，所述发电系统中每层还包括两组总线，每组总线中包括至少一条总线，每组中的多条总线通过互连线互相电连接，所述发电单元的两个输出端分别电连接在两组总线上。

优选的，所述发电系统中每层的所述发电单元，按照阵列形式排列形成单层网络。

优选的，所述连接线为导电结构，用来将多个发电单元连接到所述总线或互连线，以形成所述网络，使所有发电单元的输出端并联连接。

优选的，所述摩擦纳米发电机的包括：

第一电极层，设置在所述密封外壳内表面或密封外壳内部与密封外壳相对位置固定的结构上；

第一摩擦层，接触设置在所述第一电极层上；

活动块，弹性连接在所述密封外壳内，所述活动块的外表面为绝缘材料；

第二电极层，设置在所述活动块外表面；

第二摩擦层，接触设置在所述第二电极层上，所述第一摩擦层与第二摩擦层面对面设置；第一摩擦层与第二摩擦层的材料存在得失电子能力差异；

当多个发电单元连接形成的网络在液体波动的作用下改变形状时，所述活动块能够在密封外壳围成的空腔内移动，带动所述发电单元产生晃动或者倾斜，在所述弹性结构的作用下活动块在密封外壳围成的空腔内移动，使第一摩擦层与第二摩擦层发生接触分离的运动，在所述第一电极层与第二电极层之间产生电势差。

优选的，所述发电单元的密封外壳围成的空腔为多面体、球体或柱体，在所述空腔内设置多个摩擦纳米发电机，所述活动块的外表面为多面体、球体或柱体，每个所述摩擦纳米发电机的第一电极层设置在密封外壳的一个内表面或内部与密封外壳不会产生相对位置改变的结构的一个表面上，第二电极层设置在活动块的一个外表面。

优选的，所述发电单元的密封外壳围成的空腔为六面体，在所述空腔的一个内表面采用弹簧连接所述活动块。

优选的，所述第一摩擦层与第二摩擦层为绝缘体、半导体或者导体材料。

优选的，所述第一摩擦层或第二摩擦层为导体材料；所述导体材料的摩擦层代替与其接触设置的电极层。

优选的，所述第一摩擦层和第二摩擦层的厚度为100纳米至1毫米；第一摩擦层与第二摩擦层相对的表面形状和尺寸相当或者相等。

优选的，所述第一电极层和第二电极层的厚度为5纳米至1厘米。

优选的，所述第一摩擦层面向第二摩擦层的表面和/或所述第二摩擦层面向所述第一摩擦层的表面，部分或者全部具有微米或次微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层。

优选的，所述发电单元中的纳米发电机为静电感应纳米发电机，具体结构为：

固定在所述密封外壳内壁上的两个电极；

一个可在所述密封外壳的空腔中自由移动的绝缘滑动体；

当发电系统受到液体波动作用而发生形状改变时，所述密封外壳发生晃动，带电的所述滑动体在两个电极间来回滑动或者滚动，由于静电感应作用，驱动电子在两个电极间流动。

优选的，所述两个电极之间的距离范围为1mm-1m。

优选的，所述发电单元中包括两个所述静电感应纳米发电机，其中，两个静电感应纳米发电机共用一个所述绝缘滑动体，四个电极设置在所述密封外壳内壁的一个平面上，两个静电感应纳米发电机的两个电极中心的连线相交。

优选的，所述密封外壳的内壁至少具有一个平面，所述发电单元中的纳米发电机为静电感应纳米发电机，具体结构为：

固定在所述平面上的两组电极，每组电极中至少包括一个条状电极并且互相电连接，所述两组电极的条状电极交替排列，两组电极中的所有条状电极基本平行排列；

一个可在所述密封外壳的空腔中自由移动的绝缘滑动体；

当发电系统受到液体波动作用而发生形状改变时，所述密封外壳发生晃动，带电的所述滑动体在所述两组电极间滑动或者滚动，由于静电感应作用，驱动电子在两组电极间流动。

优选的，所述密封外壳的内壁具有面对面的第一平面和第二平面，在两个平面上分别设置所述的静电感应纳米发电机，其中，两个静电感应纳米发电机共用一个所述滑动体，固定在所述第一平面上的两组电极与固定在第二平面上的两组电极的排列方向互相垂直。

优选的，所述两组电极的所有条状电极等距排列，距离范围为0.1mm-1m；所述条状电极的宽度与所述滑动体的尺寸接近。

优选的，所述滑动体通过与任意一个电极接触发生摩擦而带电；或者，所述滑动体在与所述电极接触前即带有电荷。

优选的，所述滑动体采用驻极体材料。

优选的，所述滑动体为多面体、柱体、球形或者椭球形。

优选的，所述整流部件设置在密封外壳的空腔中；或者，所述整流部件密封在密封外壳的材料中。

优选的，所述整流部件为全桥整流器。

优选的，所述发电单元在每个维度的尺寸范围为1cm-1m，形成网状结构时相邻两个发电单元间隔为密封外壳尺寸的0.1倍至100倍。

优选的，所述发电单元的密封外壳上附着有配重体，所述配重体的作用在于调节发电系统的平均密度。

有益效果

本实用新型提供的发电系统最突出的优点是发电单元全密封，而且采用多个发电单元连接形成可以随着液体波动而变形的网络，随着液体的波动，多个发电单元形成的网络发生形变使数个发电单元中的纳米发电机产生电信号通过整流部件整流为直流输出，多个整流部件的输出端并联后作为发电单元的输出，将多个发电单元的输出信号进行并联，可以获得大的电流输出。这使得纳米发电机可以应用于海水等复杂的体系，而且可以提供大的输出功率驱动外部电子器件。

本实用新型提供的发电系统，由多个发电单元互相连接形成的网络，可以为二维网络，漂浮在液体表面收集液体波动的机械能；也可以为三维网络，漂浮或者悬浮在液体中可以收集液体波动时不同方向的机械能。并且，将多个发电单元进行并联的总线、互连线，以及将多层网络进行连接的连接线可以直接充当将多个发电单元连接形成所述网络的连接结构，可以省略将发电单元连接形成网络的连接结构，使发电系统的结构更加简单。

本实用新型提供的发电系统，发电单元体积小巧，通过合适的密封外壳材料选择，或者在密封外壳上设置配重体调节发电系统的平均密度，发电系统可以漂浮在液体表面或者悬浮在液体中，因此，形成的网络中可以有数量巨大的发电单元，这样的发电系统网络可以在海水或者江河中大面积投放，用于将液体波动产生的机械能转变为可以适用的电能。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过附图所示，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本实用新型的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型。

图1为本实用新型应用与波动液体的发电系统的结构示意图；

图2为发电系统的发电单元中纳米发电机与整流部件的连接示意图；

图3为发电单元中纳米发电机采用摩擦纳米发电机的结构示意图；

图4为发电单元中纳米发电机采用静电感应纳米发电机的结构示意图；

图5至图7为发电单元中采用多个静电感应纳米发电机的结构示意图；

图8为发电系统为多层网络的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。

实施例一：

图1为本实施例发电系统的一种典型结构，包括8个发电单元A1、A2、A3……A8，8个发电单元互相连接形成网络，如图中所示，所述网络漂浮在液体表面或者悬浮在液体中时，网络的形状能够随着液体的波动而变化。每个发电单元包括密封外壳，密封外壳中封装有至少一个纳米发电机以及不少于纳米发电机个数的整流部件，每个纳米发电机连接一个整流部件，参见图2，纳米发电机TENG1的两个电极分别与全桥整流器R1的输入端连接，纳米发电机TENG2的两个电极分别与全桥整流器R2的输入端连接，全桥整流器R1和R2的输出端并联后引出密封外壳形成发电单元的两个输出端B1和B2。优选的，所有发电单元的输出端进行并联后形成发电系统的输出端，可以为外电路输出大电流的电信号。图2中只给出了发电单元内包括两个独立的纳米发电机情形，其连接方式很容易能扩展到内有多个纳米发电机的情形。

因为不同纳米发电机存在着相位连接问题，因此要连接多个纳米发电机组成发电单元，需要将纳米发电机的输出信号先经过整流部件，再进行并联连接。在实际应用中，纳米发电机的电压输出已经可以满足要求，但是电流输出仍是纳米发电机实际应用的主要受限因素，使用并联结构可以大大提高其电流输出，并且大幅度降低输出匹配阻抗，使得发电单元的应用范围大幅度提升。

纳米发电机TENG1或TENG2在液体波动时，可以将波动的机械能转变为电能进行输出，可以选择现有的任意结构的纳米发电机，优选为摩擦纳米发电机和静电感应纳米发电机。

本实用新型中，发电单元中的纳米发电机可以采用的摩擦纳米发电机，典型结构参见图3，发电单元包括密封外壳10，以密封外壳10的内表面围成的空腔为六面体(例如长方体或正方体)为例，在密封外壳10的5个内表面分别设置一个第一电极层11，在第一电极层11上接触设置第一摩擦层12，在密封外壳10的第六内表面弹性连接活动块20，活动块20的外表面为绝缘材料，活动块20可以与密封外壳10通过弹性结构M(例如弹簧)连接，使活动块20能够在密封外壳10围成的空腔内移动，优选的，活动块20为立方体或者长方体，其下表面与弹性结构M连接，其余5个表面分别设置一个第二电极层21，可以在第二电极上接触设置第二摩擦层22，其中，第二摩擦层22或者第二电极层21与一个第一摩擦层12面对面设置。当多个发电单元连接形成的网络在液体波动的作用下改变形状时，带动发电单元产生晃动或者倾斜，在弹性结构M的作用下活动块20在密封外壳10围成的空腔内移动，使至少一个第二电极层21或者第二摩擦层22与第一摩擦层12发生接触分离的运动。由于摩擦层12与第二电极层21或者第二摩擦层的材料存在得失电子能力差异，因此随着活动块20相对于密封外壳10的运动，在弹性结构M的弹性回复力作用下，第二电极层21(或者第二摩擦层22)与第一摩擦层12能够反复接触和分开，在第一电极层11与第二电极层21之间产生电势差，连接外电路时可以有电荷流过。弹性结构M采用弹簧的设置，使活动块可以在密封结构的空腔中进行三维运动，将摩擦纳米发电机受到的单向机械力转变为活动块受到的多个方向的往复作用力，液体的一次波动，可以使活动块形成往复运动从而使一个或多个摩擦纳米发电机工作输出电信号，不仅能够提高能量的利用率，还可以通过弹性结构M的选择调整发电单元输出电信号的频率。

图3中的发电单元中，位于活动块上方的摩擦纳米发电机包括第一电极层、第一摩擦层、第二电极层和第二摩擦层，第一摩擦层与第二摩擦层的材料存在得失电子能力差异，可以采用绝缘体或者半导体或者导体材料；位于活动块20左侧和右侧的摩擦纳米发电机中第二摩擦层采用导电材料，直接替代了第二电极层，第一摩擦层材料采用绝缘体或者半导体材料，使摩擦纳米发电机的结构更加简单。当然，在其他实施例中，也可以第一摩擦层采用导体材料，直接替代第一电极层，第二摩擦层采用绝缘体或者半导体材料。

发电单元中的整流部件，可以设置在密封外壳的空腔中，也可以直接密封在外壳材料中，具体位置不作为对本实用新型的限定，只需保证摩擦纳米发电机的两个电极层的输出信号经过整流部件的整流后变为直流信号，便于多个纳米发电机或者发电单元之间的并联连接。

摩擦纳米发电机的工作前提是，第一摩擦层与第二摩擦层的材料存在得失电子能力差异，在互相接触时在表面带有接触电荷，分离后还保留这些电荷。第一摩擦层或者第二摩擦层的材料可以选择绝缘材料，可以选择聚合物绝缘材料或者天然的绝缘材料，可以从下列材料中选择一种或者几种：氧化硅、聚对二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯(Teflon)、聚氯乙烯(PVC)、聚三氟氯乙烯、聚酰亚胺(Kapton)、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、醋酸酯、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。

第一摩擦层或者第二摩擦层的材料也可以选择半导体材料，常用的半导体包括：硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本实用新型的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。

第一摩擦层或者第二摩擦层的材料也可以选择导体材料，另一摩擦层材料可以为绝缘体或者半导体材料，满足两个摩擦层材料存在得失电子能力差异；所述导体材料的摩擦层代替与其接触设置的电极层，进一步简化摩擦纳米发电机的结构。作为摩擦层的导体材料可以从第一电极层或者第二电极层的材料中进行选择。

摩擦纳米发电机中，还可以对第一摩擦层面向第二摩擦层的表面和/或第二摩擦层面向第一摩擦层的表面经过物理改性，使其表面部分或者全部具有微米或次微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层，以增强第一摩擦层与第二摩擦层之间的接触面积。所述微结构可以为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，或者上述微结构形成的阵列。

第一摩擦层或者第二摩擦层的厚度无特别要求，本实施例中优选为100纳米至1毫米，更优选为0.02毫米至0.8毫米。

第一摩擦层与第二摩擦层相对的表面，优选二者的表面形状和尺寸相当或者相等，在互相接触时能够有最大的接触面积。

5个分立的第一电极层与5个分立的第二电极层可以通过溅射或者粘贴等方法制备在密封外壳的内表面和活动块的外表面。第一电极层或第二电极层的材料可以选择常用的电极材料，例如金属、合金、掺杂半导体、导电氧化物或有机物导体等，具体电极材料的选择不作为限定本实施例保护范围的因素。实际中，本领域的技术人员可以根据摩擦层材料的选择，确定相应电极层材料以及制备方法的选择，以确保每个第一电极层与相应的摩擦层的良好电接触。

本实施例中设置了5对面对面的第一摩擦层与第二摩擦层(或者第二电极层)，即有5个摩擦纳米发电机，每个摩擦纳米发电机包括：第一电极层11，设置在密封外壳内表面；第一摩擦层12，接触设置在第一电极层11上；活动块20，弹性连接在密封外壳10内，活动块20的外表面为绝缘材料；第二电极层21，设置在活动块20外表面；第二摩擦层22，接触设置在第二电极层上，其中，第二摩擦层22与第一摩擦层12面对面设置。如果第一摩擦层或者第二摩擦层采用导体材料，则相应的导体材料的摩擦层接触设置的电极层被省略，由导体材料的摩擦层代替。每个摩擦纳米发电机在工作时均输出交流电信号，因此在发电单元中也需要设置与摩擦纳米发电机个数相等的整流部件。图3所示的发电单元中需要相应的设置5个整流部件(在图3中没有显示)，可以为全桥整流器等整流部件，每个摩擦纳米发电机的两个电极层连接一个全桥整流器的输入端，5个全桥整流器的输出端进行并联后通过导线引出密封外壳10形成发电单元的输出端B1和B2，形成完整的发电单元。

本实施例中，密封外壳围成的密封空腔的形状并不限定为上述的长方体，也可以为全密封的长方体，柱体，球体，椎体或者其他形状的密封空腔。密封外壳的外表面的形状不做特别限定，可以为任意形状，例如长方体或者球体。密封外壳的材料选择根据发电系统的应用环境进行适当选择，不溶于所应用的液体的绝缘材料即可。以应用在水中的发电系统为例，可以选为任一种不溶于水的可以耐海水腐蚀的绝缘体材料，如聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)等等。同理，活动块的外表面为绝缘材料，可以选择的材料也可以从上述的绝缘材料中选择。

发电单元中，摩擦纳米发电机的个数可以为任意，并不限定为5个。同样，设置在密封外壳空腔中的活动块的形状也可以为球形、长方体等形状，优选与密封外壳的空腔形状相匹配，使第一摩擦层与第二摩擦层的接触机会较大，保证在微小的液体波动时，摩擦纳米发电机即可输出电信号。优先的，每个摩擦纳米发电机的第一摩擦层和第二摩擦层相对的表面面积相当，通过调整活动块在密封外壳空腔中的位置，可以使两个摩擦层在接触时能够有最大的接触面积。

摩擦纳米发电机的第一电极层除了如图3中直接设置在密封外壳的内表面外，也可以设置在密封外壳内部与密封外壳不会产生相对位置改变的结构上。

由于对于这种接触式摩擦发电机，有效电荷转移主要发生在摩擦层接近电极层的区域，因此两个摩擦层12与22的距离不宜过大，为了调节两个摩擦层12与22的距离，可以在密封外壳10内部安置与密封外壳10相对位置固定的结构例如支架23，将第一电极层11与第一摩擦层12固定到支架23上，实现对接触式的摩擦纳米发电机两个摩擦层之间空气间隙的优化，该空气间隙厚度优选为摩擦层厚度的2-10倍。

本实用新型的发电系统中，多个发电单元之间可以通过任意的导电的连接线进行连接，连接线表面有不溶(腐蚀)于应用的液体的绝缘材料，为了增加不同发电单元的连接性，也可以另外增加绝缘材料对发电单元进行连接，例如绝缘线或带。为了获得较高的系统输出电流，优选将发电系统中的若干个发电单元进行并联，为外电路提供电源。多个发电单元连接形成的网络，可以为不规则结构的网络，也可以为规则结构的网络，优选为单层或者多层的层状网络，更优选为每层的结构相同。

优选的，在多个发电单元连接形成的单层网络中还包括两组总线，每组总线中包括至少一条总线，每组中的多条总线互相电连接，发电单元的两个输出端分别电连接在两组总线上。参见图1，发电系统包括8个发电单元，按照4行2列的阵列形式排列形成网络；还包括第一组总线和第二组总线，其中，第一组总线包括两条总线L10和L11，总线L10和L11通过第一互连线C11、C12和C13电连接；第二组总线包括两条总线L20和L21，总线L20和L21通过第二互连线C21和C22电连接。这里总线之间连接的互连线的条数不作特别限定，一条或者多条互连线对于电连接的作用相同，这里设置多条互连线，为了增加连接形成网络的强度。8个发电单元中，第一列的四个发电单元A1、A2、A3和A4的第一输出端B1均电连接至第一组总线中的总线L10，第二输出端B2均电连接至第二组总线中的总线L20；第二列的四个发电单元A5、A6、A7和A8的第一输出端B1均电连接至第一组总线中的总线L11，第二输出端B2均电连接至第二组总线中的总线L21，这样的连接使8个发电单元实现了并联连接。

优选的，总线和互连线直接将多个发电单元连接形成单层网络，总线和互连线均采用可以隔绝液体如海水的具有绝缘包覆层的导线。第一组总线和第二组总线为发电系统的输出端。如果每组总线有多根，同一组总线中相邻的总线每隔一定间距可以用密封的连接线相连，形成图1所示单层网状结构。

图1中，每组总线中的所有总线近似平行，在实际应用时每组总线中的总线也可以不平行，甚至每组中的总线可以互相交错，或者两组总线互相交错。

实施例二：

实施例一中的发电单元，纳米发电机也可以采用静电感应纳米发电机，采用静电感应纳米发电机的发电单元的典型结构如图4所示，包括具有空腔的密封外壳30、一个可在密封外壳的空腔中自由移动的绝缘滑动体41、固定在密封外壳内壁上的两个电极31和32，以及被密封外壳密封的一个整流部件(图4中未示出)，第一电极31与第二电极32间有一定间距，使滑动体41在密封外壳的空腔中移动时，滑动体41不同时与两个电极层接触。将两个电极各自通过导线连至整流部件的输入端，整流部件的输出端引出密封外壳作为发电单元的输出端。滑动体41可以通过与任意一个电极接触而发生摩擦带电。当多个发电单元连接形成的网络状发电系统受到液体波动作用而发生形状改变时，发电单元的密封外壳30发生晃动，带电的滑动体41可以在两个电极间来回滑动或者滚动，由于静电感应作用，驱动电子通过外部负载在两个电极间流动，产生交流电，交流电经过整流部件后变为直流电，多个发电单元进行并联连接后的发电系统可以将液体表面的机械能转变为可以直接实用电能。

本实施例中，静电感应纳米发电机包括两个电极31和32与滑动体41，纳米发电机整体被密封在密封外壳30中，所有结构(31、32以及41)都设置在密封外壳30的空腔中。与实施例一中相同，发电单元中的整流部件，可以设置在密封外壳的空腔中，也可以直接密封在外壳材料中，具体位置不作为对本实用新型的限定，只需保证静电感应纳米发电机的两个电极的输出信号经过整流部件的整流后变为直流信号，便于多个单元之间的并联连接。整流部件可以选择全桥整流器等常用的整流部件。

发电单元中整流部件的个数不少于纳米发电机的个数，优选为纳米发电机的个数与整流部件的个数相等，使每个纳米发电机与每个整流部件一一对应的连接，这样可以使每个纳米发电机的输出经过一个整流部件的整流，纳米发电机的输出信号之间互相不会产生影响。

两个电极31和41的材料选择可以与实施例一中摩擦纳米发电机的电极层材料相同。两个电极31和32之间的距离范围优选为1mm-1m，优选为3mm-10cm。

图4所示的发电单元中，仅包括一个静电感应纳米发电机，在其他实施例中，发电单元的密封外壳内可以包括多个静电感应纳米发电机。图5所示，发电单元中包括两个静电感应纳米发电机，两个静电感应纳米发电机共用一个绝缘滑动体41，四个电极设置在所述密封外壳30内壁的一个平面上，两个静电感应纳米发电机的两个电极(电极31和32,电极33和34)中心的连线相交，优选为互相垂直相交，这样可以收集滑动体41在多个方向振动产生的能量。参见图5中，一个静电感应纳米发电机的两个电极31和32中心的连线，与另一个静电感应纳米发电机的两个电极33和34的连线互相垂直相交。电极31，32，33，34的长度优选为与30底面边长的0.7-0.9倍，宽度优选为与滑动体41的尺寸接近。不同组发电机之间的电极距离并无特定要求(如31与33、34的距离)，只要不接触即可。31与32间的距离优选为30底面边长的0.7-0.9倍。相邻两个条状电极之间的距离优选为0.1mm-1m。

图6和图7显示了另外一种静电感应纳米发电机的典型结构，发电单元的密封外壳50的内壁至少具有一个平面，静电感应纳米发电机的具体结构为：设置在所述平面上的两组电极，每组电极中至少包括一个条状电极并且互相电连接，所述两组电极的条状电极交替排列，两组电极中的所有条状电极基本平行排列，本实施例中以每组包括两个条状电极为例，第一组电极为电极51和53互相电连接形成引出端G1，第二组电极为电极52和54互相电连接形成引出端G2，参见图7中(a)图，两组条状电极交替排列，并且互相等距平行排列。一个可在所述密封外壳50的空腔中自由移动的绝缘滑动体60，当发电系统受到液体波动作用而发生形状改变时，密封外壳50发生晃动，带电的滑动体60在两组电极间滑动或者滚动，由于静电感应作用，驱动电子在两组电极间流动。输出端G1和G2为静电感应纳米发电机的输出端。

对于密封外壳50的内壁具有面对面的第一平面和第二平面的情况，可以在两个平面上分别设置上述的静电感应纳米发电机，并且两个静电感应纳米发电机共用一个滑动体，设置在第一平面上的两组电极(参见图7中(a)图)与设置在第二平面上的两组电极(参见图7中(b)图)的排列方向互相垂直。当发电系统受到液体波动作用而发生形状改变时，密封外壳50发生晃动，带电的滑动体60在密封外壳50内滑动或者滚动，由于静电感应作用，驱动电子在第一平面上的两组电极间和/或第二平面上的两组电极间流动。这样结构的发电单元中，无论滑动体在哪个方向滑动或者滚动，都可以在发电机的输出端形成电流输出。条状电极51、52、53、54间的间隔应在0.1mm-1m的范围内，优选1mm-1cm。条状电极51、52、53、54的长度优选为与50的边长接近，宽度优选为与滑动体60的尺寸接近或略大。

静电感应纳米发电机中的，滑动体41或60除了可以通过与任意一个电极接触而发生摩擦带电外，也可以在与电极接触前预先通过注入等方式，使滑动体带有电荷。滑动体需要具有较好的静电荷保持能力，因此可以从绝缘体材料和半导体材料中选择，可选用一些常用的有机聚合物材料和天然材料，包括：绝缘氧化物、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、醋酸酯、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。优选能够“准永久”地保持静电荷的驻极体材料，例如聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、石英、全氟环状聚合物等。滑动体可以为球形、柱形、多面体等结构，优选为易于在密封外壳中滚动的形状，以减小滑动体与密封外壳或者电极之间的摩擦力，提高发电单元的发电效率。

除摩擦纳米发电机和静电感应纳米发电机两种典型结构，其他结构的纳米发电机都可以适用于本实用新型的发电系统的发电单元。

本实用新型的发电系统中，为了把纳米发电机发出的电流引出发电单元，需要插入两根导线到密封外壳中，导线一端与密封外壳密封的整流部件的输出端相连，另一端为发电单元的输出端与总线相连。导线接口处需要采用密封处理，常见的处理方法可以采用防水密封脂类物质进行处理。

实施例一中的发电系统，由多个发电单元构成的网络仅为单层结构，能够吸收的主要是一薄层液体波动的能量(比如海水表面的能量)，而洋流的能量有效深度可以达到200米，采用这种单层结构的发电系统来收集海水洋流的能量，大量的底层海水的能量被浪费。

实施例三：

本实施例的发电系统，多个发电单元构成的网络为包括多个发电层的多层结构，相邻两层之间通过连接线互相连接形成网络式结构。参见图8，以发电系统为三层结构、每层包括9个发电单元形成的三维网络结构为例，第一发电层T1、第二发电层T2和第三发电层T3的结构均与实施例一中的网络类似，均由9个发电单元按照3行3列的阵列形式通过两组总线并联形成，第一发电层T1与第二发电层T2之间通过第一组连接线连接，第二发电层T2与第三发电层T3之间通过第二组连接线连接。第一组连接线和第二组连接线将多层发电层连接形成三维网络结构，可以为导电连接线，也可以为绝缘连接线，优选为柔性连接线，当发电系统受到波动液体的作用时，发电单元形成的多层网络结构可以发生多个维度的形状改变，能够收集液体波动的三维机械能。

多层结构的发电系统中，每个发电层的两组总线可以单独连接至外电路，也可以将多个发电层进行并联，使发电系统中的所有发电单元并联连接。参见图8，第一组连接线中包括多条导电的第一连接线C1，其中，部分第一连接线C1的两端连接在相邻两个发电层T1和T2的第一组总线上，另一部分第一连接线C1的两端连接在相邻两个发电层T1和T2的第二组总线上，使第一发电层T1和第二发电层T2中的发电单元并联。同样，第二组连接线中包括多条导电的第二连接线C2，其中，部分第二连接线C2的两端连接在相邻两个发电层T2和T3的第一组总线上，另一部分第二连接线C2的两端连接在相邻两个发电层T2和T3的第二组总线上，使第二发电层T2和第三发电层T3中的发电单元并联。

图8所示发电系统的结构中，导电的第一连接线和第二连接线，既是将相邻两层发电层的发电单元进行并联的导线，同时还是连接相邻两个发电层使各层实现电连接的连接线。

为了让整个发电系统悬浮在液体中，发电单元的密封外壳上还可以附着有配重体，配重体的作用在于调节发电系统的平均密度，使其接近于周围液体的密度，调节密度的方法包括在密封外壳上附着镀上密度较大的耐海水腐蚀的材料，如陶瓷材料等。发电系统的悬浮深度可以从1cm-200m，此时每个密封的发电单元应确保总体密度接近所悬浮液体的密度。

为了防止发电系统在液体流动时随着液体漂走，整个网络状的发电系统需要固定在一个固定的物体上，常用的固定方法可以采用连接到海洋/河流底部固定的地方上。

无论是单层网络结构的发电系统，还是多层网络结构的发电系统，发电单元的整体形状可选为任何密封的体机构，如长方体，立方体，球体，圆柱体等。在每个维度，尺寸可选范围为1cm-1m，形成网状结构时相邻两个密封的发电单元间隔依据该方向的密封外壳的尺寸来选择，间隔优选为密封外壳尺寸的0.1倍至100倍。

整个发电系统产生的电能，可以通过经过电源逆变器，变压后产生适用于电网的交流电直接输送到电网中。

对于远离电网的孤立发电系统，发电系统产生的电能也可以并不直接输送到电网中，而是在两组总线间连接蓄电池/电池组，用来存储产生的电能，然后提供给负载使用。还可以在蓄电池/电池组的两端并联电压调整器，电压调整器主要用来防止对充电电池组的过充。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (27)

1.一种适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，包括多个发电单元，每个所述发电单元中包括密封外壳，密封外壳中封装有至少一个纳米发电机以及不少于纳米发电机个数的整流部件，每个纳米发电机连接一个整流部件；其中，多个所述发电单元互相连接形成网络，所述网络的形状能够随着液体的波动而变化，带动所述发电单元中的纳米发电机向所述整流部件输出电信号；所述发电单元中的全部所述整流部件的输出端并联后引出所述密封外壳作为所述发电单元的输出端。 

2.如权利要求1所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，多个所述发电单元互相连接形成的网络为单层结构。 

3.如权利要求1所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，多个所述发电单元互相连接形成的网络为包括多个发电层的多层结构，相邻两层之间通过连接线互相连接形成所述网络。 

4.如权利要求2或3所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述发电系统中每层还包括两组总线，每组总线中包括至少一条总线，每组中的多条总线通过互连线互相电连接，所述发电单元的两个输出端分别电连接在两组总线上。 

5.如权利要求2或3所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述发电系统中每层的所述发电单元，按照阵列形式排列形成单层网络。 

6.如权利要求4所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征 在于，所述连接线为导电结构，用来将多个发电单元连接到所述总线或互连线，以形成所述网络，使所有发电单元的输出端并联连接。 

7.如权利要求1所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述纳米发电机包括： 

第一电极层，设置在所述密封外壳内表面或密封外壳内部与密封外壳相对位置固定的结构上； 

第一摩擦层，接触设置在所述第一电极层上； 

活动块，弹性连接在所述密封外壳内，所述活动块的外表面为绝缘材料； 

第二电极层，设置在所述活动块外表面； 

第二摩擦层，接触设置在所述第二电极层上，所述第一摩擦层与第二摩擦层面对面设置；第一摩擦层与第二摩擦层的材料存在得失电子能力差异； 

当多个发电单元连接形成的网络在液体波动的作用下改变形状时，所述活动块能够在密封外壳围成的空腔内移动，带动所述发电单元产生晃动或者倾斜，在所述弹性结构的作用下活动块在密封外壳围成的空腔内移动，使第一摩擦层与第二摩擦层发生接触分离的运动，在所述第一电极层与第二电极层之间产生电势差。 

8.如权利要求7所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述发电单元的密封外壳围成的空腔为多面体、球体或柱体，在所述空腔内设置多个纳米发电机，所述活动块的外表面为多面体、球体或柱体，每个所述纳米发电机的第一电极层设置在密封外壳的一个内表面或内部与密封外壳不会产生相对位置改变的结构的一个表面上，第二电极层设置在活动块的一个外表面。 

9.如权利要求8所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述发电单元的密封外壳围成的空腔为六面体，在所述空腔的一个内表面采用弹簧连接所述活动块。 

10.如权利要求7-9任一项所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述第一摩擦层与第二摩擦层为绝缘体、半导体或者导体材料。 

11.如权利要求7-9任一项所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述第一摩擦层或第二摩擦层为导体材料；所述导体材料的摩擦层代替与其接触设置的电极层。 

12.如权利要求7-9任一项所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述第一摩擦层和第二摩擦层的厚度为100纳米至1毫米；第一摩擦层与第二摩擦层相对的表面形状和尺寸相当或者相等。 

13.如权利要求7-9任一项所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层的厚度为5纳米至1厘米。 

14.如权利要求7-9任一项所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述第一摩擦层面向第二摩擦层的表面和/或所述第二摩擦层面向所述第一摩擦层的表面，部分或者全部具有微米或次微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层。 

15.如权利要求1所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述发电单元中的纳米发电机为静电感应纳米发电机，具体结构为： 

固定在所述密封外壳内壁上的两个电极； 

一个可在所述密封外壳的空腔中自由移动的绝缘滑动体； 

当发电系统受到液体波动作用而发生形状改变时，所述密封外壳发生晃动，带电的所述滑动体在两个电极间来回滑动或者滚动，由于静电感应作用，驱动电子在两个电极间流动。 

16.如权利要求15所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述两个电极之间的距离范围为1mm-1m。 

17.如权利要求15所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述发电单元中包括两个所述静电感应纳米发电机，其中，两个静电感应纳米发电机共用一个所述绝缘滑动体，四个电极设置在所述密封外壳内壁的一个平面上，两个静电感应纳米发电机的两个电极中心的连线相交。 

18.如权利要求1所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述密封外壳的内壁至少具有一个平面，所述发电单元中的纳米发电机为静电感应纳米发电机，具体结构为： 

固定在所述平面上的两组电极，每组电极中至少包括一个条状电极并且互相电连接，所述两组电极的条状电极交替排列，两组电极中的所有条状电极平行排列； 

一个可在所述密封外壳的空腔中自由移动的绝缘滑动体； 

当发电系统受到液体波动作用而发生形状改变时，所述密封外壳发生晃动，带电的所述滑动体在所述两组电极间滑动或者滚动，由于静电感应作用，驱动电子在两组电极间流动。 

19.如权利要求18所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特 征在于，所述密封外壳的内壁具有面对面的第一平面和第二平面，在两个平面上分别设置所述的静电感应纳米发电机，其中，两个静电感应纳米发电机共用一个所述滑动体，固定在所述第一平面上的两组电极与固定在第二平面上的两组电极的排列方向互相垂直。 

20.如权利要求18或19所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述两组电极的所有条状电极等距排列，距离范围为0.1mm-1m。 

21.如权利要求16-19任一项所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述滑动体通过与任意一个电极接触发生摩擦而带电；或者，所述滑动体在与所述电极接触前即带有电荷。 

22.如权利要求21所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述滑动体采用驻极体材料。 

23.如权利要求16-19任一项所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述滑动体为多面体、柱体、球形或者椭球形。 

24.如权利要求1-3、7-9、15-19任一项所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述整流部件设置在密封外壳的空腔中； 

或者，所述整流部件密封在密封外壳的材料中。 

25.如权利要求24所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述整流部件为全桥整流器。 

26.如权利要求1-3、7-9、15-19任一项所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述发电单元在每个维度的尺寸范围为1cm-1m，形成网状结构时相邻两个发电单元间隔为密封外壳尺寸的0.1倍至100倍。 

27.如权利要求1-3、7-9、15-19任一项所述的适用于波动液体发电的纳米发电系统，其特征在于，所述发电单元的密封外壳上附着有配重体，所述配重体的作用在于调节发电系统的平均密度。