一种基于深海静水压力驱动的离子能发电装置的制作方法

本发明涉及深海能源与电化学发电，尤其涉及一种基于深海静水压力驱动的离子能发电装置。

背景技术：

1、深海探测与作业设备的长期能源供给是制约海洋技术发展的核心瓶颈之一。当前主流方案依赖高能量密度一次电池或定期回收充电的二次电池。一次电池受总能量限制，无法支撑以年为单位的部署周期；二次电池需要昂贵且风险较高的水下回收作业，运维成本极高。利用海洋环境能源进行原位发电是解决上述问题的理想途径。

2、目前已提出的技术路线包括洋流涡轮发电、温差发电、波浪能发电和盐差能发电。洋流涡轮发电在深海环境中面临三重障碍：深海典型流速仅0.1-0.5m/s，远低于传统水轮机的启动流速；深海海流方向随机多变，需要复杂的偏航机构；旋转动密封在10mpa以上的高压下极易泄漏失效。温差发电利用表层温水与深层冷水的温度差驱动热机或热电材料，但深海垂直温差通常不超过25℃，热电转换效率偏低，且需要大型冷海水管路，系统体积庞大。波浪能发电依赖海面波动，不适用于深海安静环境。

3、盐差能发电利用淡水与海水之间的渗透压差，通过压力延迟渗透或反向电渗析发电。该技术自20世纪70年代以来被广泛研究，但迄今未能实现大规模商业化。其主要瓶颈在于：天然河口环境中的浓度梯度不稳定且空间受限；压力延迟渗透和反向电渗析均依赖外部泵入溶液维持浓度差，存在大量寄生能耗；现有离子交换膜的机械强度仅能承受0.2mpa至2mpa的压力，远低于深海10mpa的静水压力。

4、综上所述，现有技术无法在深海高压、低流速、多向流、淤泥沉积的复杂环境中实现长期免维护的稳定发电，亟需一种能够突破上述瓶颈的全新发电原理和装置。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于深海静水压力驱动的离子能发电装置，利用深海500—1000米深度的静水压力作为能量来源，驱动高浓度盐溶液中的离子选择性跨膜迁移形成持续离子电流，进而通过电极反应产生直流电；该装置无运动部件，不受海流方向与流速影响，可悬浮于淤泥层上方长期免维护运行。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于深海静水压力驱动的离子能发电装置，其创新点在于：包括

3、耐压密封腔体，内部填充有第一电解质溶液，所述第一电解质溶液的离子浓度高于耐压密封腔体外部海水；

4、至少一离子选择性膜组件，安装于所述耐压密封腔体壁面上，允许所述第一电解质溶液中的阳离子选择性跨膜迁移；

5、磁耦合活塞压力传递机构，将外部海水静水压力传递至耐压密封腔体内部，使所述第一电解质溶液承受压力不大于外部海水的压力，驱动所述离子跨膜迁移；

6、第一电极，设置于耐压密封腔体内部并与第一电解质溶液电接触；

7、第二电极，设置于耐压密封腔体外部并与海水电接触；

8、外部电路，连接所述第一电极与第二电极，用于收集离子迁移产生的电流。

9、进一步的，所述离子选择性膜组件为梯度多层纳米复合膜，自下而上依次包括高强度多孔支撑层、中间过渡层和功能分离层；所述功能分离层由金属有机框架纳米晶体与氧化石墨烯纳米片通过共价交联组装而成，具有规整亚纳米级离子通道。

10、进一步的，所述金属有机框架为uio-66-nh2；所述功能分离层的厚度为50nm至500nm，通道尺寸为0.3nm至1.0nm。

11、进一步的，还包括浓度再生子系统，由辅助电极、程控电源及控制单元组成，用于在内部浓度降低时通过反向电渗析将外部海水中的离子泵回腔体内部，恢复浓度梯度。

12、进一步的，还包括悬浮锚泊系统，所述悬浮锚泊系统由浮力载体和配重块组成，使整个装置悬浮于水深500米至1000米的深度。

13、一种基于深海静水压力驱动离子能发电的方法，应用于基于深海静水压力驱动离子能发电装置；其创新点在于：包括以下步骤：

14、将耐压密封腔体置于深海环境中，使外部静水压力通过磁耦合活塞压力传递机构作用于内部高浓度电解质溶液；

15、在压力与渗透压叠加驱动下，内部溶液中的阳离子选择性通过离子选择性膜迁移至外部海水中；

16、阳离子选择性跨膜迁移使膜两侧形成电势差，通过浸没在内部溶液和外部海水中的电极引出，对外输出直流电。

17、进一步的，还包括浓度再生步骤：当输出电压下降至预设阈值时，通过外部电路对辅助电极短时间施加反向电压，将外部海水中的离子电迁移回腔体内部。

18、进一步的，所述第一电解质溶液的浓度为6m nacl，所述深海环境的深度大于500米，静水压力大于5mpa。

19、一种深海通信信标，其创新点在于：包含基于深海静水压力驱动离子能发电装置作为原位电源。

20、本发明的优点在于：

21、1）无运动部件；整个发电过程不依赖任何旋转或往复机械，无磨损、无动密封泄漏风险，可在深海环境中免维护运行十年以上；

22、2）不受海流与水质影响；利用深海静水压力而非风、浪、流等不确定环境参数，部署位置不受限制；

23、3）规避淤泥破坏；装置悬浮于清洁水层，无底部接触、无外部机械结构，从根本上解决深海淤泥淤积问题；

24、4）模块化可扩展；单模块输出功率为百毫瓦级，通过多模块串并联阵列可扩展至瓦级甚至千瓦级，适用于从微型信标到大型基站的不同需求；

25、5）低成本小体积；核心材料为膜和电极，无昂贵的大型机械部件，批量化制造成本低于同等功率的水轮机或温差发电系统；

26、6）环境友好；无排放、无噪声、无电磁干扰，海水中的离子浓度变化可忽略。

1.一种基于深海静水压力驱动的离子能发电装置，其特征在于：包括

2.根据权利要求1所述的一种基于深海静水压力驱动的离子能发电装置，其特征在于：所述离子选择性膜组件为梯度多层纳米复合膜，自下而上依次包括高强度多孔支撑层、中间过渡层和功能分离层；所述功能分离层由金属有机框架纳米晶体与氧化石墨烯纳米片通过共价交联组装而成，具有规整亚纳米级离子通道。

3.根据权利要求2所述的一种基于深海静水压力驱动的离子能发电装置，其特征在于：所述金属有机框架为uio-66-nh2；所述功能分离层的厚度为50nm至500nm，通道尺寸为0.3nm至1.0nm。

4.根据权利要求1所述的一种基于深海静水压力驱动的离子能发电装置，其特征在于：还包括浓度再生子系统，由辅助电极、程控电源及控制单元组成，用于在内部浓度降低时通过反向电渗析将外部海水中的离子泵回腔体内部，恢复浓度梯度。

5.根据权利要求1所述的一种基于深海静水压力驱动的离子能发电装置，其特征在于：还包括悬浮锚泊系统，所述悬浮锚泊系统由浮力载体和配重块组成，使整个装置悬浮于水深500米至1000米的深度。

6.一种基于深海静水压力驱动离子能发电的方法，应用于权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于：包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种基于深海静水压力驱动离子能发电的方法，其特征在于：还包括浓度再生步骤：当输出电压下降至预设阈值时，通过外部电路对辅助电极短时间施加反向电压，将外部海水中的离子电迁移回腔体内部。

8.根据权利要求6所述的一种基于深海静水压力驱动离子能发电的方法，其特征在于：所述第一电解质溶液的浓度为6m nacl，所述深海环境的深度大于500米，静水压力大于5mpa。

9.一种深海通信信标，其特征在于：包含权利要求1至5中任一项所述的发电装置作为原位电源。