一种基于摩擦纳米发电的海风能-海流能耦合发电装置的制作方法

一种基于摩擦纳米发电的海风能
‑
海流能耦合发电装置
技术领域
1.本发明涉及海洋新能源发电技术领域，特别是涉及一种基于摩擦纳米发电的海风能
‑
海流能耦合发电装置。


背景技术：

2.海洋中蕴含着大量的可再生能源，开发和利用海洋能源已受到国内外学者的广泛关注。海风能是一种没有公害的可再生能源，取之不尽用之不竭。目前，有关国家相继在沿海地区建立了海上风力发电机，其主要利用海风带动叶片旋转发电。但这些风力发电机不仅仅会造成噪声污染，还对选址要求较高。同时，具有能量密度高、分布范围广等优势的海流能也开始引起关注，我国对于海流能的开发和利用尚处于起步阶段。
3.摩擦纳米发电技术是近年来新兴的一种发电技术，是利用摩擦(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，可高效地将风能和海流能转换成电能，具有重要的实际应用意义。
4.中国发明专利cn110620523a(公开日为2019年12月27日)公开了一种水能/风能两用运动模式转换型摩擦纳米发电机包括外壳、动力部件、传动部件、发电组件；所述传动部件、发电组件采用串联的方式安装于外壳内部；基于摆线位移设计的波浪板，一方面可将旋转运动转换成高频的接触
‑
分离运动，另一方面可减少动力传输过程中的机械冲击。同时，摩擦纳米发电机的发电组件，可将传动部件输出往复直线运动转化成多高频的接触
‑
分离运动或者进行摩擦纳米发电机与电磁发电机复合发电，提升了发电机的输出性能，完成在水流与风能环境下的能量收集工作。该专利仅能用于收集风能或者水能，而在海洋中，风能和水能是同时存在的，若需要同时收集到风能和水能，则需要设置两套发电机，导致占用面积大、成本高。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高效利用海洋能、提高发电效率的基于摩擦纳米发电的海风能
‑
海流能耦合发电装置。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种基于摩擦纳米发电的海风能
‑
海流能耦合发电装置，包括风轮、水轮、第一转轴、第二转轴、第一安装板、第二安装板、摩擦纳米发电单元、电源管理系统和浮体；
7.所述浮体设有容置腔，所述第一安装板、所述第二安装板、所述摩擦纳米发电单元、所述电源管理系统均位于所述容置腔内；
8.所述摩擦纳米发电单元包括第一摩擦片、第一介电膜片和第二介电膜片，所述第一介电膜片贴于所述第一安装板的底面，所述第二介电膜片贴于所述第二安装板的顶面，所述第一安装板、所述第一摩擦片和所述第二安装板由上至下依次平行设置且相接触，所述第一摩擦片与所述电源管理系统电连接；
9.所述第一转轴的顶端与所述风轮连接、底端伸入所述容置腔中与所述第一安装板连接，所述第二转轴的底端与所述水轮连接、顶端伸入所述容置腔中与所述第二安装板连接。
10.作为优选方案，所述浮体包括浮箱和浮盘，所述容置腔设于所述浮箱上，所述浮盘套设于所述浮箱外。
11.作为优选方案，所述浮体的下方连接有沿所述第二转轴延伸的罩体。
12.作为优选方案，所述第一介电膜片和所述第二介电膜片均包括多个周向布置的介电部，所述介电部为扇形结构。
13.作为优选方案，所述第一摩擦片包括多个周向布置的摩擦部，所述摩擦部为扇形结构。
14.作为优选方案，所述风轮包括风轮支架、风轮叶片和风轮轮毂，所述风轮叶片通过所述风轮支架与所述风轮轮毂连接；
15.所述第一转轴包括第一内轴和第一外轴，所述第一外轴和所述风轮轮毂内部中空，所述风轮轮毂与所述第一外轴固定连接，所述第一内轴穿设于所述第一外轴和所述风轮轮毂中，所述摩擦纳米发电单元还包括第二摩擦片和第三介电膜片，所述第二摩擦片设于所述第一内轴的外壁上，所述第三介电膜片设于所述风轮轮毂或所述第一外轴的内壁上，所述第二摩擦片与所述电源管理系统电连接。
16.作为优选方案，所述水轮包括水轮轮毂和若干水轮叶片，所述水轮叶片连接在所述水轮轮毂上；
17.所述第二转轴包括第二内轴和第二外轴，所述第二内轴穿设于所述第二外轴中，所述水轮轮毂与所述第二外轴固定连接，所述摩擦纳米发电单元还包括第三摩擦片和第四介电膜片，所述第三摩擦片设于所述第二内轴的外壁上，所述第四介电膜片设于所述第二外轴的内壁上，所述第四介电膜片与所述电源管理系统电连接。
18.作为优选方案，所述水轮包括水轮轮毂和若干水轮叶片，所述水轮叶片倾斜连接在所述水轮轮毂上。
19.作为优选方案，还包括若干锚链，所述锚链的顶端与所述罩体连接。
20.作为优选方案，所述浮体和所述罩体上涂覆有石墨烯防腐材料涂层。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
22.本发明的发电装置置于海洋中时，浮体带动发电装置漂浮在海面，使风轮位于海面上，水轮伸入海水中。本发明通过第一转轴连接风轮和第一安装板，通过第二转轴连接水轮和第二安装板，当海风带动风轮转动，进而带动第一安装板转动时，连接于第一安装板底面的第一介电膜片与第一摩擦片可发生接触和分离，实现发电；当海流冲击水轮，带动水轮转动，进而带动第二安装板转动，连接于第二安装板顶面的第二介电膜片与第一摩擦片可发生接触和分离，实现发电。本发明通过一个装置可同时利用海风能和海流能，实现海洋能的高效利用，发电效率高，且占用面积小，降低成本。
附图说明
23.图1是本发明实施例一的发电装置的结构示意图。
24.图2是本发明实施例一的发电装置的部分爆炸图。
25.图3是本发明实施例一的水轮的结构示意图。
26.图4是本发明实施例二的轮毂、第一内轴、第二摩擦片和第三介电膜片的设置示意图。
27.图中，1
‑
风轮；101
‑
风轮支架；102
‑
风轮叶片；103
‑
风轮轮毂；2
‑
水轮；201
‑
水轮轮毂；202
‑
水轮叶片；3
‑
第一转轴；301
‑
第一内轴；4
‑
第二转轴；5
‑
第一安装板；6
‑
第二安装板；7
‑
浮体；701
‑
容置腔；702
‑
浮箱；703
‑
浮盘；8
‑
第一摩擦片；9
‑
第一介电膜片；10
‑
第二介电膜片；11
‑
罩体；12
‑
锚链；13
‑
第二摩擦片；14
‑
第三介电膜片。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.实施例一
32.如图1至图3所示，本发明优选实施例的一种基于摩擦纳米发电的海风能
‑
海流能耦合发电装置，包括风轮1、水轮2、第一转轴3、第二转轴4、第一安装板5、第二安装板6、摩擦纳米发电单元、电源管理系统和浮体7；浮体7设有容置腔701，第一安装板5、第二安装板6、摩擦纳米发电单元、电源管理系统均位于容置腔701内；摩擦纳米发电单元包括第一摩擦片8、第一介电膜片9和第二介电膜片10，第一介电膜片9贴于第一安装板5的底面，第二介电膜片10贴于第二安装板6的顶面，第一安装板5、第一摩擦片8和第二安装板6由上至下依次平行设置且相接触，第一摩擦片8与电源管理系统电连接；第一转轴3的顶端与风轮1连接、底端伸入容置腔701中与第一安装板5连接，第二转轴4的底端与水轮2连接、顶端伸入容置腔701中与第二安装板6连接。本实施例的发电装置置于海洋中时，浮体7带动发电装置漂浮在海面，使风轮1位于海面上，水轮2伸入海水中。本实施例通过第一转轴3连接风轮1和第一安装板5，通过第二转轴4连接水轮2和第二安装板6，当海风带动风轮1转动，进而带动第一安装板5转动时，连接于第一安装板5底面的第一介电膜片9与第一摩擦片8可发生接触和分离，实现发电；当海流冲击水轮2，带动水轮2转动，进而带动第二安装板6转动，连接于第二安装板6顶面的第二介电膜片10与第一摩擦片8可发生接触和分离，实现发电。本实施例通过一个装置可同时利用海风能和海流能，实现海洋能的高效利用，发电效率高，且占用面积小，降低单位发电成本。并且，由于水轮2的设置，增加了重量且海流对水轮2具有一定的阻
力，可防止装置翻倒，提高装置的稳定性。摩擦纳米发电单元产生的电流经过第一摩擦片8输入电源管理系统进行收集。
33.进一步地，本实施例的浮体7包括浮箱702和浮盘703，容置腔701设于浮箱702上，浮盘703套设于浮箱702外，浮盘703可增大浮体7与海面的接触面积，提高浮力且可防止装置倾倒。另外，浮体7的下方连接有沿第二转轴4延伸的罩体11，可保护第二转轴4，避免第二转轴4被其他潜行物体打断。
34.在本实施例中，第一介电膜片9和第二介电膜片10均包括多个周向布置的介电部，介电部为扇形结构，可多处同时发生摩擦和分离，提高发电效率。同样地，第一摩擦片8包括多个周向布置的摩擦部，摩擦部为扇形结构，使介电部与摩擦部接触摩擦后，被带动继续转动时，介电部位于两个相邻的摩擦部之间，第一介电膜片9、第二介电膜片10与第一摩擦片8无接触，可减小转动的阻力。另外，本实施例的第一安装板5和第二安装板6均包括多个周向布置的安装部，介电部与安装部相贴，减小转动的阻力。本实施例的第一安装板5、第二安装板6、第一摩擦片8、第一介电膜片9和第二介电膜片10的形状相同、大小相等。
35.在无风时，风轮1静止，第一安装板5静止，第一摩擦片8和第一介电膜片9紧密接触但并没分离。由于两种材料得失电荷能力存在很大差异，接触时使得第一介电膜片9带负电荷、第一摩擦片8带正电荷。在海风驱动下风轮1旋转，带动第一安装板5发生旋转，此时贴在第一安装板5的第一介电膜片9与第一摩擦片8发生分离。两者之间产生感应电势差，从而驱动电子的流动在输出电路中产生电输出。持续海风作用下，该发电结构能持续向外输出电流。同理，水轮2在海流冲击下进行转动，带动第二介电膜片10旋转进行发电。
36.另外，本实施例的风轮1包括风轮支架101、风轮叶片102和风轮轮毂103，风轮叶片102通过风轮支架101与风轮轮毂103连接，风轮轮毂103与第一转轴3连接。风轮轮毂103为柱体结构，风轮叶片102为长方形片状结构。水轮2包括水轮轮毂201和若干水轮叶片202，水轮叶片202倾斜连接在水轮轮毂201上，水轮叶片202倾斜设置可使任意方向的海流都能推动水轮叶片202转动.本实施例的水轮叶片202与水轮轮毂201的垂直面的夹角为45
°
。
37.此外，本实施例的发电装置还包括若干锚链12，锚链12的顶端与罩体11连接，锚链12可使发电装置定位，提高装置的稳定性，实现柔性的约束，同时减少风浪载荷对于整个发电装置的影响。本实施例的锚链12设置为三条，三条锚链12周向间隔均匀设置。本实施例的浮体7和罩体11上涂覆有石墨烯防腐材料涂层，可防止海水腐蚀，提高发电装置的使用寿命。
38.在本实施例中，第一摩擦片8为铜箔，第一介电膜片9和第二介电膜片10均为ptfe材质。为了提高发电效率，在它们的表面部分或者全部表面分布有纳米或者次纳米量级的微结构。该微结构优选为纳米线，纳米管，纳米棒，纳米颗粒，纳米沟槽，微米沟槽，纳米锥，纳米球，以及由前述结构形成的阵列，特别是由纳米线，纳米管或者纳米棒的纳米阵列，可以通过光刻蚀，等离子刻蚀等方法制备的线状，立方体，或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在微米到纳米量级，只要不影响发电材料的机械强度，具体微结构的单元尺寸和形状不应限制本发明的范围。
39.本实施例的电源管理系统包括电源管理系统包括整流器、升压器和电池，整流器的输入端与第一摩擦片8连接，升压器的输入侧与流器的输出端连接，升压器的输出侧与电池连接。电源管理系统将摩擦纳米发电单元输出的电流进行整流后升压，并在电池中储存
电能。
40.实施例二
41.本实施例与实施一的区别在于，如图4所示，风轮1包括风轮支架101、风轮叶片102和风轮轮毂103，风轮叶片102通过风轮支架101与风轮轮毂103连接；第一转轴3包括第一内轴301和第一外轴，风轮轮毂103与第一外轴内部中空，风轮轮毂103与第一外轴固定连接，第一内轴301穿设于第一外轴和风轮轮毂中，摩擦纳米发电单元还包括第二摩擦片13和第三介电膜片14，第二摩擦片13设于第一内轴301的外壁上，第三介电膜片14设于风轮轮毂103或第一外轴的内壁上，第二摩擦片13与电源管理系统电连接，第一内轴301穿过第一安装板5和第一介电膜片9与第一摩擦片8固定连接，使风轮1转动带动第一外轴转动，第一外轴绕第一内轴301转动，第二摩擦片13和第三介电膜片14发生接触和分离，进行发电。
42.同样地，水轮2包括水轮轮毂201和若干水轮叶片202，水轮叶片202连接在水轮轮毂201上；第二转轴包括第二内轴和第二外轴，第二内轴穿设于第二外轴中，水轮轮毂与第二外轴固定连接，摩擦纳米发电单元还包括第三摩擦片和第四介电膜片，第三摩擦片设于第二内轴的外壁上，第四介电膜片设于第二外轴的内壁上，第四介电膜片与电源管理系统电连接，第二内轴穿过第二安装板6和第二介电膜片10与第一摩擦片8固定连接。使水轮2带动第二外轴转动时，第二外轴绕第二内轴转动，第三摩擦片和第四介电膜片发生接触和分离，实现发电。
43.本实施例的其他结构与实施例一相同，此处不再赘述。
44.综上，本发明实施例提供一种基于摩擦纳米发电的海风能
‑
海流能耦合发电装置，其通过浮体7带动发电装置漂浮在海面，使风轮1位于海面上，水轮2伸入海水中。本实施例通过第一转轴3连接风轮1和第一安装板5，通过第二转轴4连接水轮2和第二安装板6，当海风带动风轮1转动，进而带动第一安装板5转动时，连接于第一安装板5底面的第一介电膜片9与第一摩擦片8可发生接触和分离，实现发电；当海流冲击水轮2，带动水轮2转动，进而带动第二安装板6转动，连接于第二安装板6顶面的第二介电膜片10与第一摩擦片8可发生接触和分离，实现发电。本实施例通过一个装置可同时利用海风能和海流能，实现海洋能的高效利用，发电效率高，且占用面积小，降低单位发电成本。
45.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。