深海能源收集装置及系统的制作方法

1.本技术涉及能源技术领域，尤其涉及一种深海能源收集装置及系统。


背景技术：

2.海洋覆盖了约地球面积的百分之七十，无论白天还是黑夜，无论天气如何，波浪能永不停歇。理论上，海洋的能量完全可以满足地球上所有的能源需求。它不占用陆地面积，几乎不存在安全问题。然而，迄今为止，几乎没有任何成熟的技术可以用来收集这种“蓝色能源”。
3.目前的波浪能收集器为主要由螺旋桨、磁铁和金属线圈组成的大重型电磁感应发电机，但是在海底建造塔楼支撑或在海床上固定大重型电磁感应发电机在技术上比较困难，且成本较高，由此，大重型电磁感应发电机很难大面积地用于海洋能的采集。表面漂浮物虽然可以被拴在海床或岸边来驱动发电机，但无法将其应用在深水或开阔的海洋中。更根本的原因是波浪能包含了缓慢流动和随机方向的振荡，这些条件导致电磁发电机运行不良，输出效率极低。因此，需要完全不同的方式去捕获波浪能。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种深海能源收集装置及系统，以解决波浪能收集困难的问题。
5.一方面，本技术实施例提出了一种深海能源收集装置，包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体设置在所述第二壳体内。其中，所述第一壳体的内壁上设置有第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极间隔设置，所述第一壳体内设置有球体，所述球体能够在所述第一壳体内移动，所述球体用于与所述第一电极和所述第二电极摩擦起电。所述第二壳体上设置有电源管理部，所述电源管理部连接有导线封装部，所述导线封装部包括多个导线，所述第一电极和所述第二电极分别通过所述导线与所述电源管理部连接。
6.根据本技术实施例的一个方面，所述第二壳体为柔性壳体，所述第二壳体内填充有气体。
7.根据本技术实施例的一个方面，所述第二壳体内填充的所述气体为二氧化碳。
8.根据本技术实施例的一个方面，所述第一电极和所述第二电极为中空的半球状，所述第一电极和所述第二电极相向设置。
9.根据本技术实施例的一个方面，所述第一壳体为绝缘硬质壳体。
10.根据本技术实施例的一个方面，所述球体的材料为具有电负性的材料。
11.根据本技术实施例的一个方面，所述第一电极和所述第二电极的材料为具有电正性的材料。
12.根据本技术实施例的一个方面，所述电源管理部包括相互连接的电容器和电感。
13.根据本技术实施例的一个方面，所述导线封装部的长度l＜r-r，其中，r为第二壳体的径向尺寸，r为第一壳体的径向尺寸。
14.另一方面，本技术实施例提出了一种深海能源收集系统，包括多个如前述的深海能源收集装置，多个所述深海能源收集装置阵列排布。
15.本技术实施例提供的深海能源收集装置，使用时可以悬浮在水中，通过水流的移动，球体在第一壳体内发生移动，与第一电极和第二电极发生接触分离，引起第一电极和第二电极间的电势不匹配从而产生电荷移动，可以实现能量收集，可以有效地将波浪能转换为电能，并通过电源管理部将电能存储以供利用，装置输出效率较高，成本较低，可大规模应用于深海中，提升海洋能源的利用率，解决了波浪能收集困难的问题。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本技术实施例提供的深海能源收集装置在某一状态的结构示意图；
18.图2为本技术实施例提供的深海能源收集装置在另一状态的结构示意图；
19.图3为本技术实施例提供的深海能源收集装置在又一状态的结构示意图；
20.图4为本技术实施例提供的深海能源收集装置的电源管理部的电路示意图；
21.图5为本技术实施例提供的深海能源收集系统的结构示意图。
22.附图标记：
23.100-第一壳体，200-第二壳体；
24.101-第一电极，102-第二电极，103-球体；
25.201-电源管理部，202-导线封装部。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本技术的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本技术的原理，但不能用来限制本技术的范围，即本技术不限于所描述的实施例。
27.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“内”、“外”、“顶部”、“底部”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技术和简化描述，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技术的限制。
28.请参阅图1，本技术实施例提供一种深海能源收集装置，包括第一壳体100和第二壳体200，第一壳体100设置在第二壳体200内。第一壳体100的内壁上设置有第一电极101和第二电极102，第一电极101和第二电极102间隔设置，第一壳体100内设置有球体103，球体103能够在第一壳体100内移动，球体103用于与第一电极101和第二电极102摩擦起电，由此构成摩擦纳米发电机。第二壳体200上设置有电源管理部201，电源管理部201连接有导线封装部202，导线封装部202包括多个导线，第一电极101和第二电极102分别通过导线与电源管理部201连接。
29.实际应用时，本技术实施例的深海能源收集装置可以悬浮在水中，通过水流的移动，球体103在第一壳体100内发生移动，与第一电极101和第二电极102发生接触分离，引起第一电极101和第二电极102间的电势不匹配从而产生电荷移动，可以实现能量收集，尤其能够实现低频能量收集，可以有效地将波浪能转换为电能，并通过电源管理部201将电能存储以供利用。装置密闭效果较好，灵活、轻质，工作输出效率较高，是一种比较经济的、可大规模应用的波浪能采集装置，尤其是可以应用在深海中，深海中水域面积巨大，可以更大幅度地提升海洋能源的利用率。
30.本技术实施例的深海能源收集装置，基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，通过球体103与第一电极101及第二电极102间的摩擦实现电荷的转移与收集，实现波浪能转换为电能。以下对装置的工作原理进行说明，示例性地，如图1所示，假设当没有波浪能推动时装置处于竖直的平衡位置；如图2和图3所示，当波浪能作用于第二壳体200时，第二壳体200随波浪能的方向移动，球体103由于惯性而发生偏移，导致第一电极101和第二电极102的电位发生变化，出现差异产生电荷流动。球体103由于重力的作用而回到平衡位置，第一电极101和第二电极102的电位趋于一致，产生反方向的电荷。可以理解，不同方向的波浪能作用于装置时，球体103均会发生偏移，装置都可以进行能量收集，从而实现对波浪能的全向收集。由此，装置可以实现不用考虑水波方向，所产生的电量主要由水波运动速度决定。
31.作为一种可能的实施例，第二壳体200可以为柔性壳体，第二壳体200内填充有气体。具体实施时，第二壳体200可以采用柔性的防水材料，如硅胶等，可以在海洋中维持数十年。
32.在本实施例中，第二壳体200内填充有气体，可以抵抗深海水压，维持装置内外压差平衡，有利于减轻第二壳体200所受压力，从而可以不用过多考虑第二壳体200的抗压效果。第一壳体100与第二壳体200连通，二者气压一致，由此也不用过多考虑第一壳体100的抗压效果。并且，摩擦纳米发电机的能量输出与环境气压有关，高压气体环境对电击穿具有出色的抑制作用，从而能量输出随着气压的提升而逐步提升，第二壳体200内填充有气体，可以有效地提高装置的输出性能。
33.在本实施例中，第二壳体200在水压作用下可以变形，从而可以实现装置重力与浮力的动态平衡，减轻装置在波浪能的作用下位置的变化，使得装置易于维持在一定的深度范围内，不会产生较大位置浮动。整体而言，第二壳体200采用柔性壳体且填充有气体，可以易于装置的浮力与重力达到动态平衡，及气压对第二壳体200的压强与水压对第二壳体200的压强达到动态平衡。
34.在具体实施中，第二壳体200内填充的气体可以为二氧化碳。将过多的二氧化碳储存起来可以起到缓解气候变化的作用，助力碳中和与碳达峰的目标。此外，波浪能作为环境友好型新能源，本装置的投入使用可以减少化石燃料的使用，可以从源头上缓解二氧化碳的释放。
35.作为一种可能的实施例，第一壳体100可以为球状，第一电极101和第二电极102可以为中空的半球状，第一电极101和第二电极102如果相向拼接则可以构成空心球状结构，具体实施时，第一电极101和第二电极102相向设置，从而第一电极101和第二电极102可以充分地占用第一壳体100内壁面积，球体103运动时与第一电极101及第二电极102的接触分离机会极大，可以有效地提高装置发电效率。
36.在具体实施中，第一壳体100可以为绝缘硬质壳体，例如，亚克力等，能较好地固定第一电极101及第二电极102。
37.在具体实施中，球体103的材料可以为具有电负性的材料，例如，球体103的材料可以为硅胶、fep(氟化乙烯丙烯共聚物)、ptfe(聚四氟乙烯)、pdms(聚二甲基硅氧烷)、pvc(聚氯乙烯)等电负性强的材料。第一电极101和第二电极102的材料可以为具有电正性的材料，例如，第一电极101和第二电极102的材料可以为铜、铝等具有电正性的材料。由于材料的电负性不同，球体103移动时，球体103与第一电极101及第二电极102相互接触并摩擦，球体103会在表面积累负摩擦电荷，根据电荷守恒定律，第一电极101及第二电极102会在表面积累正摩擦电荷，第一电极101和第二电极102接入电源管理部201，为电源管理部201提供电能。
38.作为一种可能的实施例，电源管理部201的封装外壳可以嵌附在第二外壳的内壁上。电源管理部201可以包括相互连接的电容器和电感，以最大化摩擦纳米发电机的能量输出。结合图4，摩擦纳米发电机转换的电能首先对初始电容器(c
in
)进行充电，然后三极管工作，将初始电容器的电量转移至二级电路管理模块内，通过电感与二级电容器(c
out
)的配合获得摩擦纳米发电机的最大平均功率输出，且实现降压升流。
39.作为一种可能的实施例，设定导线封装部202的长度l，第二壳体200的径向尺寸为r，第一壳体100的径向尺寸为r，具体实施时，l＜r-r，即导线封装部202的长度小于第二壳体200的径向尺寸与第一壳体100的径向尺寸只差。这样当装置处于图1所示的姿态时，导线封装部202可以起到牵引第一壳体100的作用，球体103在第一电极101和第二电极102之间的移动频率更高，从而可以提高装置对波浪能的收集效率。
40.参阅图5，本技术实施例还提供一种深海能源收集系统，包括多个上述实施例的深海能源收集装置，多个深海能源收集装置可以阵列排布，形成发电机网络，多个深海能源收集装置的电源管理部201可以汇总连接到电源管理中心，实现大规模发电。具体应用时，系统可以作为海洋无线传感网络及通讯平台的能量源，还可以为大规模海洋自驱动物联网提供实现基础。
41.本领域内的技术人员应明白，以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此。显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。