一种利用机械振动进行摩擦纳米发电薄膜的制作方法

本发明涉及一种基于摩擦发电原理的俘能技术领域，尤其涉及一种利用海洋立管或系泊缆索的机械振动进行摩擦纳米发电薄膜。

背景技术：

随着对能源的需求量越来越大，人类开始向海洋迈进。海洋采油平台持续向、深海推进，海上风机林立，甚至深海养殖场的出现，都意味着对海洋立管或系泊缆索等处于极端环境的细长结构的分布式健康监控尤其重要，然而海洋环境复杂，监控装置供能不便。而且，处于远海区域能源供应也并不便利。

2012年以来，纳米摩擦发电原理、技术发展迅速，应用广泛。由于制作工艺简单，材料便宜易得，器件轻便，转化效率高等特点，越来越多的纳米摩擦发电产品应用于生产生活。

将纳米摩擦发电原理、技术应用于海洋立管或系泊缆索等此类深海细长结构，为其提供分布式健康监控所必需的能源，这将会大大减少海洋立管和系泊缆索分布式健康监控的成本。进一步的如果将产生的电能加以收集也可用于生产生活用电，也可以在一定程度上缓解能源紧缺的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种利用机械振动进行摩擦纳米发电薄膜。可将洋流作用下海洋立管或系泊缆索的振动机械能转化为电能。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是一种利用机械振动进行摩擦纳米发电薄膜，其特征在于该薄膜包括绝缘保护层以及为环状空腔结构的摩擦纳米发电单元；摩擦纳米发电单元主要由铺设在环状空腔结构内表面的包含电极的一层负极介电材料，以及一个可自由滚动的正极介电球体构成，环状空腔结构内表面两端分别设置有第一电极、第二电极。随着海洋立管或系泊缆索的振动，使环形结构空腔内的小球自由滚动，从而产生电势差，并通过电极输出。进一步地，其特征在于该薄膜包含多个独立的摩擦纳米发电单元，可根据实际情况增减单元数量。图示薄膜中摩擦纳米发电单元的数量仅为说明本发明，并非以此为限。

进一步地，每个摩擦纳米发电单元均为封闭结构。

进一步地，摩擦纳米发电单元均与海洋立管或系泊缆索垂直排列。

进一步地，每一个摩擦纳米发电单元内部均有一套独立的发电材料(负极介电材料、正极介电球体、电极等)。

进一步地，多个摩擦纳米发电单元通过并联汇集产生的电能。

进一步地，薄膜内设有电源控制模块，将产生的电能进行稳压、整合、输出。图示电源控制模块的位置和数量仅为说明本发明，并非以此为限。

进一步地，该薄膜理论上可内置或套设固定在海洋立管或系泊缆索的任意位置，但应根据实际情况选择固定在海洋立管或系泊缆索机械振动较大的区域，以便将更多的机械能转换为电能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明通过将独立的摩擦纳米发电单元整合内置套设固定在海洋立管或系泊缆索保护层内,将洋流运动或波浪引起的海洋立管或系泊缆索振动的机械能转化为电能,通过薄膜自带的电源控制模块，将产生的电能稳压整流后供给海洋立管或系泊缆索的分布式健康监控设备，降低监控成本。也可将产生的电能加以储存，供给生产生活使用。本发明可改变深海细长结构分布式健康监控供能不便以及远海生产生活能源紧缺的情况，且具有能量转换效率高、无污染、耐久性好等优点。

附图说明

图1是摩擦纳米发电单元的结构图。

图2是摩擦纳米发电薄膜的整体布局图。

图3是摩擦纳米发电薄膜用于海洋立管的安装示意图。

图4是摩擦纳米发电薄膜的工作原理图。

图中标号：1-摩擦纳米发电单元；2-海洋立管或系泊缆索；3-海洋立管或系泊缆索内壳；4-绝缘保护层；5-第一电极；6-第二电极；7-负极介电材料；8-正极介电球；9-电源控制模块，10-电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解此处所描述的具体实施方式仅用于解释本发明,并不用于限制本发明。

在发明中,在未作相反说明的情况下,发明中提到的方向用语,如“上”、“下”、“左”、“右”等,仅用于参考附图的方向。因此,使用的方向用语是用来更好地说明本发明以便于理解而并非用来限制发明的保护范围。

在发明中，第一电极5和第二电极6仅为说明和解释本发明而标号，并非以此限制本发明。

在发明中，电源控制模块9主要作用在蓄能、整流、滤波。包括但不限于交流电源稳压模块。交流电源稳压模块包括但不限于铁磁谐振式交流稳压器、磁放大器式交流稳压器、滑动式交流稳压器、感应式交流稳压器、晶闸管交流稳压器、补偿式交流稳压器。数控式和步进式交流稳压器、净化式交流稳压器等。

本发明摩擦纳米发电装置1包括：多个摩擦纳米发电单元1，绝缘保护层4，电源控制模块9。其中在摩擦纳米发电单元1内正极介电球8能与负极介电材料7产生相对运动，从而发生摩擦，使得在摩擦材料中产生摩擦电荷。

如图3所示，本发明摩擦纳米发电装置可内置套设固定在海洋立管或系泊缆索内壳3保护层内，并根据实际情况设置多个摩擦纳米发电单元1,从而当海洋立管或系泊缆索2产生浪致振动或涡激振动时,使摩擦纳米发电单元中1中正极介电球8能与负极介电材料7产生相对运动，进一步产生摩擦电荷。

如图3所示，绝缘保护层4在电源控制模块9处形成一个闭环，使得摩擦纳米发电装置能够内置于海洋立管或系泊缆索2中形成柔性套筒结构。柔性套筒固定于海洋立管或系泊缆索2，可最大限度的采集海洋立管或系泊缆索2的振动机械能。

如图2所示，本发明摩擦纳米发电薄膜各摩擦纳米发电单元1由内置于绝缘保护层4内的电路10并联，从而增强输出能力。

如图1所示，摩擦纳米发电单元1中，正极介电球8可全部或表面由金属材料或者有机材料制成，负极介电材料7可由电负性较高的有机绝缘材料制成，但不以此为限。

由于海洋立管或系泊缆索2的机械振动，正极介电球8能与负极介电材料7产生摩擦，使得第一电极5和第二电极6中产生感应电势差。如图4所示，随着海洋立管或系泊缆索2的机械振动，正极介电球8在靠近第一电极5一侧有向右运动的趋势，在第一电极5和第二电极6中产生了电势差，从而产生了电子转移，形成了电流。同样的，当正极介电球8在靠近第二电极6一侧运动时，第一电极5和第二电极6中会产生与图4相反的电势差，这样就形成了交流电。

第一电极5和第二电极6是分开的；正极介电球8在由负极介电材料7构成的空腔结构中自由运动。

在本发明中，可将分布式健康监控装置以及其他感应器装置放置于电源控制模块9中，也可外接与装置外部或者海洋立管或系泊缆索2外部，通过电源控制模块9接口进行供电。

所述摩擦纳米发电装置效率由以下公式表示：

其中，<p>表示平均功率；ρ和u为流体速度和密度；a为截面面积。

所述摩擦纳米发电单元1中小球运动由以下公式表示：

此处γ/μ为流体阻尼，γ＝cd/4π，μ＝mt/ρd²；

m＝cl0/16μπ²st²，其中，st为斯特罗哈尔常数(strouhalnumber)；

q＝2cl/cl0为瞬时升力系数cl和升力系数cl0的比值；

式中：cd＝2；cl0＝0.8；cm0＝1；st＝0.7；μ＝2.79。

以上结合附图详细描述了本发明的具体实施方式。但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的构思范围内,对本发明的布置方式和数量进行多种组合变型以及为了提高输出能力以增大摩擦面积等方式而对摩擦材料进行多种变形的情况,这些组合变型和情况均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，为了避免不必要的重复，本发明电源控制模块与健康监控装置以及其他感应器装置的连接方案不再另行说明。但电源控制模块9与感应器装置可根据实际情况任意组合。只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。