一种综合利用挠曲电和环境动能的发电方法、装置及系统

1.本发明涉及发电领域和挠曲电技术领域，具体为一种综合利用挠曲电和环境动能的发电方法、装置及系统。


背景技术：

2.人类当前所处的时代堪称“能源时代”，世界能源形势日益严峻，能源也成了各个领域的焦点问题。世界能源结构以化石能源为主，但化石能源的使用同时也带来了环境污染，并存在着化石能源枯竭的问题，因而开发利用高效，可再生的清洁能源成了重中之重。海洋覆盖地球70％以上的表面，海洋中蕴含的各种形式的海洋能，包括潮汐能、波浪能、潮流能、海流能等给予了人类新的探索方向。同时，对于人们已有一定认识和发展的风能以及机械能仍然值得我们利用，并与更新型的发电方法相结合。
3.其中潮汐能发电研究已有100多年的历史，是目前海洋能发电技术中最为成熟的技术。目前波浪能和潮流能发电技术相对不够成熟，成本较高，在国内外有许多相关的技术研究，发展较快。但我国的波浪能发电研究领域和世界前沿相比仍有一定的距离，推进加快波浪能开发利用是我们重要的努力方向。
4.当前的海上工作设备很大一部分都依靠太阳能发电装置供电，从制造上来说，太阳能电池板的制造过程中使用各类化学物品，同时产生的废气排放也会造成环境污染，报废的电池板也很难处理或再利用。此外，太阳能发电装置若暴露在海平面上，受海洋影响在高盐高湿环境下易发生腐蚀。利用波浪能的装置多种多样，但常常存在机械结构复杂，能量转换环节多，体积笨重等问题，机械类装置需要先将波浪能转换为机械能，再将装置的机械能转换为电能，其中必然有能量的损耗。并且重量较大的漂浮波浪能装置对系泊装置有较高的要求，受到大浪冲击时极易损坏而报废，无法找回。
5.对于现存的风能发电装置而言，其系统本身造价高，同时风能本身存在着稳定性差，不同地区及不同时间段差异大的缺点，已有很多的风能发电设备被废弃停用。但风能本身是一种分布广泛、蕴量大且无污染的清洁能源，因而如何能更好地利用风能来发电也是一个值得深入研究的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种综合利用挠曲电和环境动能的发电方法、装置及系统。该发电方法简洁明了且易于实施，能利用清洁能源进行发电，且过程中不对环境造成污染。根据该方法制造的综合利用挠曲电和环境动能的发电装置结构简单、质量较小、所需材料易得、易于投放和维护、适用范围广、可大规模并用，能够克服现有的部分发电装置所存在的结构复杂、成本高昂、不便于保存维护等问题。
7.为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
8.一种综合利用挠曲电和环境动能的发电方法，该方法是利用环境动能使得多孔挠曲电材料变形产生电信号实现发电；
9.所述变形可利用环境动能使得多孔挠曲电材料直接变形，也可利用环境动能产生惯性力间接使多孔挠曲电材料变形；
10.所述多孔挠曲电材料为复合材料，具有在任意载荷形式或任意变形模式下均可产生电信号的特性，因而环境动能所直接或间接使多孔挠曲电材料产生的变形均可用于发电。
11.进一步的，所述复合材料为高分子挠曲电材料和高介电材料的复合材料。
12.进一步的，所述环境动能包括波浪能、风能或机械能。
13.进一步的，所述惯性力包括设置的惯性块所受惯性力、以及因多孔挠曲电材料或对应的发电装置本身具有的惯性而受到的惯性力。
14.进一步的，所述多孔挠曲电材料为三维材料且呈多孔状，内部具有微结构，整体具有宏观结构设计。
15.所述宏观结构设计包括但不限于扭转结构设计和变截面结构设计。
16.本发明还提供了以下技术方案：
17.一种综合利用挠曲电和环境动能的发电装置，该发电装置是根据所述方法而制造的发电装置，所述发电装置利用外界的环境动能来驱动发电，所述环境动能能够利用该装置使得挠曲电材料发生形变或相对位移。
18.进一步的，所述发电装置包括漂浮球壳，该漂浮球壳的外表面下端通过一连接结构与次级球壳相连；次级球壳下方通过另一连接结构固定在外界环境中；所述漂浮球壳和次级球壳内部安装有发电组件，发电组件包括多孔挠曲电材料，还包括惯性块、弹簧，所述惯性块通过多条弹簧连接在球壳的内表面上，所述多孔挠曲电材料通过其一端设置的信号处理与收集模块与球壳内表面相连。
19.进一步的，对于所述环境动能为波浪能的发电装置，所述漂浮球壳和次级球壳设置为密封且防水的保护罩；
20.对于所述环境动能为风能的发电装置，所述漂浮球壳和次级球壳为不需要密封的壳体。
21.进一步的，对于所述环境动能为波浪能的发电装置，所述多孔挠曲电材料外形设置为条状且具有扭转结构，在空间内分散排布，或设置填充物填充在球壳内部；
22.对于所述环境动能为风能的发电装置，所述多孔挠曲电材料设置为具有面积较大厚度较小的旗帜形。
23.其中所述多孔挠曲电材料以聚二甲基硅氧烷(pdms)或聚偏二氟乙烯(pvdf)为基体材料，以高介电材料钛酸铜钙(ccto)或钛酸锶(sto)为添加相材料。
24.进一步的，所述的条状多孔挠曲电材料一端固定在球壳内表面上的信号处理与收集模块，另一端连接在所述惯性块的外表面上；各条状多孔挠曲电材料呈散射状均匀分布在球壳内部空间中，彼此之间保持一定的距离。
25.进一步的，所述条状多孔挠曲电材料整体具有扭转结构。
26.进一步的，所述惯性块位于漂浮球壳和次级球壳内部中心，通过不同方向的弹簧连接在球壳内表面上，以获得一个相对确定的惯性块位置。
27.进一步的，所述信号处理与收集模块为整流器。
28.进一步的，所述连接结构为链状。
29.本发明还提供了一种综合利用挠曲电和环境动能的发电系统，所述发电系统包括多个发电装置，多个发电装置按一定形状并行布置，从而实现区域内的同时发电。
30.进一步的，所述一定形状为多边形，所述多边形的边长根据连接结构的长度来确定以保证每个发电装置之间不会发生碰撞。
31.进一步的，所述多边形为六边形，多个发电装置分别设置在六边形的角点和中心处，彼此之间不相互连接。
32.本发明中，多孔挠曲电材料产生的电信号经信号处理后被收集模块收集。其中的多孔挠曲电材料变形的方法在不同的能量形式下可有不同的设计。例如对于环境动能形式为波浪能或机械能的发电装置，可在装置体内设置惯性块，惯性块受到惯性力后装置内的多孔挠曲电材料产生变形从而发电。而对于环境动能形式为风能的发电装置，除了利用惯性块产生变形，也可以通过结构设计使多孔挠曲电材料受载时直接变形。其中所述多孔挠曲电材料具有在任意载荷形式及任意变形模式下都可输出电信号的特性，因而所使用的多孔挠曲电材料可以在不同类型的装置中设计成不同的形状并具有不同的分布。例如对于环境动能形式为波浪能的发电装置，可将材料设置为条状分散排布或设置为填充物填充在装置体内。而对于环境动能形式为风能的发电装置，则可将材料设置为面积较大厚度较小的旗帜形。
33.通过上述技术方案的设置，该综合利用挠曲电和波浪能的发电装置受波浪能的作用，内置的惯性块由于惯性力的影响，间接使得两端分别连接在保护罩和惯性块上的柔性多孔挠曲电材料发生各种形式的变形，从而实现利用环境动能(如波浪能)进行发电。与此同时，该装置不仅可以单独使用，还可以进行装置的分级和多个装置的并行使用，充分利用空间的同时能够进行大规模的波浪能发电，是一种结构简单、易于布置和维护、适用范围广的发电装置。
34.本发明具有以下有益效果：
35.本发明通过多孔挠曲电复合材料的变形实现发电，由于挠曲电效应与材料的介电常数呈正相关，通过添加高介电材料以改善基体材料，可获得更显著的挠曲电效应；本发明易于实施，利用清洁能源进行发电，不对环境造成污染；本发明的发电装置结构简单、质量较小、所需材料易得、易于投放和维护、适用范围广、可大规模并用。
附图说明
36.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下述具体实施方式一同用于解释本发明，但不构成对本发明的限制。在附图中：
37.图1为本发明提供的一种综合利用挠曲电和波浪能的发电装置纵剖面示意图；
38.图2为本发明提供的一种综合利用挠曲电和波浪能的发电系统示意图；
39.图3为本发明提供的一种综合利用挠曲电和波浪能的发电装置中具有宏观结构设计的条状多孔挠曲电材料示意图。
40.附图标记说明：1漂浮球壳、2连接结构、3多孔挠曲电材料、4弹簧、5惯性块、6信号处理与收集模块、7次级球壳。
具体实施方式
41.本发明提供了一种综合利用挠曲电和环境动能的发电方法，该方法是利用环境动能使得多孔挠曲电材料变形产生电信号实现发电；所述变形可利用环境动能使得多孔挠曲电材料直接变形，也可利用环境动能产生惯性力间接使多孔挠曲电材料变形；所述多孔挠曲电材料为复合材料，具有在任意载荷形式或任意变形模式下均可产生电信号的特性，因而环境动能所直接或间接使多孔挠曲电材料产生的变形均可用于发电。其中，所述复合材料中掺杂了高介电材料。由于挠曲电效应与材料的介电常数呈正相关，通过添加高介电材料以改善基体材料，可获得更显著的挠曲电效应。所述环境动能的能量形式包括波浪能、风能和机械能。所述环境动能导致的材料形变包括多孔挠曲电材料本身在所述三种能量形式作用下直接变形以及因环境动能作用而产生的惯性力使多孔挠曲电材料变形。
42.其中，所述环境动能产生惯性力间接使多孔挠曲电材料变形的过程，所涉及的惯性力包括设置的惯性块所受惯性力以及因材料或对应装置本身具有的惯性而受到的惯性力。
43.其中，所述多孔挠曲电材料为三维材料且呈多孔状，内部具有微结构，整体具有宏观结构设计。
44.其中，所述多孔挠曲电材料的成分有多种选择，掺杂介电材料即可，因为介电材料均具有挠曲电效应。
45.下面将结合附图1-2，对根据一种综合利用挠曲电和环境动能的发电方法所制造的一种综合利用挠曲电和波浪能的发电装置的具体实施方式进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅为解释本发明，而非对本发明的限制。
46.请参阅图1，一种综合利用挠曲电和波浪能的发电装置，包括装置体和连接结构2，所述装置体包括漂浮球壳1和次级球壳7，所述漂浮球壳1的外表面下端通过一连接结构2与次级球壳7相连；次级球壳7下方通过另一连接结构2固定在外界环境中；所述漂浮球壳1和次级球壳7内部安装有发电组件，发电组件包括有多条条状结构的多孔挠曲电材料3，还包括惯性块5、弹簧4，所述惯性块5通过多条弹簧4连接在球壳的内表面上，所述多孔挠曲电材料3通过其末端设置的信号处理与收集模块6与球壳内表面相连。
47.其中，所述信号处理与收集模块6为整流器。
48.优选地，所述球壳仅是装置体的一种实现方式，装置体可以为多面体或球体结构。
49.优选地，所述球壳采用防水材料制成密封的保护罩，其目的是在利用波浪能的外界环境条件下保证内部装置的正常使用和位置固定。
50.优选地，所述惯性块可用任何材料制成，其结构形式也是任意的，只要能够在装置各组件允许的强度范围内尽可能地使条状多孔挠曲电材料产生较大的变形即可。
51.优选地，所述多孔挠曲电材料的结构形式并不局限于条状，在本实施方式中仅以条状结构作为示例。
52.优选地，所述多孔挠曲电材料的成分有多种选择，可以使用pdms或pvdf作为基体材料，高介电材料ccto、sto作为添加相，制备得到多孔材料。在本实施方式中使用了pdms和ccto材料作为代表，制备具有扭转结构的多孔复合材料。制备时将pdms、ccto和nacl颗粒均匀混合，填充在具有扭转结构的模具中高温固化后，在水浴锅中去除nacl颗粒产生多孔结构，从而获得具有扭转结构的条状多孔挠曲电复合材料。
53.优选地，所述条状多孔挠曲电材料一端连接在惯性块的外表面上，一端连接着固定在球壳内表面上的信号处理与收集模块，各条状多孔挠曲电材料呈散射状均匀分布在球壳内部空间中，彼此之间保持一定的距离。
54.优选地，球壳内部位于球体中心的惯性块是通过不同方向的弹簧连接在球壳主体内表面上的，以获得一个相对确定的惯性块位置。但用于固定惯性块位置的也可以是弹簧以外的其他结构，只要保证其结构强度即可。
55.请参阅图1所示例的连接结构，球壳通过链状的连接结构固定在外界环境中，球壳主体可在连接结构长度限定的相应空间范围内移动，保证球壳主体不会受波浪，洋流影响而超出指定区域。
56.请参阅图1，波浪可使漂浮球壳和次级球壳结构中产生电信号，同时漂浮球壳移动时连接结构会产生相应位移，其上的次级球壳结构中也将产生电信号。
57.图2给出了一种多个综合利用挠曲电和波浪能的发电系统示意图，其中包括并行使用的多个发电装置，但是本领域技术人员应当理解的是，图2仅是一种示例，任何能保证发电装置正常运行的布置方式都可以应用在本发明的使用中。
58.请参阅图2，两个同心的圆代表一个同时具有漂浮球壳和次级球壳的发电装置。将多个发电装置按六边形的形式进行并行布置，从而实现区域内的同时发电。考虑到连接结构的强度问题，每个发电装置都用单独的连接结构固定在岛礁或海岸上，彼此之间不相互连接。布置时，六边形的边长根据连接结构的长度来确定以保证每个发电装置之间不会发生碰撞。
59.图3为本发明提供的一种综合利用挠曲电和波浪能的发电装置中具有宏观结构设计的条状多孔挠曲电材料示意图，所述条状多孔挠曲电材料宏观上具有扭转结构。
60.本发明具体实施过程如下：
61.当波浪能作用时，在漂浮球壳1内的惯性块5受惯性力而与球壳整体有位移差，惯性块5在球壳内移动时会牵动不同方向的条状多孔挠曲电材料3产生各种形式的形变，材料产生的挠曲电经信号处理与收集模块6整流后得到收集。在惯性块5移动时，各方向连接惯性块5与球壳主体1内表面的弹簧控制着惯性块5的移动范围。在连接结构2上的次级球壳结构7内也将在移动时依照同样的流程产生挠曲电。在布置多个综合利用挠曲电和波浪能的发电装置时，可按照图2所示方式，在六边形各点和中心处布置上发电装置。在一片区域内，可按六边形布置形成密铺来设置大量的发电装置。
62.对于本领域其他技术人员而言，本发明的使用不限于上述具体实施方式，可以理解在不脱离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他具体的形式表现本发明，对其进行变换、修改、组合和变型，并且上述情况均应包含在本发明的保护范围内。