基于波浪能的电磁和液固摩擦复合纳米发电机及发电系统

本发明涉及波浪能发电，更具体地，涉及一种基于波浪能的电磁和液固摩擦复合纳米发电机及发电系统。

背景技术：

1、海洋约覆盖71％的地球表面，拥有巨大的能量。其中，波浪能储量巨大、分布范围广且能量密度高。探寻一种高效且稳定可靠的波浪能转换技术，已成为开发海洋能的一个重要途径。现阶段，常见的波浪能发电系统分为能量采集和能量转换两部分，波浪能从捕获到发电一般经过三级能量转换，将波浪的低速、大作用力与随机性的运动转化为与普通发电机相匹配的高速、连续性转动，再经过普通的发电机，最后输出电能。能量转化过程多，需要维护的部件也多，大多用于较大功率波浪能发电装置。

2、摩擦纳米发电机能收集海洋中低频且无序的波浪能，具有发电电压高、体积小、结构简单且制造成本低等优点。电磁发电机能收集海洋中连续高频的能量，具有大电流和输出功率大等优点。如果这两种发电方式能够实现优势互补，在低频条件时，摩擦纳米发电机输出大电压小电流，在高频条件时，电磁发电机输出大电流小电压，构成复合式能量收集装置，不仅能扩大收集波浪能频率的范围，还能够实现对海洋能源更为高效地利用，提高波浪能转换效率，能满足浮标、水文探测器等布置于海洋中的小型设备的供电需求。

3、摩擦纳米发电机是近年发展的一种新型发电途径，现有的固-固摩擦发电装置存在着摩擦接触面积小，易磨损等缺点，会导致能量转换效率低。现有的摩擦纳米发电装置存在单位体积输出功率较小，输出电压高，输出电流小，不好集成。为满足用电设备功率需求，需要增多发电芯体的数量，进而导致发电装置体积过大。但电磁发电机的输出电流大，输出功率高，摩擦电和电磁式可以相互配合，因此，亟需一种新型结合摩擦纳米发电和电磁发电技术进行海洋波浪能的有效利用。

4、现有技术中公开了一种混合摩擦纳米发电机，包括：摩擦纳米发电机模块以及电磁发电机模块；所述摩擦纳米发电机模块包括：基底、电极层、摩擦层以及液体；所述液体可在所述摩擦层中流动，通过所述液体在所述摩擦层中流动，使所述电极层之间产生电位差，从而驱动电荷在所述电极层之间流动，产生电流；所述电磁发电机模块与所述摩擦纳米发电机模块耦合并且与摩擦纳米发电机模块同轴设置；尽管该现有技术将摩擦发电和电磁发电相结合进行发电，但其为了实现全向同性的能量俘获将混合摩擦纳米发电机的整体结构设置为圆柱形，由于其结构限制难以将多个发电机组成发电阵列，而单个发电机的发电功率又及其有限，因此，该现有技术的方案会使发电机的应用场景受限，灵活性降低。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术中发电机的应用场景受限、灵活性不高的缺陷，提供一种基于波浪能的电磁和液固摩擦复合纳米发电机及发电系统，制造成本低，结构简单，且供电方式可根据功率大小以及应用环境条件进行调整，能适应更多的应用场景。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、一种基于波浪能的电磁和液固摩擦复合纳米发电机，包括：摩擦纳米发电模块1和电磁发电模块2；

4、所述摩擦纳米发电模块1包括：发电管芯11、摩擦液体12、第一导电金属箔13、第二导电金属箔14、第一电极15和第二电极16；

5、所述发电管芯11内部设置有预设体积的摩擦液体12，发电管芯11的材料极性与摩擦液体12的极性相反；

6、所述第一导电金属箔13和第二导电金属箔14分别紧密环绕设置在发电管芯11外表面的两端，第一导电金属箔13和第二导电金属箔14无接触；所述第一电极15和第二电极16分别连接第一导电金属箔13和第二导电金属箔14；

7、所述电磁发电模块2包括：磁体21、第一线圈22、第二线圈23、第三电极24、第四电极25、第五电极26和第六电极27；

8、所述磁体21可滑动设置于发电管芯11内部；

9、所述第一线圈22和第二线圈23分别沿发电管芯11环绕设置在第一导电金属箔13和第二导电金属箔14的外侧；所述第三电极24和第四电极25分别连接第一线圈22的两个端子；第五电极26和第六电极27分别连接第二线圈23的两个端子；

10、所述摩擦纳米发电模块1和电磁发电模块2相互耦合且同轴设置。

11、优选地，所述电磁和液固摩擦复合纳米发电机还包括防水保护壳3，所述摩擦纳米发电模块1和电磁发电模块2均设置于防水保护壳3内部。

12、优选地，所述防水保护壳3外表面还设置有导向装置，导向装置用于引导所述电磁和液固摩擦复合纳米发电机沿发电管芯11轴向往复运动。

13、优选地，所述导向装置具体为导向板。

14、优选地，所述发电管芯11的材料为ptfe、pet、pdms和pvc中的任意一种。

15、优选地，所述摩擦液体12具体为去离子水、磁性流体或水溶液。

16、优选地，所述磁体21为永久磁体，具体为磁球、圆柱磁条和磁性流体中的任意一种。

17、优选地，所述第一导电金属箔13和第二导电金属箔14均为铜箔、铝箔或导电涂层。

18、优选地，所述第一线圈22和第二线圈23均为导电铜线圈。

19、本发明还提供一种基于波浪能的发电系统，应用上述的一种基于波浪能的电磁和液固摩擦复合纳米发电机，包括依次连接的波浪能发电装置、整流装置、电能管理装置和若干个用电设备；

20、所述波浪能发电装置中并列设置有m个电磁和液固摩擦复合纳米发电机阵列；每个所述电磁和液固摩擦复合纳米发电机阵列中设置有n个电磁和液固摩擦复合纳米发电机，n个电磁和液固摩擦复合纳米发电机串联或并联连接；m和n分别为第一和第二正整数；所述波浪能发电装置用于利用海上波浪能驱动每个电磁和液固摩擦复合纳米发电机沿发电管芯11轴向往复运动产生交流电；

21、所述整流装置用于将波浪能发电装置输出的交流电整流为直流电并输出至电能管理装置；

22、所述电能管理装置为每个用电设备供电。

23、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

24、本发明提供一种基于波浪能的电磁和液固摩擦复合纳米发电机及发电系统，有效结合了摩擦电和电磁电两种发电技术，管式液固摩擦纳米发电机在低频条件能输出大电压、小电流，电磁发电机在高频条件能输出小电流大电压，二者优势互补，具有以下优点：

25、1)本发明中的电磁和液固摩擦复合纳米发电机与传统的摩擦纳米发电机相比制造简单、成本廉价，与蓄电池相比对海洋环境污染微小；

26、2)本发明可实现将波浪的动能和势能直接转化为电能，避免了多级能量转换过程的能量损耗；

27、3)本发明的电磁和液固摩擦复合纳米发电机能直接输出交流电，结构简单，制造成本低；

28、4)本发明的电磁-摩擦纳米发电机在原有管式液固摩擦纳米发电机的基础上，增加了电磁发电机模块，充分利用管内有效空间，通过二者优势互补，扩宽了采集波浪能的频率范围，提高输出功率，能适应更多的应用场景；

29、5)本发明的电磁-摩擦纳米发电机是随着海浪摆动而发电，海上风浪无时无刻不存在，可实现每时每刻对海上设备的供电，弥补了蓄电池供电的不持续、需人工维护的缺点，还能满足浮标、水文探测器等布置于海洋中的小型设备的供电需求；

30、6)本发明的电磁-摩擦纳米发电机应用领域更广，供电方式可根据功率大小以及应用环境条件进行调整，既能由管式的摩擦纳米发电模块或电磁发电模块单独供电，也能进行电磁-摩擦纳米组合发电，适用场景更加广泛。