一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置

本技术属于纳米能源、利用波浪能发电，涉及一种将不规则波动的波浪能转化成电能的发电技术，特别涉及一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置。

背景技术：

1、随着全球化石能源资源急剧减少以及人类发展对能源的需求日益增加，开发清洁能源对人类的可持续发展尤为迫切。其中，海洋约占地球总面积的71％，波浪能是海洋中最丰富、分布最广泛的能源，但海浪的低频性和不定向性使其很难被有效地捕获。传统电磁式发电机存在结构复杂，发电成本高等问题，而摩擦纳米发电机由于选材广泛、易于加工、制作成本低，在低频环境下发电效率优于电磁发动机，因此非常适合用于收集波浪源。然而，目前基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置仍需进一步提升能量密度和发电效率。

技术实现思路

1、为了实现上述目的，本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，利用内部结构间的摩擦产生电能，并供给负载。

2、为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：

3、一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，包括球形壳体、若干组发电单元、重力机构、导线，所述壳体包括右半球壳和左半球壳，所述球形壳体内设有密封腔，若干组所述发电单元安装在球形壳体内壁，且固定连接至重力机构，若干组所述发电单元之间通过导线相连接，所述球形壳体内壁对应发电单元设置有球面金属电极和球面介电薄膜，所述球面金属电极设置在球形壳体内壁，所述球面介电薄膜贴附在球面金属电极表面。

4、进一步地，所述的6组发电单元沿球壳周向均匀分布于球壳内壁，3组安装在左半球壳，3组安装在右半球壳。每组发电单元分别由沿球直径上下对称分布的两个子发电单元构成。

5、作为优选，每组所述发电单元包括上发电组件、下发电组件和支撑层连接块，所述上发电组件和下发电组件呈对称结构设置。

6、作为优选，所述上发电组件包括5层结构相同的塑料支撑层，所述支撑层连接块上设有插接槽，5层所述塑料支撑层的一侧相连接且插接至插接槽，5层所述塑料支撑层的另一侧通过弹性乳胶片将相邻的塑料支撑层撑开，5层所述塑料支撑层从上往下第一层塑料支撑层上下表面均贴附有金属电极，第二层塑料支撑层的上下表面由内向外依次贴附有金属电极和介电薄膜，第三层塑料支撑层的上下表面均贴附有金属电极，第四层塑料支撑层的上表面由内向外依次贴附有金属电极和介电薄膜，第五层塑料支撑层表面无贴附。

7、优选地，选择弹性适宜的乳胶片，使每片塑料支撑层之间夹角呈10°左右。所述的上下对称分布的两个子发电单元的支撑层连接块间距为8mm。所述的弹簧连接块共3块，沿球壳周向呈120°均匀安装于上下两个支撑层连接块中间。

8、作为优选，所述下发电组件中的塑料支撑层的表面贴附与上发电组件相反，所述支撑层连接块外壁固定安装至球形壳体内壁。

9、优选地，每片塑料支撑层及其上的金属电极和介电薄膜呈平面梯形状。独立发电片呈球面状，粘贴在球壳内壁。

10、作为优选，所述发电单元最外侧的塑料支撑层的表面所设置金属电极分别与球面介电薄膜相配合。

11、作为优选，所述重力机构包括环形重块、弹簧和弹簧连接块，三个所述弹簧的一端固定在环形重块的径向外表面，且呈中心对称结构设置，三个所述弹簧连接块分别固定安装在弹簧的另一端。

12、优选的，环形重块选择铜圆环，环重70-100g，环内径20-30mm，弹簧刚度适中，保证圆环可在一定空间范围内移动，通过挤压一侧塑料支撑层并由弹性乳胶片带动另一侧塑料支撑层展开而发生接触摩擦起电，将任意波动方向的波浪能转换成电能。

13、作为优选，所述支撑层连接块固定安装在弹簧连接块上。

14、优选地，球壳选择亚克力材料或防腐绝缘材料制成，塑料支撑层由聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜制成。介电薄膜选择聚四氟乙烯薄膜，表面带有微纳米凹凸结构，促进摩擦发电效果。金属电极选择铝薄膜，表面加工形成微纳米结构，促进摩擦发电效果。进一步地，弹性乳胶片穿过环形重块将所述的上下对称分布的两个子发电单元的塑料支撑层外缘连接。

15、进一步地，每个子发电单元中，直接粘贴在塑料支撑层表面的金属电极通过导线连接作为输出端a，粘贴于介电薄膜和塑料支撑层之间的金属电极通过导线连接作为输出端b，所有子发电单元并联连接。

16、优选地，还包括整流及调压的电源管理电路。

17、优选地，多个基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置通过导线并联连接组成网络状波浪能发电系统，以提高海洋波浪能转换率。

18、本实用新型的的原理是：

19、初始状态无外力作用时，塑料支撑层彼此分离，没有电荷产生，分属两个输出端的金属电极之间没有电势差。受外力作用时，环形重块运动过程中挤压塑料支撑层，输出端a的金属电极与介电薄膜接触。由于摩擦起电效应，该电极带正电荷，介电薄膜带负电荷。当塑料支撑层受环形重块牵拉彼此分离时，该电极与介电薄膜分离，分属两个输出端的金属电极之间形成电势差。开路状态下，电势差随间距的增大而增大，当间距最大时，电势差达到最大饱和值。如果将两个输出端连接构成闭合回路，电势差会驱动电子从输出端b的金属电极流入输出端a的金属电极，形成瞬时电流。当塑料支撑层受环形重块挤压彼此靠近时，分属两个输出端的金属电极之间电势差逐渐减小，电子从输出端a的金属电极流入输出端b的金属电极，形成反向电流。当输出端a的金属电极与介电薄膜再次接触时，感应电荷被中和，至此完成一个发电周期。

20、本实用新型具有以下的特点和有益效果：

21、采用上述技术方案：

22、1、6组发电单元充分填充球形空间，提高了发电效率和能量密度；

23、2、使用弹性乳胶片穿过环形重块连接发电单元的塑料支撑层，在波浪作用下，环形重块获得动能，通过牵拉和挤压作用，使塑料支撑层一侧展开一侧收拢，有效收集多个方向的波浪能，大幅提高发电效率；

24、3、将多个发电装置通过导线并联连接组成网络状波浪能发电系统，大大提高输出电流和输出功率，进而提高海洋波浪能转换效率；

25、4、本实用新型产生的电能经过电路处理后可存储于超级电容器或可充电电池组，持续不断地为海洋设备或无线传感器供电。

技术特征：

1.一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，其特征在于，包括球形壳体、若干组发电单元、重力机构、导线，所述球形壳体内设有密封腔，若干组所述发电单元安装在球形壳体内壁，且固定连接至重力机构，若干组所述发电单元之间通过导线相连接，所述球形壳体内壁对应发电单元设置有球面金属电极和球面介电薄膜，所述球面金属电极设置在球形壳体内壁，所述球面介电薄膜贴附在球面金属电极表面，每组所述发电单元包括上发电组件、下发电组件和支撑层连接块，所述上发电组件和下发电组件呈对称结构设置，所述重力机构包括环形重块、弹簧和弹簧连接块，三个所述弹簧的一端固定在环形重块的径向外表面，且呈中心对称结构设置，三个所述弹簧连接块分别固定安装在弹簧的另一端，所述支撑层连接块固定安装在弹簧连接块上。

2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，其特征在于，所述上发电组件包括5层结构相同的塑料支撑层，所述支撑层连接块上设有插接槽，5层所述塑料支撑层的一侧相连接且插接至插接槽，5层所述塑料支撑层的另一侧通过弹性乳胶片将相邻的塑料支撑层撑开，5层所述塑料支撑层从上往下第一层塑料支撑层上下表面均贴附有金属电极，第二层塑料支撑层的上下表面由内向外依次贴附有金属电极和介电薄膜，第三层塑料支撑层的上下表面均贴附有金属电极，第四层塑料支撑层的上表面由内向外依次贴附有金属电极和介电薄膜，第五层塑料支撑层表面无贴附。

3.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，其特征在于，所述下发电组件的中塑料支撑层的表面贴附与上发电组件相反，所述支撑层连接块外壁固定安装至球形壳体内壁。

4.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，其特征在于，所述发电单元最外侧的塑料支撑层的表面所设置金属电极分别与球面介电薄膜相配合。

5.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，其特征在于，所述壳体包括右半球壳和左半球壳。

技术总结
本技术公开了一种基于摩擦纳米发电机的波浪能发电装置，包括球形壳体、若干组发电单元、重力机构、导线，壳体包括右半球壳和左半球壳，所述球形壳体内设有密封腔，若干组发电单元安装在球形壳体内壁，且固定连接至重力机构，若干组所述发电单元之间通过导线相连接，所述球形壳体内壁对应发电单元设置有球面金属电极和球面介电薄膜，所述球面金属电极设置在球形壳体内壁，所述球面介电薄膜贴附在球面金属电极表面。该装置提高了发电效率和能量密度；使用弹性乳胶片穿过环形重块连接发电单元的塑料支撑层，在波浪作用下，环形重块获得动能，通过牵拉和挤压作用，使塑料支撑层一侧展开一侧收拢，有效收集多个方向的波浪能，大幅提高发电效率。

技术研发人员：王紫仪,刘逸喆,徐振龙,杨娜,李映暄,贺庆楷,吴雅阳,赵晨杨,李培林,孟之子,张哲铭,王仁洪,夏汀舟,孔奕
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：20230110
技术公布日：2024/1/15