CN111140426A - 一种基于摩擦发电原理的波浪发电装置 - Google Patents

一种基于摩擦发电原理的波浪发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于摩擦发电原理的波浪发电装置，包括岸边的能量捕获机构、摩擦发电机构、支撑限位机构以及电源控制箱。所述的能量捕获机构包括浮球、浮摆、旋转轮、旋转轴；所述的摩擦发电机构包括固定在堤坝上的发电轮盘、正摩擦发电片、负摩擦发电片、插片盘；所述的支撑限位机构包括支撑所述发电轮盘的竖杆、套设在竖杆上的滑动管套以及垂直连接滑动管套和浮球的横杆；所述的摩擦发电机构经过导线连接至电源控制箱，所述电源控制箱与用电设备连接。利用本发明专利，既可实现对波浪能的吸收与转换，同时也可有效降低海岸的能量损耗，减小对海岸的破坏，获得巨大的经济效益。

Description

一种基于摩擦发电原理的波浪发电装置
技术领域
本发明涉及俘能领域，具体涉及一种基于摩擦发电原理的波浪能发电装置。
背景技术
能源是经济社会发展的重要基础，随着我国能源需求不断增长，能源短缺以及能源利用过程带来的环境污染问题，成为制约生态文明建设的重要因素。大力发展可再生能源，推动能源生产和消费革命，是建设生态文明和美丽中国的重要保障。
绿色清洁的海洋可再生能源具有巨大的开发利用潜力。其中，海水的波浪运动产生的波浪能达700亿千瓦，占世界海洋能量的94％。而中国有着长达18000多公里的大陆海岸线及5000多个岛屿的14000多公里海岸线，蕴藏着7000万千瓦的波浪能，具有广阔的开发利用前景。波浪能是最清洁的可再生资源，它的开发利用，将大大缓解由于矿物能源逐渐枯竭的危机，改善由于燃烧矿物能源对环境造成的破坏，同时也可有效降低海岸的能量消耗，减小对海岸的破坏。
自1799年法国的Girard父子申请了世界上第一个波浪能发电技术专利至今，国外对波浪能开发技术逐步走向成熟，部分装置实现了产业化应用。中国自20世纪60年代开始了波浪能发电研究工作，经历了理论研究到样机海试的过程。目前传统的波浪能转换装置包括振荡水柱式、振荡体式和越浪式三大类。这三种类型各有优缺点，但共同存在的问题是波浪能转换成电能的中间环节多，通常需要经过：波浪能-机械能-液压能(气压能)-机械能-电能的能量转换过程，效率低。复杂的环节也使得传统的波浪能发电装置结构复杂，造价昂贵。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明对传统波浪能发电装置的能量转换方式的优化和结构的简化，提供了一种基于摩擦发电原理的波浪能发电装置，该发明具有简易轻量化、能量转化效率高、结构稳定的优点。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是:一种基于摩擦发电原理的波浪能发电装置，包括能量捕获机构、摩擦发电机构、支撑限位机构以及电源控制箱。所述的能量捕获机构包括浮球、浮摆、旋转轮、旋转轴，所述的浮球与浮摆可转动连接，浮摆与旋转轮可转动连接，所述的浮摆通过所述的旋转轮带动所述的旋转轴转动；摩擦发电机构包括固定在堤坝上的发电轮盘、正摩擦发电片、负摩擦发电片、插片盘，所述的插片盘分别固接在发电轮盘内表面和旋转轴外表面，所述的负摩擦发电片安装在与所述的发电轮盘固接的插片盘上，所述的正摩擦发电片安装在与所述的旋转轴固接的插片盘上，所述的正摩擦发电片和负摩擦发电片均由柔性材料制成；所述的支撑限位机构包括支撑所述的发电轮盘的竖杆、套设在竖杆上的滑动管套以及垂直连接滑动管套和浮球的横杆；所述的摩擦发电机构经过导线连接至电源控制箱。
进一步地，所述浮球与浮摆以球铰的形式连接，所述浮摆铰接在旋转轮上，浮球为耐候性好、便于维护的固体浮力材料，浮摆及旋转轮为高强度轻质复合材料。
进一步地，所述的滑动管套由耐腐蚀、轻质复合材料制成，所述滑动管套通过垂直于管壁的横杆与浮球圆心固接，使浮球在波浪作用下，始终沿竖直方向往复运动。
进一步地，所述的发电轮盘为强度高、耐磨、防腐的轻质复合材料制成，能有效保证摩擦发电机构在海岸边复杂环境下的正常运转。
进一步地，所述的插片盘为内中空结构。
进一步地，所述旋转轴上均匀分布若干个插片盘，插片盘上装有正摩擦发电片，所述正摩擦发电片包括五层，由上到下的顺序分别为正极介电材料层-电极层-中间的基板层-电极层-正极介电材料层，所述各层材料间彼此全覆盖。
进一步地，所述发电轮盘内壁上同样均匀分布若干个插片盘，插片盘上装有负摩擦发电片，所述负摩擦发电片包括五层，由上到下的顺序分别为负极介电材料层-电极层-中间的基板层-电极层-负极介电材料层，所述各层材料间彼此全覆盖。
进一步地，所述正摩擦发电片和负摩擦发电片形状大小一致，均设计为片状，在空间位置上实现对正对齐。由于摩擦发电片均为柔性材料，当旋转轴旋转起来时，可以实现正负摩擦发电片之间的相互接触，摩擦与分离，从而形成电荷的移动。
进一步地，所述的摩擦片，由于在基板的正反两侧面均有介电材料层，可保证无论旋转轮以何种方式进行旋转，都能实现摩擦发电的效果。
进一步地，所述正极介电材料的电极层通过导线串联，串联后的导线通过旋转轴中间的空腔中汇聚并导出，作为正电极线，连接到电源控制箱；所述负极介电材料的电极层通过导线串联，串联后的导线沿着发电轮盘的盘壁内汇聚并导出，作为负电极线，连接到电源控制箱。
进一步地，所述电源控制箱包括电源检测装置、稳压整流装置、电能存储设备以及变压输出装置，摩擦发电机构通过导出的正负电极线与电源检测装置连接，之后通过稳压整流装置与变压输出装置将可用的电能传输至用点设备，多余的电能则通过稳压整流装置传输至电能存储设备进行存储。
本发明的有益效果是：本发明在大堤的外表面，安装了采集海洋波浪能的摩擦发电装置，利用摩擦发电原理，将波浪能产生的机械能转换成电能，并进行收集和利用，为岸堤边的公用照明设备、检测设备等提供绿色能源；本发明的浮球能够随着海水的波动上下浮动，最大程度地承受海浪冲击搜集能量，摩擦层正反面的介电材料设置可保证旋转轮无论以什么方向旋转，都能实现摩擦发电。摩擦式发电装置结构简单、易于加工制作、节能环保，不仅比传统复杂的波浪能发电装置要节约成本，也极大提高了发电效率，是一种限制少、效率高、绿色环保的发电方式。利用本发明装置，既可实现对波浪能的吸收与转换，同时也可有效降低海岸的能量损耗，减小对海岸的破坏，获得巨大的经济效益。
附图说明
图1为波浪能发电装置正视示意图。
图2为波浪能发电装置侧视示意图。
图3为波浪能发电装置立体示意图。
图4为安装在旋转轴上的正摩擦发电片示意图。
图5为安装在发电轮盘壁上的负摩擦发电片示意图。
图6为电源控制箱示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-6所示，本发明的基于摩擦发电原理的波浪能发电装置，所述的波浪能发电装置包括三个部分：岸边的能量捕获机构、布设在岸堤壁上的摩擦发电机构20、支撑限位机构以及电源控制箱21。
所述的能量捕获机构包括浮球1、浮摆2、旋转轮3以及旋转轴4。浮球1与浮摆2的连接方式为球铰的形式。浮球1将在波浪的冲击作用下，带动浮摆2运动，浮摆2铰接在旋转轮3的一端，旋转轮3的另一端与旋转轴4固接，浮摆2的运动将使旋转轮3绕旋转轴4的轴心转动。浮球1为耐候性好、便于维护的固体浮力材料，浮摆2及旋转轮3为高强度轻质复合材料。
所述的摩擦发电机构20包括至少一个发电轮盘5，4片正摩擦发电片6,4片负摩擦发电片7，以及8个插片盘8。所述的插片盘8通过螺栓分别固接在发电轮盘5内表面和旋转轴4外表面，并沿着圆周方向360°按步距角90°均匀排布。所述的负摩擦发电片7安装在与所述的发电轮盘5固接的插片盘8上，所述的正摩擦发电片6安装在与所述的旋转轴4固接的插片盘8上，一片正摩擦发电片6和一片负摩擦发电片7组成一个摩擦发电单元27。所述的正摩擦发电片6包括五层，由上到下的顺序分别为正极介电材料层15-电极层14-中间的基板层13-电极层14-正极介电材料层15。负摩擦发电片7包括五层，由上到下的顺序分别为负极介电材料层19-电极层14-中间的基板层13-电极层14-负极介电材料层19。正摩擦发电片6和负摩擦发电片7的各层材料形状大小都是一致的，为全覆盖式，在本实施案例中，其平面尺寸均为300mm×120mm，基板层13厚3mm，电极层14厚1mm，正极介电材料层15和负极介电材料层19厚1-2mm。本实施案例中，正极介电材料层15采用铝箔材料，负极介电材料层19采用PVC材料，电极层14采用磷铜薄层材料，基板层13采用碳纤维贴片。正摩擦发电片6与负摩擦发电片7空间位置上实现对正对齐，接触时重叠面积占各自摩擦层面积的70％。摩擦层根部20％的部分包裹在插片盘8中，用螺钉拧紧。插片盘8采用韧性材料，可承受摩擦层接触摩擦时在根部产生的弯曲应力，从而防止摩擦层的磨损和折断，提高使用寿命。发电轮盘5采用MC尼龙材料进行封装，能有效保证摩擦发电机构在海岸边复杂环境下的正常运转。
所述的支撑限位机构包括支撑所述的发电轮盘5的竖杆9、套设在竖杆9上的滑动管套12以及垂直连接滑动管套12和浮球1的横杆11。所述的发电轮盘5和竖杆9均通过地脚螺钉10安装在堤岸壁上。所述的滑动管套12通过横杆11与浮球1固接，因此，在波浪能作用下，浮球1将始终沿竖直方向往复运动。
所述的正摩擦发电片6的电极层14通过导线串联，串联后的导线通过旋转轴4中间的空腔中汇聚并导出，作为正电极线16，连接到电源控制箱21。负摩擦发电片7的电极层14通过导线串联，串联后的导线沿着发电轮盘盘壁17内汇聚并导出，作为负电极线18，连接到电源控制箱21。
在实施案例中，当浮球1在波浪能作用下，做上下的往复运动，通过浮摆2使旋转轮3和旋转轴4绕轴心转动，旋转轴4带动插片盘8，插片盘8上的正摩擦发电片6随之转动，与发电轮盘壁17上插片盘8的负摩擦发电片7相互接触，摩擦与分离。因为在摩擦片中基板层13的正反两侧面均有介电材料层，因此，不论正摩擦发电片6按顺时针旋转或是逆时针旋转，都能实现摩擦发电的效果。在摩擦片接触摩擦分离的过程中，铝箔与PVC本身的电荷平衡被打破，从而产生电势差，进而形成电荷的移动，电流通过正电极线16和负电极线18传输至电源控制箱21中，从而完成了将波浪能产生的机械能转换为电能的能量转换过程。
电源控制箱21包括电源检测装置22、稳压整流装置23、变压输出装置24以及电能存储设备25，其中变压输出装置24与用电设备26连接。电源检测装置22采用通常的通电检测设备，主要用于动态监测摩擦发电机构20的电能输出情况，从而明确本发明的发电装置是否正常工作；稳压整流装置23采用通常的稳压整流电路，对摩擦发电机构20产生的电能进行稳压整流；变压输出装置24采用通常的变压器，用于与用电设备26的额定电压匹配；电能存储设备25可以采用一定容量的蓄电装置，将多余的电能存储起来，已备发电量不足时使用。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于摩擦发电原理的波浪发电装置，其特征在于：所述发电装置包括能量捕获机构、摩擦发电机构、支撑限位机构以及电源控制箱。所述的能量捕获机构包括浮球、浮摆、旋转轮、旋转轴，所述的浮球与浮摆可转动连接，浮摆与旋转轮可转动连接，所述的浮摆通过所述的旋转轮带动所述的旋转轴转动；摩擦发电机构包括固定在堤坝上的发电轮盘、正摩擦发电片、负摩擦发电片、插片盘，所述的插片盘分别固接在发电轮盘内表面和旋转轴外表面，所述的负摩擦发电片安装在与所述的发电轮盘固接的插片盘上，所述的正摩擦发电片安装在与所述的旋转轴固接的插片盘上，所述的正摩擦发电片和负摩擦发电片均由柔性材料制成；所述的支撑限位机构包括支撑所述的发电轮盘的竖杆、套设在竖杆上的滑动管套以及垂直连接滑动管套和浮球的横杆。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦发电原理的波浪发电装置，其特征在于，所述的浮球与浮摆以球铰的形式连接，所述浮摆铰接在旋转轮上，浮球为耐候性好、便于维护的固体浮力材料，浮摆及旋转轮为高强度轻质复合材料。
3.根据权利要求1所述的基于摩擦发电原理的波浪发电装置，其特征在于，所述的滑动管套和横杆由耐腐蚀、轻质复合材料制成。
4.根据权利要求1所述的基于摩擦发电原理的波浪发电装置，其特征在于，所述的发电轮盘为强度高、耐磨、防腐的轻质复合材料制成。
5.根据权利要求1所述的基于摩擦发电原理的波浪发电装置，其特征在于，所述的固接在发电轮盘内表面的插片盘与固接在旋转轴外表面的插片盘均沿圆周方向均匀布置。
6.如权利要求1所述的基于摩擦发电原理的波浪发电装置，其特征在于，所述的插片盘为内中空结构。
7.如权利要求1所述的基于摩擦发电原理的波浪发电装置，其特征在于：所述正摩擦发电片包括五层，由上到下的顺序分别为正极介电材料层-电极层-中间的基板层-电极层-正极介电材料层，所述负摩擦发电片包括五层，由上到下的顺序分别为负极介电材料层-电极层-中间的基板层-电极层-负极介电材料层，所述各层材料间彼此全覆盖，所述的正摩擦发电片和负摩擦发电片形状大小一致，在空间上呈现正对齐。
8.根据权利要求1所述的基于摩擦发电原理的波浪发电装置，其特征在于，所述正极介电材料层通过导线串联，串联后的导线通过旋转轴中间的空腔中汇聚并导出，作为正电极线，所述负极介电材料层通过导线串联，串联后的导线沿着发电轮盘的盘壁内汇聚并导出，作为负电极线，正负电极线分别连接到电源控制箱。
9.根据权利要求1所述的基于摩擦发电原理的波浪发电装置，其特征在于，所述电源控制箱包括电源检测装置、稳压整流装置、电能存储设备以及变压输出装置，摩擦发电机构通过导出的正负电极线与电源检测装置连接，之后通过稳压整流装置与变压输出装置将可用的电能传输至用电设备，多余的电能则通过稳压整流装置传输至电能存储设备进行存储。
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