CN111322191B - 海洋能开发平台 - Google Patents

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Abstract

一种海洋能开发平台，包括：一密封式结构，其提供一具有静电屏蔽作用的容置腔室；以及N个能量收集单元，集成于该容置腔室中。优选的，N个所述能量收集单元中的部分或全部能量收集单元中，每个能量收集单元包括：双线摆结构；以及发电机结构。发电机结构设置于该双线摆结构的一侧或两侧，用于将双线摆结构摆动状态下的机械能转化为电能。有效地解决了传统的能量收集单元直接和海水接触导致的海水腐蚀、海水静电感应削弱能量收集效率和电学输出性能、维修困难等问题，并有效实现了较低的阻尼系数、高频率的输出以及超高的体积功率密度输出，该平台上的发电机输出性能比传统摩擦纳米发电机收集海洋能装置提高了1‑2个数量级，具有较高的实用价值。

Description

海洋能开发平台
技术领域
本公开属于海洋资源开发和摩擦纳米发电机技术领域，涉及一种海洋能开发平台。
背景技术
当前，随着化石能源的储量不断减少和化石能源使用所带来的环境污染问题亟待解决。转向诸如太阳能、海洋能、潮汐能、地热能以及风能等清洁能源进行能量获取的研究越来越迫切。
海洋覆盖了地球表面约四分之三的面积，其蕴藏着巨大的“蓝色能源”，例如，盐差能和海浪能等，为人类探索无污染且可再生的能源提供了无限可能。但是目前由于技术原因，蓝色能源的开发很大程度上仅限于潮汐能的开发，而作为蓝色能源至关重要的组成-海浪能，很难被利用起来。
传统电磁发电装置具有笨重、造价昂贵以及低频能量收集效率差的特点，这限制了其在收集海浪能方面的应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种海洋能开发平台及能量收集装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种海洋能开发平台，该平台包括：一密封式结构，其提供一具有静电屏蔽作用的容置腔室；以及N个能量收集单元，N为正整数，集成于所述容置腔室中，用于收集海浪能。
在本公开的一些实施例中，N个所述能量收集单元中的部分或全部能量收集单元中，每个能量收集单元包括：双线摆结构；以及发电机结构，设置于该双线摆结构的一侧或两侧，用于将双线摆结构摆动状态下的机械能转化为电能。
在本公开的一些实施例中，每个能量收集单元还包括：隔板，设置于该发电机结构的外侧，用于间隔不同的能量收集单元并对发电机结构进行限位。
在本公开的一些实施例中，每个能量收集单元还包括：缓冲层，设置于所述隔板与发电机结构之间。
在本公开的一些实施例中，
可选的，所述缓冲层的材料为泡沫或海绵；和/或，
所述缓冲层厚度的范围在0.1mm-5mm之间。
在本公开的一些实施例中，所述发电机结构包括如下结构的一种或几种：摩擦纳米发电机、压电式发电机或者电磁式发电机。
在本公开的一些实施例中，所述摩擦纳米发电机为一叠层摩擦纳米发电机模块，包含：基底，为弯折的多层结构；电极层，设置于多层结构的表面上；以及介电层，设置于多层结构中与电极层相对的表面上。
在本公开的一些实施例中，所述海洋能开发平台随着外界海浪进行摆动的过程中，每个所述能量收集单元中，所述双线摆结构处于往复摆动状态，与一侧或两侧的叠层摩擦纳米发电机模块发生接触-分离过程，对应使得每个叠层摩擦纳米发电机模块中该基底的相对两个面上的电极层和介电层发生接触和分离，实现能量收集。
在本公开的一些实施例中，所述双线摆结构包含：楔形摆锥，用于协助发电机进行海洋能收集；带圆形孔的正方体结构的连接块，其用于楔形摆锥和悬线的连接；以及悬线，其穿过连接块的圆孔与之连接后，两端对称固定于摆动平面两侧的密封式结构的上方。
在本公开的一些实施例中，所述楔形摆锥的倾斜角度保证在摆动过程中能与发电机结构进行接触，该倾斜角度等于双线摆结构摆动状态最大幅度与平衡位置之间的夹角；
可选的，所述楔形摆锥的倾斜角度大于零且小于90°；
进一步优选，该倾斜角度介于5°～45°之间；
进一步优选，该倾斜角度介于10～30°之间；
进一步优选，该倾斜角度为11°。
在本公开的一些实施例中，所述悬线的直径介于0.5mm-2mm之间；和/或，所述悬线的材料为如下材料的一种或几种：尼龙线、纤维线、碳素线、钢丝线或者聚乙烯编织线。
在本公开的一些实施例中，所述介电层的厚度介于5μm-200μm之间；和/或，所述基底的厚度介于5μm-200μm之间；和/或，所述介电层的材料包括如下材料的一种或几种：FEP(全氟乙烯丙烯共聚物)、PTFE(聚四氟乙烯)及PVC(聚氯乙烯)；和/或，所述基底的材料包括如下材料的一种或几种：kapton薄膜(聚酰亚胺薄膜)、PE薄膜(聚乙烯薄膜)及PA薄膜(聚酰胺薄膜)。
在本公开的一些实施例中，所述密封式结构为船体，该船体的排水量为0.001吨-10万吨；和/或，所述能量收集单元的个数N为1-108。
在本公开的一些实施例中，能量收集单元，还包括：能量管理模块，与N个所述能量收集单元连接，用于实现交流电到直流电的一次性转换；以及能量存储模块，用于实现能量存储。
在本公开的一些实施例中，海洋能开发平台，还包括：太阳能收集模块，集成于该密封式结构的表面或内部或部分太阳能收集模块集成在该密封式结构表面部分集成在内部；和/或，风能收集模块，集成于该密封式结构的表面。
在本公开的一些实施例中，海洋能开发平台，还包括：导航模块，用于在海面作业的导航；和/或，传感及监测模块，用于海洋和气象传感与监测。
在本公开的一些实施例中，海洋能开发平台，还包括：通信模块，用于多个海洋能开发平台之间或者海洋能开发平台与卫星或陆地之间的通信。
在本公开的一些实施例中，多个所述海洋能开发平台之间组网通过海底电缆实现为陆地供电。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的海洋能开发平台，具有以下有益效果：
1、通过提供一密封式结构，其具有静电屏蔽和密封的特性，能够为内部集成的多个能量收集单元提供优越的环境，基于能量收集单元实现高效的海浪能收集，有效地解决了传统的能量收集单元(例如摩擦纳米发电机)直接和海水接触导致的海水腐蚀、海水静电感应削弱能量收集效率和电学输出性能、维修困难等问题；
2、在上述方案基础上，N个能量收集单元中的部分或全部能量收集单元中，每个能量收集单元基于双线摆结构的摆动过程激发其一侧或两侧的发电机结构将双线摆结构摆动状态下的机械能转化为电能，通过设置双线摆结构和单侧或双侧的发电机结构进行耦合实现能量转换的结构，有效实现了较低的阻尼系数、高频率的输出以及超高的体积功率密度输出，进一步实现了较高的能量收集效率；
3、基于上述密封式结构，例如为船体，可以利用密封式结构(船体)内部庞大的空间搭载能量管理和存储模块作为能量收集单元的一部分，实现电能的转换和存储。此外，该平台还可以集成其他的功能模块，一方面可以和太阳能、风能等能量收集形式进行结合；另一方面，可以整合导航模块、传感及监测模块以及通信模块等多种功能模块，实现自驱动海洋资源开发、海洋监测、海洋气象观测以及航海安全导航等综合性海洋资源开发过程，为该海洋能开发平台的多功能化奠定了坚实的基础；
4、进一步的，多个所述海洋能开发平台之间组网(例如多艘包含双线摆结构耦合叠层摩擦纳米发电机模块的能量收集单元的船体)通过海底电缆实现为陆地供电，实现海洋能的有效利用，解缓能源危机。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的海洋能开发平台的立体结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的叠层摩擦纳米发电机模块和双线摆结构形成的能量收集单元的结构示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的双线摆结构两侧耦合有叠层摩擦纳米发电机模块的能量收集单元的模型示意图。
图4为如图1所示的海洋能开发平台实现海浪能收集的原理示意图。
图5为根据本公开一实施例所示的双线摆结构的几何学参数设计示意图，其中，(a)为平衡位置，(b)为摆动最大幅度对应位置。
图6为根据本公开一实施例所示的双线摆结构放大运动频率的原理图。
图7为根据本公开一实施例所示的双线摆结构两侧耦合有叠层摩擦纳米发电机模块的能量收集单元在跷跷板测试中不同摆动加速度下的(a)输出电量，(b)短路电流及(c)开路电压的曲线。
图8为根据本公开一实施例所示的双线摆结构两侧耦合有叠层摩擦纳米发电机模块的能量收集单元在跷跷板测试中不同旋转角度下的(a)输出电量，(b)短路电流及(c)开路电压的曲线。
图9为根据本公开一实施例所示的双线摆结构两侧耦合有叠层摩擦纳米发电机模块的能量收集单元在跷跷板测试中不同旋转角度下的功率密度与外界电阻之间的输出性能曲线。
【符号说明】
1-密封式结构；
2-能量收集单元；
21-双线摆结构；
211-悬线； 212-楔形摆锥；
213-带圆形孔的正方体结构的连接块；
23-发电机结构/叠层摩擦纳米发电机模块；
231-第一叠层摩擦纳米发电机模块；
2311-第一基底； 2312-第一介电层；
2313-第一电极层；
232-第二叠层摩擦纳米发电机模块；
2321-第二基底； 2322-第二介电层；
2323-第二电极层；
25-隔板； 27-缓冲层/泡沫层。
具体实施方式
基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机具有轻便、高效的特点，在海浪能收集方面显示出独特的优势。现有的摩擦纳米发电机的封装、集成以及维修等方法在规模化的海洋能收集中存在一些问题：(1)海洋腐蚀和台风等因素使得摩擦纳米发电机在海洋中长期稳定的进行海浪能的收集面临巨大挑战；(2)高离子浓度的海水通过静电感应原理严重削弱了摩擦纳米发电机的输出性能；(3)传统的摩擦纳米发电机没有足够的空间用于构建自驱动***进而实现摩擦纳米发电机功能的多样化。
体积功率密度是评价海洋能收集装置非常重要的参数。2017年，功率密度的概念首次在弹簧协助收集海洋能的装置中被提出，之后功率密度逐渐从1.84W·m-3提高到55.6W·m-3。摩擦纳米发电机的开路电压和短路电流与表面电荷密度均具有一次方的关系，所以摩擦纳米发电机的输出功率与表面电荷密度成二次方关系。因此对于体积固定的摩擦纳米发电机来说，体积摩擦电荷密度是一个评价装置输出性能的最佳参数。体积摩擦电荷密度主要由摩擦纳米发电机的摩擦层之间的有效接触面积、介电层的表面电荷密度以及装置的体积大小来决定。软接触的硅胶球结构可以提高摩擦纳米发电机摩擦层的有效接触面积，达到了55.6W·m-3。除此之外，相关研究表明海浪的周期一般低于一赫兹，而摩擦纳米发电机的输出性能随着频率增加而急剧增加，弹簧结构和摩擦纳米发电机结合起来可以实现摩擦纳米发电机的高频输出进而提高海洋能的收集效率。虽然上述方式在一定程度上可以增加摩擦纳米发电机的输出性能，但是摩擦纳米发电机的输出功率仍有待于进一步提高以推动其在蓝色能源中的大规模应用。
针对海洋环境和摩擦纳米发电机的输出特性，本公开构建一种海洋能开发平台，使用类似船体的封闭且具有静电屏蔽的密封式结构提供容置腔室，在一优选实施例中，该密封式结构与叠层摩擦纳米发电机模块和双线摆结构形成的能量收集单元进行集成，用以收集海浪能，耦合双线摆结构的叠层摩擦纳米发电机模块，不仅实现了高效收集多个方向上的海浪能量，而且实现了较低的阻尼系数、高频率的输出以及超高的体积功率密度输出，同时有效的解决了传统摩擦纳米发电机直接和海水接触的海水腐蚀、海水静电感应削弱发电机输出性能、维修困难和集成问题，与此同时，船在海上较强的机动性能为该海洋收集平台长久稳定运行奠定了实用化的基础，可通过及时回港躲避恶劣的海况。此外，该海洋能开发平台不仅能够集成上述摩擦纳米发电机模块和双线摆结构形成的能量收集单元，还可以集成其他发电形式的能量收集单元，也为摩擦纳米发电机集成其他技术模块实现海洋能收集的多功能奠定了坚实的基础。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开中，数值参数范围均包括端点值。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种海洋能开发平台。图2为根据本公开一实施例所示的叠层摩擦纳米发电机模块和双线摆结构形成的能量收集单元的结构示意图。图3为根据本公开一实施例所示的双线摆结构两侧耦合有叠层摩擦纳米发电机模块的能量收集单元的模型示意图。
图1为根据本公开一实施例所示的海洋能开发平台的立体结构示意图。
参照图1所示，本公开的海洋能开发平台，包括：一密封式结构1，其提供一具有静电屏蔽作用的容置腔室；以及N个能量收集单元2，N为正整数，集成于该容置腔室中，用于收集海浪能。
在本公开的一些实施例中，如图1-图3所示，为了简便，图中以全部的能量收集单元进行示例，并且所有的能量收集单元结构相同，在其它实施例中，可以只有部分能量收集单元为双线摆结构和发电机结构集成的形式，其它能量收集单元的结构和形式不局限于本实施例，还可以是其他能够实现海浪能收集的结构和形式。N个能量收集单元中的部分或全部能量收集单元中，每个能量收集单元2包括：双线摆结构21；以及发电机结构23，设置于该双线摆结构21的一侧或两侧，用于将双线摆结构21摆动状态下的机械能转化为电能。
在本公开的一些实施例中，参照图2所示，每个能量收集单元2还包括：隔板25，设置于该发电机结构23的外侧，用于间隔不同的能量收集单元2并对发电机结构23进行限位。
需要说明的是，多个相邻的能量收集单元2之间的隔板25可以是共用的隔板。
在本公开的一些实施例中，优选的，每个能量收集单元2还包括：缓冲层27，设置于隔板25与发电机结构23之间。
在本公开的一些实施例中，如图2所示，缓冲层27为泡沫层27；和/或，缓冲层的厚度介于0.1mm-5mm之间，优选0.5mm，作为软接触材料，实现双线摆结构21在摆动过程中与发电机结构23的软接触/缓冲。
本公开的能量收集单元通过双线摆结构驱动发电机结构发电，具有阻尼系数小、低重心结构、放大运动频率和多方向的自由度等特点。不但可以很好的适应海洋环境和海浪的特性，而且可以大幅度提高发电机的输出性能。
下面详细介绍本实施例中的双线摆结构21和发电机结构23。
图5为根据本公开一实施例所示的双线摆结构的几何学参数设计示意图，其中，(a)为平衡位置，(b)为摆动最大幅度对应位置。
在本公开的一些实施例中，如图5中(a)和(b)所示，双线摆结构21包含：楔形摆锥212；带圆形孔的正方体结构的连接块213；悬线211，其对称固定于摆动平面两侧的密封式结构1的上方。其中带圆形孔的正方体结构的连接块213是起到连接楔形摆锥212和悬线211的作用，带圆形孔的正方体结构的含义表示：带有圆形孔结构的正方体、带有圆形孔结构的长方体、带有椭圆形孔的正方体、或者带有椭圆形孔的长方体等类似结构，当然，带圆形孔的正方体结构在具体实施中，孔的大小和形状根据实际需要进行设置，外部立体结构(正方体结构)也可以进行适应性调整。
其中，楔形摆锥212的倾斜角度θ保证在摆动过程中能与发电机结构23进行接触；参照图5中(a)所示，这里的倾斜角度θ的含义是：楔形倾斜面相对于平衡位置的夹角。
在本公开的一些实施例中，所述悬线的直径介于0.5mm-2mm之间；和/或，所述悬线的材料为但不限于如下材料的一种或几种：尼龙线、纤维线、碳素线、钢丝线或者聚乙烯编织线等。当然，悬线的材质和直径不局限于实施例所示，其他直径参数和材料的摆线只要能实现牵引和连接关系，均在本公开的保护范围之内。
在本公开的一些实施例中，所述介电层的厚度介于5μm-200μm之间，优选30μm；和/或，所述基底的厚度介于5μm-200μm之间，优选10μm，和/或，所述介电层的材料包括但不限于如下材料的一种或几种：FEP(全氟乙烯丙烯共聚物)、PTFE(聚四氟乙烯)及PVC(聚氯乙烯)等；和/或，所述基底的材料包括但不限于如下材料的一种或几种：kapton薄膜(聚酰亚胺薄膜)、PE薄膜(聚乙烯薄膜)及PA薄膜(聚酰胺薄膜)等。
在本公开的一些实施例中，所述密封式结构为船体，该船体的排水量为0.001吨-10万吨，优选5000吨；和/或，所述能量收集单元的个数N为1-108，例如5、100、1000或106个，能量收集单元的个数和量级可根据密封式结构的规模和能量收集单元的尺寸进行优化选择。
本公开针对双线摆的几何学参数进行了优化设计，该楔形摆锥212的截面为一上底长下底短的梯形，相对较短的底边的长度为a，相对较长的底边的长度为c，该梯形的高度为b，较长的底边距离摆动上顶面的垂直距离为d，b与d之和在最大摆幅状态时在水平面上投影的距离为e，a/2在双线摆处于最大摆幅时在水平面上投影的距离为f，处于完全接触状态下的叠层摩擦纳米发电机的厚度为g，楔形摆锥驱动的叠层摩擦纳米发电机实现良好的接触的条件下，摆锥处于平衡状态下的重心到挡板的距离为L。因此这些参数之间具有如下的数学关系：
Figure BDA0002068333690000091
右侧的发电机结构叠层摩擦纳米发电机简化为一个方框进行示意，使得该倾斜角度等于双线摆结构21摆动状态最大幅度与平衡位置之间的夹角，以确保楔形摆锥212在摆动过程中，与发电机结构(231、232)之间完美的面接触，如图5中(b)所示，双线摆结构21摆动状态最大幅度与平衡位置之间的夹角也等于θ，与楔形摆锥212的倾斜角度相等。
可选的，所述楔形摆锥的倾斜角度大于零且小于90°；
进一步优选，该倾斜角度介于5°～45°之间；
进一步优选，该倾斜角度介于10～30°之间；
进一步优选，该倾斜角度为11°。
在本公开的一些实施例中，发电机结构23包括如下结构的一种或几种：摩擦纳米发电机、压电式发电机或者电磁式发电机。
本实施例中，优选的，如图2和图3所示，摩擦纳米发电机23为一叠层摩擦纳米发电机模块23，在双线摆结构21的左右两侧均设置有叠层摩擦纳米发电机模块23，分别为第一叠层摩擦纳米发电机模块231和第二叠层摩擦纳米发电机模块232，在其它实施例中，可以只在双线摆结构21的单侧设置发电机结构23。本实施例中，第一叠层摩擦纳米发电机模块231和第二叠层摩擦纳米发电机232均包含：基底，为弯折的多层结构；电极层，设置于多层结构的表面上；以及介电层，设置于多层结构中与电极层相对的表面上。
具体而言，本实施例中，如图2所示，第一叠层摩擦纳米发电机模块231包含：第一基底2311，为弯折的多层结构；第一电极层2313，设置于多层结构的表面上；第一介电层2312，设置于多层结构中与第一电极层2313相对的表面上；第二叠层摩擦纳米发电机模块232包含：第二基底2321，为弯折的多层结构；第二电极层2323，设置于多层结构的表面上；第二介电层2322，设置于多层结构中与第二电极层2323相对的表面上。在第一叠层摩擦纳米发电机模块231和第二叠层摩擦纳米发电机模块232中，对应的电极层和介电层位于弯折结构中相对的两个表面上，电极层和介电层所在的表面所处的位置可以仅在“M型”中的内侧或者外侧，或者同时处于内侧和外侧，内侧和外侧如图2中所示意。当然，这里的内侧和外侧是相对定义的，这里为了清楚说明定义其中一侧为内侧，同一平面基板中的另一侧即为外侧。由于弯折结构中存在多个相对的表面，因此可以设置多个电极层和摩擦层以增大接触分离对应的电荷量。另外，图中的弯折形式以“M”型进行示例，弯折的次数不局限于图中示例，可以是多个弯折，形成多个折线，还可以是其他的弯折型，例如弹簧型或者其他形式的弯折形状。
图4为如图1所示的海洋能开发平台实现海浪能收集的原理示意图。下面结合图4来介绍本公开的海洋能开发平台实现海浪能收集的原理。图6为根据本公开一实施例所示的双线摆结构放大运动频率的原理图。
首先，海洋能开发平台(以船体示意密封式结构1)漂浮在一个波谷中，参照图4中i所示，楔形摆锥处于竖直的平衡位置，此时两侧的叠层摩擦纳米发电机模块中相对的电极和介电层分离。当一个海浪到达左侧船头时，如图4中ii所示，船头将随着海浪升起，船体中的楔形摆锥将向右下方坠落，同时右侧的叠层摩擦纳米发电机模块中相对的电极与介电层接触而左侧的叠层摩擦纳米发电机中相对的电极与介电层充分分离，进而产生对应的两个电流。然后，当海浪到达船体中部，如图4中iii所示，整个船体随着海浪抬高，楔形摆锥恢复到平衡状态，与此期间右侧的叠层摩擦纳米发电机模块中相对的电极与介电层分离而左侧的叠层摩擦纳米发电机模块中相对的电极与介电层相互靠近，并产生相应的两个电流。然后，当海浪到达船体右侧，如图4中iv所示，楔形摆锥将向左下方坠落，在此过程中左侧的叠层摩擦纳米发电机模块中相对的电极与介电层充分接触而右侧的叠层摩擦纳米发电机模块中相对的电极与介电层充分分离，在相应运动过程中摩擦纳米发电机模块产生了两个对应的电流。最后，当海浪远离船体右侧，楔形摆锥和叠层摩擦纳米发电机恢复到初始状态，初始状态参照图4中i所示，因此产生两个相互对应的电流。参照图6中双线摆结构中楔形摆锥的摆动运动可知，在一个周期的摆动运动之后，此时楔形摆锥仍然具有一定的动能，随后继续驱动两个叠层摩擦纳米发电机模块进行发电工作，那么由于在低频下(例如为一个海浪)对应会使得楔形摆锥往复运动多次，实现放大运动频率；此外，不论来自沿海浪方向且垂直于海平面的平面内哪个方向的扰动(海浪方向)均会导致楔形摆锥的往复运动，不局限于一维，具有多方向的自由度。因此这种结构设计实现了摩擦纳米发电机的高频输出和多方向的海浪能的收集。
由上可知，海洋能开发平台随着外界海浪进行摆动的过程中，每个能量收集单元2中，双线摆结构21处于往复摆动状态，与一侧或两侧的叠层摩擦纳米发电机模块23发生接触-分离过程，对应使得每个叠层摩擦纳米发电机模块23中该基底的相对两个面上的电极层和介电层发生接触和分离，实现海浪能收集。
在一实例中，对于本实施例的能量收集单元进行了性能测试。
图7为根据本公开一实施例所示的双线摆结构两侧耦合有叠层摩擦纳米发电机模块的能量收集单元在跷跷板测试中不同摆动加速度下的(a)输出电量，(b)短路电流及(c)开路电压的曲线。
如图7中(a)-(c)所示，跷跷板在不同的摆动加速度2m/s2、4m/s2和6m/s2下，随着摆动加速度的提高，输出电量、短路电流和开路电压均呈现增大的趋势。
图8为根据本公开一实施例所示的双线摆结构两侧耦合有叠层摩擦纳米发电机模块的能量收集单元在跷跷板测试中不同旋转角度下的(a)输出电量，(b)短路电流及(c)开路电压的曲线。
如图8中(a)-(c)所示，跷跷板在不同的旋转角度5°、10°和20°下，随着旋转角度的增加，输出电量、短路电流和开路电压均呈现增大的趋势。
结合图7与图8可知，对应的能量收集单元可以响应不同维度的扰动，对应有多自由度能量收集的优点。
图9为根据本公开一实施例所示的双线摆结构两侧耦合有叠层摩擦纳米发电机模块的能量收集单元在跷跷板测试中不同旋转角度下的功率密度与外界电阻之间的输出性能曲线。
如图9所示，该能量收集单元实现了200W·m-3的最高功率密度，计算得到体积电荷密度为17.7mC·m-3，这比传统摩擦纳米发电机收集海洋能装置提高了1-2个数量级。简单估计，如果使用一艘有效装载体积为5000m3的船搭建平台，将获得最高1MW(兆瓦)的电能输出。这为摩擦纳米发电机技术在蓝色能源收集方面的实用化迈出了关键性的一步。
基于本公开的密封式结构，例如为船体，可以利用该密封式结构(船体)内部庞大的空间搭载能量管理和存储模块作为能量收集单元的一部分，实现电能的转换和存储。此外，该平台还可以集成其他的功能模块，一方面可以和太阳能、风能等能量收集形式进行结合；另一方面，可以整合导航模块、传感及监测模块以及通信模块等多种功能模块，实现自驱动海洋资源开发、海洋监测、海洋气象观测以及航海安全导航等综合性海洋资源开发过程，为该海洋能开发平台的多功能化奠定了坚实的基础；
多个所述海洋能开发平台之间组网(例如多艘包含双线摆结构耦合叠层摩擦纳米发电机模块的能量收集单元的船体)通过海底电缆实现为陆地供电，实现海洋能的有效利用，解缓能源危机。
例如，在本公开的一些实施例中，能量收集单元，还包括：能量管理模块，与N个所述能量收集单元2连接，用于实现交流电的到直流电的一次性转换；以及能量存储模块，用于实现能量存储。
在本公开的一些实施例中，海洋能开发平台，还包括：太阳能收集模块，集成于该密封式结构的表面或内部或部分太阳能收集模块集成在该密封式结构表面部分集成在内部；和/或，风能收集模块，集成于该密封式结构的表面。
在本公开的一些实施例中，海洋能开发平台，还包括：导航模块，用于在海面作业的导航；和/或，传感及监测模块，用于海洋和气象传感与监测。
在本公开的一些实施例中，海洋能开发平台，还包括：通信模块，用于多个海洋能开发平台之间或者海洋能开发平台与卫星或陆地之间的通信。
在本公开的一些实施例中，多个所述海洋能开发平台之间组网通过海底电缆实现为陆地供电。
综上所述，本公开提供了一种海洋能开发平台，通过提供一密封式结构，其具有静电屏蔽和密封的特性，能够为内部集成的多个能量收集单元提供优越的环境，基于能量收集单元实现高效的海浪能收集，有效地解决了传统的能量收集单元(例如摩擦纳米发电机)直接和海水接触导致的海水腐蚀、海水静电感应削弱能量收集效率和电学输出性能、维修困难等问题；在上述方案基础上，N个能量收集单元中的部分或全部能量收集单元中，每个能量收集单元基于双线摆结构的摆动过程激发其一侧或两侧的发电机结构将双线摆结构摆动状态下的机械能转化为电能，通过设置双线摆结构和单侧或双侧的发电机结构进行耦合实现能量转换的结构，有效实现了较低的阻尼系数、高频率的输出以及超高的体积功率密度输出，进一步实现了较高的能量收集效率，比传统摩擦纳米发电机收集海洋能装置提高了1-2个数量级，具有较高的实用价值。
需要说明的是，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示厚度、尺寸等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种海洋能开发平台，其特征在于，包括：
一密封式结构，其提供一具有静电屏蔽作用的容置腔室；以及
N个能量收集单元，N为正整数，集成于所述容置腔室中；
其中，所述密封式结构包括船体；
N个所述能量收集单元中的部分或全部能量收集单元中，每个能量收集单元包括：
双线摆结构；以及
发电机结构，设置于该双线摆结构的一侧或两侧，用于将双线摆结构摆动状态下的机械能转化为电能；
其中，所述发电机结构包括摩擦纳米发电机；
所述摩擦纳米发电机为一叠层摩擦纳米发电机模块，包含：基底，为弯折的多层结构；电极层，设置于多层结构的表面上；以及介电层，设置于多层机构中与电极层相对的表面上，所述海洋能开发平台随着外界海浪进行摆动的过程中，每个所述能量收集单元中，所述双线摆结构处于往复摆动状态，与一侧或两侧的叠层摩擦纳米发电机模块发生接触-分离过程，对应使得每个叠层摩擦纳米发电机模块中该基底的相对两个面上的电极层和介电层发生接触和分离，实现能量收集；
所述双线摆结构包含：楔形摆锥，用于协助发电机进行海洋能收集；带圆形孔的正方体结构的连接块，其用于楔形摆锥和悬线的连接；以及悬线，其穿过连接块的圆形孔与之连接后，两端对称固定于摆动平面两侧的密封式结构的上方；
所述楔形摆锥的倾斜角度保证在摆动过程中能与发电机结构进行接触。
2.根据权利要求1所述的海洋能开发平台，其特征在于，N个所述能量收集单元中的部分或全部能量收集单元中，每个能量收集单元还包括：
隔板，设置于该发电机结构的外侧，用于间隔不同的能量收集单元并对发电机结构进行限位。
3.根据权利要求2所述的海洋能开发平台，其特征在于，N个所述能量收集单元中的部分或全部能量收集单元中，每个能量收集单元还包括：
缓冲层，设置于所述隔板与发电机结构之间。
4.根据权利要求3所述的海洋能开发平台，其特征在于，
所述缓冲层的材料为泡沫或海绵；和/或，
所述缓冲层厚度的范围在0.1mm-5mm之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的海洋能开发平台，其特征在于，圆形孔直径介于0.5mm-5mm之间。
6.根据权利要求5所述的海洋能开发平台，其特征在于，该倾斜角度等于双线摆结构摆动状态最大幅度与平衡位置之间的夹角。
7.根据权利要求6所述的海洋能开发平台，其特征在于，所述楔形摆锥的倾斜角度大于零且小于90°。
8.根据权利要求7所述的海洋能开发平台，其特征在于，所述楔形摆锥的倾斜角度介于5°~45°之间。
9.根据权利要求7所述的海洋能开发平台，其特征在于，所述楔形摆锥的倾斜角度介于10~30°之间。
10.根据权利要求9所述的海洋能开发平台，其特征在于，所述楔形摆锥的倾斜角度为11°。
11.根据权利要求7所述的海洋能开发平台，其特征在于，
所述悬线的直径介于0.5mm-2mm之间；和/或，
所述悬线的材料为如下材料的一种或几种：尼龙线、纤维线、碳素线、钢丝线或者聚乙烯编织线。
12.根据权利要求1所述的海洋能开发平台，其特征在于，所述能量收集单元还包括：
能量管理模块，与N个所述能量收集单元连接，用于实现交流电到直流电的一次性转换；以及
能量存储模块，用于实现能量存储。
13.根据权利要求1所述的海洋能开发平台，其特征在于，还包括：
太阳能收集模块，集成于该密封式结构的表面或内部或部分太阳能收集模块集成在该密封式结构表面部分集成在内部；和/或，
风能收集模块，集成于该密封式结构的表面。
14.根据权利要求1所述的海洋能开发平台，其特征在于，还包括：
导航模块，用于在海面作业的导航；和/或，
传感及监测模块，用于海洋和气象传感与监测；和/或，
通信模块，用于多个海洋能开发平台之间或者海洋能开发平台与卫星或陆地之间的通信。
15.根据权利要求1所述的海洋能开发平台，其特征在于，多个所述海洋能开发平台之间组网通过海底电缆实现为陆地供电。
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