CN114900007A - 一种环形复合发电单元及其制备方法与波浪能发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源发电领域，特别是涉及一种环形复合发电单元及其制备方法与波浪发电设备。该复合发电单元包括壳体、线圈、摩擦电极、摩擦球，以及活动磁体。其中，壳体内包含环形的密封管腔。线圈沿管腔的延伸方向间隔布设。摩擦电极粘贴在管腔的内壁上。摩擦球均位于管腔内，摩擦球包括球芯和护套层，护套层采用与摩擦电极极性相反或电子捕获能力具有差异的摩擦发电材料制备而成。活动磁体包括永磁体和活动支架。活动支架抵接在管腔的内壁上；永磁体固定连接在活动支架上。该复合发电单元可以同时利用电磁感应发电和摩擦运动发电。本发明解决了现有纳米摩擦发电设备能量转化率不高，发电功率低，使用寿命较短、应用场景有限等问题。

Description

一种环形复合发电单元及其制备方法与波浪能发电设备

技术领域

本发明涉及新能源发电领域，特别是涉及一种环形复合发电单元及其制备方法与波浪发电设备。

背景技术

摩擦纳米发电是基于摩擦起电和静电感应相耦合的发电技术，摩擦纳米发电技术能够将收集到的各种形式的机械能转化为电能；尤其适合收集能量密度较低运动形式的机械能。因此非常适合于收集如海洋能、风能、潮汐能等低频、无序的机械能。现有的收集波浪能的摩擦纳米发电设备具有发电电压高、质量轻、安装灵活等优点。

但是现有的纳米摩擦发电设备大多存在能量转化率不高，设备单位体积的发电功率低，难以进行推广应用的问题。例如，现有的摩擦纳米发电设备在均匀晃动条件下对风能和波浪具有的势能的转化效率较高，但是当风力或波浪的运动方向多变，活动强度不均衡之后，纳米摩擦发电设备的能量转化效率便会显著降低。

此外，现有利用波浪、潮汐、洋流发电的摩擦纳米装置主要采用“壳-球结构”。这种结构包括一个含有内腔的壳体以及位于内腔中的摩擦球，利用摩擦球和壳体内壁电极之间的摩擦作用发电。这种波浪发电装置的生产过程中，壳体主要采用可拆卸的分体式结构，进而便于安装壳体内部的组件。但是，分体式结构的产品在水中的使用寿命普遍较短。这是因为在长时间使用过程中，壳体上的密封件容易发生老化、变形；密封件变形后壳体无法实现密封；此时，壳体内腔进水后会导致发电装置失去发电能力。

发明内容

基于此，为了解决现有摩擦纳米发电设备的能量转化率不高，设备单位体积发电功率低，设备使用寿命较短、应用场景有限等问题；本发明提供一种环形复合发电单元及其制备方法与波浪能发电设备。

本发明提供的技术方案如下：

一种环形复合发电单元，该复合发电单元包括壳体、线圈、摩擦电极、摩擦球，以及活动磁体。

其中，壳体内包含一根管径均匀的环形的密封管腔。线圈呈圆柱弹簧状；线圈的数量为一个或多个，并沿壳体中管腔的延伸方向间隔布设。每个线圈的两端分别连接有第一端电极和第二端电极。

摩擦电极粘贴在壳体中管腔的内壁上。摩擦电极的形状与壳体内的管腔的形状相匹配，并由多个沿管腔延伸方向依次排列的电极单元构成，每个电极单元靠近但不接触。其中，摩擦电极中位于奇数位的各个电极单元相互电连接进而构成第一壁电极；位于偶数位的各个电极单元相互电连接进而构成第二壁电极。

摩擦球的数量为多个；每个摩擦球均位于壳体的管腔内，摩擦球的直径小于所述管腔的纵向截面。以使得摩擦球可以在管腔内自由滑动或滚动。摩擦球包括球芯和护套层，护套层采用与摩擦电极极性相反或电子捕获能力具有差异的摩擦发电材料制备而成。

因此，当摩擦球在壳体内部的管腔中穿梭时，摩擦球与摩擦电极相互摩擦进而发生电荷转移，并在第一壁电极和第二壁电极间产生交变电流。

环形复合发电单元中的活动磁体的数量为一个或多个。每个活动磁体包括永磁体和活动支架。活动支架上含有多根向外呈辐射状分布的支脚，每根支脚端部设有万向滚珠或万向滚轮。活动支架的支脚抵接在壳体中管腔的内壁上；永磁体固定连接在活动支架上。

当活动磁体在管腔内穿梭时，会造成各个线圈上的磁通量发生变化，进而在第一端电极和第二端电极间产生交变电流。

为了减小摩擦球和活动磁体之间运动的影响，需要合理的设置摩擦球直径的大小，在尽量满足发电性能的基础上，可将摩擦球的直径大小设置成小于永磁体与活动支架之间间隙的大小，为了能够在相互运动时，摩擦球可直接通过间隙穿过活动磁体，运动到另一面，从而使摩擦球尽可能多的产生有效的发电；也可将万向滚珠与活动支架的支撑柱设置的长一点，确保之间的距离大于摩擦球的直径，这样，摩擦球可尽量不受活动支架的影响而增加发电效率。

作为本发明进一步的改进，壳体采用可拆卸的分体式结构，壳体中的各个结构组件通过螺纹、卡扣或其它任意一种连接件固定连接；壳体的各个结构组件的接口处设置密封材料，进而使得壳体组装完成后内部的管腔保持密闭状态。

作为本发明进一步的改进，壳体作为线圈的安装载体。线圈和壳体之间可采用多种装配方式，具体包括：线圈缠绕在壳体外部；或线圈贴合在壳体中管腔的内壁上；或线圈嵌入到壳体中，并环绕管腔布设。

作为本发明进一步的改进，当线圈贴合在壳体中管腔的内壁上或缠绕在壳体外部时，线圈外层还设置有隔离层，以使线圈位于隔离层和壳体之间。壳体和隔离层采用具有绝缘特性的材料制备而成。

作为本发明进一步的改进，摩擦电极采用具备电正性的摩擦发电材料制备而成，制备摩擦电极的材料包括金属、合金、氧化铟锡或导电有机物高分子材料。摩擦球的球芯采用石质、塑料或者其他硬度较强、方便制作的材料，如亚克力材料等制备而成，摩擦球的护套层采用具备电负性的绝缘型有机高分子材料制备而成。

作为本发明进一步的改进，活动支架采用多边形架，活动支架的轮廓为管腔截面的内接多边形。万向滚珠或万向滚轮安装在活动支架的多边形结构的顶点处；管腔内壁中含有多条与活动支架抵接点位置对应的平行轨道，各条平行轨道沿管腔的延伸方向设置；平行轨道为高度低于管腔内壁的凹陷型沟道，万向滚轮或万向滚珠位于沟道内。

作为本发明进一步的改进，万向滚轮或万向滚珠表面设有和摩擦球的护套层材料相同的防护层。

作为本发明进一步的改进，摩擦电极中的第一壁电极和第二壁电极均为一体式结构，第一壁电极和第二壁电极中的各个电极单元在展开状态下相互交错排列。电极单元采用琴键式、正弦波式、方波式，三角波式中的任意一种排列方式进行排列。

本发明还包括一种环形复合发电单元的制备方法，其用于制造前述的环形复合发电单元。环形复合发电单元的制备方法包括如下步骤：

S1；选择具有热塑性的有机高分子材料作为制备第一壁电极和第二壁电极的薄板基材。

S2：将薄板基材切割成第一壁电极和第二壁电极，并将第一壁电极和第二壁电极贴合在一个环形圆管模具的内壁上。然后对第一壁电极、第二壁电极和模具进行烘烤，烘烤至基材软化后冷却成型。

S3：冷却成型后拆模得到第一壁电极和第二壁电极，将预制的活动磁体和摩擦球放置在第一壁电极和第二壁电极之间。其中，当活动磁体数量为多个时，则间隔放置。

S4：利用夹具夹持第一壁电极和第二壁电极拼合为一根环形圆管状结构，第一壁电极和第二壁电极上预留引脚。拼合的结构中，第一壁电极和第二壁电极间互不接触；活动磁体与第一壁电极和第二壁电极抵接。

S5：壳体的原料采用纤维丝和热固性树脂，将纤维丝旋转缠绕在第一壁电极和第二壁电极外周，并涂刷热固性树脂材料。树脂加热固化成型后形成内层壳体。

S6：内侧壳体成型后拆除夹具，利用热固性树脂对夹具连接处的孔洞进行封闭，并对内腔进行除氧处理，进而得到圆形管状半成品。

S7；在上步骤的圆形管状半成品上以螺旋线形式缠绕多段铜片作为线圈；预留每个线圈两端的第一端电极和第二端电极的引脚。

S8：继续采用纤维丝和热固性树脂作为原料，通过与步骤S5相同的工序加工得到外层壳体，进而得到所需的环形复合发电单元。

本发明还包括一种波浪能发电设备，波浪能发电设备包括整流模块和储能模块。波浪能发电设备中还采用了多组利用前述制备方法制备的环形复合发电单元。其中整流模块包括第一整流单元和第二整流单元。第一整流单元与各个环形复合发电单元中的第一端电极和第二端电极电连接。第二整流单元与各个环形复合发电单元中的第一壁电极和第二壁电极电连接。整流模块用于对各个环形复合发电单元产生的不同类型的电能进行整流和输出。储能模块用于接收并存储整流模块输出的电能。

本发明提供的一种环形复合发电单元及其制备方法与波浪能发电设备，具有如下有益效果：

本发明提供的环形复合发电单元在有限的结构空间内集成了电磁感应发电和摩擦纳米发电两套组件，利用该设备可以收集任意方向的振动或其它形式的机械运动中蕴含的能量，进而大大提升发电单元的能量转换效率和发电功率。本发明提供的产品在应用过程中，单位体积输出的“能量密度”大大提升，进而可以应用到波浪、潮汐、微风、路面气流等低能量密度的新能源发电场景中，产生很好的能量采集和能量回收效果。

本发明还提供了一种新的环形复合发电单元的制备方法，利用该方法制备的产品具有更高密封性能和防水效果，因此在应用于水面波浪能发电时可以更加耐用，有效延长设备的使用寿命。本发明提供的波浪发电设备既可以应用于各类开放式水域中，利用水体波浪的运动进行发电，并且不会对水下生态环境造成影响；还可以用于与现有的“渔光互补”类水面太阳能电站下方，进一步提高对同一空间蕴含的多种能量的利用率。因而具有突出的环保效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种环形复合发电单元的结构示意图。

图2为本发明实施例1的环形复合发电单元中摩擦电极的结构示意图。

图3为本发明实施例1中摩擦球的剖面结构示意图。

图4为本发明实施例1中的活动磁体的结构示意图。

图5为第一壁电极和第二壁电极按照正弦波式布局的示意图。

图6为第一壁电极和第二壁电极按照方波式布局的示意图。

图7为第一壁电极和第二壁电极按照三角波式布局的示意图。

图中标记为：

1、壳体；2、摩擦电极；3、线圈；4、摩擦球；5、活动磁体；21、第一壁电极；22、第二壁电极；41、护套层；42、球芯；51、活动支架；52、永磁体；200、电极单元；510、万向滚轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

本实施例提供一种环形复合发电单元，如图1所示，该复合发电单元的整体外形近似甜甜圈。环形复合发电单元中的组件包括壳体1、线圈3、摩擦电极2、摩擦球4，以及活动磁体5。

其中，壳体1内包含一根管径均匀的环形的密封管腔。线圈3呈圆柱弹簧状；线圈3的数量为一个或多个，并沿壳体1中管腔的延伸方向间隔布设。每个线圈3的两端分别连接有第一端电极和第二端电极。

摩擦电极2粘贴在壳体1中管腔的内壁上。如图2所示，摩擦电极2的形状与壳体1内的管腔的形状相匹配，并由多个沿管腔延伸方向依次排列的电极单元200构成，每个电极单元200靠近但不接触。其中，摩擦电极2中位于奇数位的各个电极单元200相互电连接进而构成第一壁电极21；位于偶数位的各个电极单元200相互电连接进而构成第二壁电极22。

摩擦球4的数量为多个；每个摩擦球4均位于壳体1的管腔内，摩擦球4的直径小于管腔的纵向截面。以使得摩擦球4可以在管腔内自由滑动或滚动。如图3所示，摩擦球4包括球芯42和护套层41，护套层41采用与摩擦电极2极性相反或电子捕获能力具有差异的摩擦发电材料制备而成。

环形复合发电单元中的活动磁体5的数量为一个或多个。如图4所示，每个活动磁体5包括永磁体52和活动支架51。活动支架51上含有多根向外呈辐射状分布的支脚，每根支脚端部设有万向滚珠或万向滚轮510。活动支架51的支脚抵接在壳体1中管腔的内壁上；永磁体52固定连接在活动支架51上。

本实施例提供的环形复合发电单元在应用过程中既可以水平放置也可以竖直放置。该环形复合发电单元的工作原理如下：当该装置受到外力作用而发生晃动时，由于惯性作用，壳体1内部的摩擦球4和活动磁体5会相对壳体1移动，此时，摩擦球4和活动磁体5会在管腔内穿梭运动，二者运动过程会在复合发电单元内部产生交变电流，电能的转化来源主要包括以下两个方面：

一方面，当摩擦球4在壳体1内部的管腔中穿梭时，摩擦球4会与壳体1内壁上粘贴的摩擦电极2材料相互摩擦，摩擦球4表面层的护套层41和摩擦电极2的材料之间的负电荷束缚能力具有差异，因此二者相互摩擦过程会发生电荷转移。摩擦球4在任意状态下通常只会与第一壁电极21和第二壁电极22中的一个接触，当摩擦球4刚好从第一壁电极21运动到第二壁电极22的过程中，电荷平衡状态被打破，第一壁电极21和第二壁电极22之间将会产生电势差，因此在第一壁电极21和第二壁电极22会产生交变电流。

另一方面，当活动支架51负载永磁体52在壳体1的管腔内部自由滑动，当活动磁体5在管腔内穿梭时，永磁体52的移动会造成各个线圈3上的磁通量发生变化，进而在线圈3的第一端电极和第二端电极间产生交变电流。

为了减小摩擦球4和活动磁体5之间运动的影响，需要合理的设置摩擦球4直径的大小，在尽量满足发电性能的基础上，可将小球的直径大小设置成小于活动磁体5与活动支架51之间间隙的大小，为了能够在相互运动时，摩擦球4可直接通过间隙穿过活动磁体5，运动到另一面，从而使摩擦球4尽可能多的产生有效的发电；也可将万向滚珠510与活动支架51的支撑柱设置的长一点，确保之间的距离大于摩擦球4的直径，这样，摩擦球4可尽量不受活动支架51的影响而增加发电效率。

通过以上分析可以看到，本实施例在有限的环形空间内，同时利用摩擦纳米发电和电磁感应发电两种方式将接收到的机械能转换为电能。因此该复合发电单元单位体积的发电密度要远高于常规的摩擦纳米发电设备；因而非常适用于进行推广应用。

特别地，本实施例提供的复合发电单元尤其适合应用波浪能发电领域。众所周知，波浪能具有能量时空分布不均，流体的流向时空差异较大，能量密度较低等特点。大部分现有的叶轮式发电设备都难以有效转换波浪中蕴含的机械能；但是本实施例的复合发电单元却恰好可以适应波浪的摇摆运动的特点，并随着波浪的摇摆源源不断地产生电能。在实际应用中，可以采用类似海带养殖的方式，将大量环形复合发电单元采用线绳固定，间隔放置并漂浮在水面上。只要水体的表面会发生波动，环形复合发电单元就可以正常工作并产生电流。

在本实施例的技术方案中，壳体1为所有内部组件提供一个密封的工作环境。避免空腔内部进水。同时，壳体1的空腔结构还可以产生较大的浮力，保证整个装置在应用时可以漂浮在水面上。具体地，为了便于加工，在本实施例中，壳体1可以采用可拆卸的分体式结构。例如将圆形环的壳体1分设为上下两个堆成的半壳组件；壳体1中的各个结构组件通过螺纹、卡扣或其它任意一种连接件固定连接。特别地，为了保证内部管腔的密封性，壳体1的各个结构组件的接口处设置密封材料，如橡胶垫、硅胶垫等。此时，当两个半壳组件装配完成后，橡胶垫会适当变形，进而将两个半壳的接缝处完全堵塞，保证壳体1组装完成后，即使将壳体1放入水体中也可以保持密封而不进水。其中，本实施例之所以采用可拆卸的分体式结构，主要是为了便于将摩擦电极2、摩擦球4和活动磁体5等组件装配到壳体1内的空腔内。本实施例采用分体式结构的壳体1后，壳体1的组件还可以通过吹塑、挤压成型等多种现有加工工艺进行生产制造，因而可以通过规模化的大批量生产降低单个组件的制造成本。

本实施例中，壳体1也作为线圈3的安装载体。事实上，线圈3和壳体1之间可采用多种装配方式，只需要满足活动磁体5在运动过程会沿线圈3内部穿梭即可。常规的线圈3的安装方式具体包括三种：1、将线圈3缠绕在壳体1外部。2、将线圈3贴合在壳体1中管腔的内壁上。3、将线圈3嵌入到壳体1中，并环绕管腔布设。图1中的环形复合发电装置采用的是第1种装配方式。在三种装配方式中，第3中为最佳的装配方式，在这种装配状态下，线圈3会被壳体1完整包裹，因而可以表面线圈3在使用过程中与其它组件相互摩擦，或受到冲击而受损。但是，第3种装配方式的加工难度大，现有的组装方式都难以实现装配。产品的制造成本也相应较高。

当采用第1和第2种方式将线圈3贴合在壳体1中管腔的内壁上或缠绕在壳体1外部时。为了提高对线圈3的防护，线圈3外层还应当设置有隔离层，以使线圈3位于隔离层和壳体1之间。本实施例中壳体1和隔离层采用具有绝缘特性的材料制备而成。例如，当线圈3采用缠绕安装的方式设置在壳体1外部时，可以进一步在壳体1上缠绕防水胶带作为隔离层。而当线圈3粘贴在壳体1内层时，则可以在壳体1内壁上进一步喷涂防水的树脂材料，待树脂材料固化后，得到所需的隔离层。

在本实施例提供的产品中，第一壁电极21、第二壁电极22和摩擦球4是通过摩擦生电的原理进行发电，因此两者应当采用具有明显电性差异的材料。本实施例第一壁电极21和第二壁电极22材料具备电正性的材料，可选择的具备电正性的材料包括金属、合金、氧化铟锡和导电有机物高分子材料等。其中，金属可选为铜、铝、金、银、铂、镍、钛、铬及硒等任意一种。合金可选为前述金属材料中的两种或两种以上物质所形成的合金。导电有机物高分子材料可选为聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺及聚噻吩等。

在本实施例中，摩擦球4采用双层结构，包括内部的球芯42和外部的护套层41。摩擦球4的球芯42采用石质、塑料或者其他硬度较强、方便制作的材质,如聚甲基丙烯酸甲酯材质，成本低，耐磨耐用，且具有较大的密度，可以产生较大的压应力。而摩擦球4表面的护套层41材料采用具备电负性的绝缘型有机高分子材料。

事实上，在不影响最终发电效率的前提下，摩擦球4表面的护套层41也可以采用与摩擦电极2材料电性相同的材料，只需要两种材料对电荷的束缚能力存在明显差异，在相互摩擦中可以产生电荷转移即可。

本实施例中摩擦球4的护套层41材料的可选项包括：全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚酰亚胺(Kapton)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯及派瑞林等。

在实际应用过程中，摩擦电极2和摩擦球4都应当结合不同材料的耐磨性、抗老化特性以及成本等多重因素进行综合考量，进而选择最佳的材料。

活动支架51的用途是支撑永磁体52，并驱动永磁体52在管腔内部自由移动，活动支架51相当于是永磁体52的载具。图4已经给出了支架的一种具体的结构型式。事实上，只要能够实现在管腔内自由移动的技术效果，活动支架51可以采用任意结构型式。例如，在其它实施例中，活动支架51采用多边形架，活动支架51的轮廓为管腔截面的内接多边形。然后将万向滚珠或万向滚轮510安装在活动支架51的多边形结构的顶点处。

此外，为了使得活动支架51的运动过程更加顺畅，在其它实施例中，还可以沿着管腔的延伸方向在管腔内壁中设置多条环形的凹槽。然后将万向滚轮510或万向滚珠卡入到环形的凹槽内，环形的凹槽作为活动支架51穿梭运动时的平行轨道。使用平行轨道之后，活动磁体5只能够沿着管腔的延伸方向滑动，而不会相对管腔的延伸方向做无效的翻转运动，这会进一步提高整个环形复合发电单元的发电效率。

特别地，在其它改进的实施例中，万向滚轮510或万向滚珠表面也可以设有和摩擦球4的护套层41材料相同的防护层。这使得活动支架51和永磁体52在运动过程中除了通过电磁发电以外，也可以和摩擦球4一样通过摩擦发电。

本实施例中在前文中已经给出了摩擦电极2的一种结构布局方式。摩擦电极2中的第一壁电极21和第二壁电极22在结构设计中应当满足使得各个电极单元200在展开状态下相互交错排列的设计目标；这样当摩擦球4沿着摩擦电极2滑动时，摩擦球4会不断地在两个摩擦电极2间切换，进而产生交变电流。因此除了本实施例的结构设计之外，在其它实施例中，摩擦电极2还可以采用多种其它的结构形式。例如第一壁电极21和第二壁电极22采用琴键式布局，或者采用如图5的正弦波式布局、如图6的方波式布局，如图7的三角波式布局，等等。

实施例2

本实施例提供一种环形复合发电单元的制备方法，其用于制造实施例1中的环形复合发电单元产品。特别地，本实施例的制造工艺并非采用传统的零件装配式工艺生产，壳体1的加工过程采用了一体成型的加工方式。

因此，本实施例制造的产品具有更高的防水和气密性，环形复合发电单元可以在水中长时间使用而不会发生进水、变形。组件内部采用真空设计，内部的组件可以长时间使用而不会被氧化。这些都使得产品可以更好地应用到波浪能发电的应用场景中，并大大延长产品的实际使用寿命。

本实施例中，环形复合发电单元的制备方法包括如下步骤：

S1；选择具有热塑性的有机高分子材料作为制备第一壁电极21和第二壁电极22的薄板基材。本实施例中采用加入碳纤维的导电性PPS树脂材料作为第一壁电极21和第二壁电极22的制造薄板基材。

S2：将薄板基材切割成第一壁电极21和第二壁电极22，并将第一壁电极21和第二壁电极22贴合在一个环形圆管模具的内壁上。然后对第一壁电极21、第二壁电极22和模具进行烘烤，烘烤至基材软化后冷却成型。

PPS树脂是一种热塑性树脂，本实施例通过模具来对基材进行塑性。在冷却脱模后，第一壁电极21和第二壁电极22就成为一个组合后具有环形管状结构的三维模型组件。

S3：冷却成型后拆模得到第一壁电极21和第二壁电极22，将预制的活动磁体5和摩擦球4放置在第一壁电极21和第二壁电极22之间。其中，当活动磁体5数量为多个时，则间隔放置。

第一壁电极21和第二壁电极22是后续制备环形管状壳体1的骨架，也是管腔内侧的衬垫，因此在壳体1成型之前，需要先将应当位于管腔内部的活动磁体5和摩擦球4摆正后塞到两个壁电极之间。

S4：利用夹具夹持第一壁电极21和第二壁电极22拼合为一根环形圆管状结构，第一壁电极21和第二壁电极22上预留引脚。拼合的结构中，第一壁电极21和第二壁电极22间互不接触；活动磁体5与第一壁电极21和第二壁电极22抵接。

壁电极拼合之后，内部的活动磁体5和摩擦球4的相对位置就被固定下来。由于，第一壁电极21和第二壁电极22在装配过程中需要间隔设置，因此本步骤中需要使用特殊的夹具从第一壁电极21和第二壁电极22外侧将两个壁电极拼合在一起。

S5：壳体1的原料采用纤维丝和热固性树脂，将纤维丝旋转缠绕在第一壁电极21和第二壁电极22外周，并涂刷热固性树脂材料。树脂加热固化成型后形成内层壳体1。

为了加工得到完全密封的一体式壳体1，本实施例采用碳纤维纺织成型的工艺加工壳体1。具有的加工方式是将连续的纤维丝不断缠绕在第一壁电极21和第二壁电极22构成的“模具”上，然后在表面涂刷树脂材料，树脂材料固化后就形成所需的壳体1，其中纤维丝作为壳体1的骨架材料，可以有效提高成型后的壳体1的结构强度。为了提高制备的壳体1的强度，绕丝和涂刷树脂的工序可以重复多次。

S6：内侧壳体1成型后拆除夹具，利用热固性树脂对夹具连接处的孔洞进行封闭，并对内腔进行除氧处理，进而得到圆形管状半成品。

在壳体1预成型阶段，“模具”上的夹具会对纤维丝缠绕和树脂涂刷造成遮挡，因此预成型的位置可能会存在孔洞，本步骤需要对孔洞位置进行填补，同时还可以利用相应的孔洞对预成型的壳体1内腔进行抽真空处理，降低壳体1内的氧含量。此外，为了防止预成型后的壳体1变形，也可以不采用真空处理，而是采用充氮的方式排除壳体1内部的氧气。

S7；在上述步骤的圆形管状半成品上以螺旋线形式缠绕多段铜片作为线圈3；预留每个线圈3两端的第一端电极和第二端电极的引脚。

本实施例的制备工艺直接将铜丝或铜片缠绕在预成型的壳体1上，得到所需的线圈3。

S8：继续采用纤维丝和热固性树脂作为原料，通过与步骤S5相同的工序加工得到外层壳体1，进而得到所需的环形复合发电单元。

本步骤在前序步骤的基础上，继续缠绕纤维丝和涂刷树脂材料，因此可以形成靠外一层的壳体1。即本实施例的壳体1为两层的复合材质。通过加工出的双层复合壳体1可以将线圈3完整包覆在壳体1内，解决了线圈3难以嵌入到壳体1内的技术难点。

此外，内外层的树脂材料可以采用同一种材料也可以采用不同的材料。例如，根据实际需要，对于靠近内层的壳体1材料，可以采用具有绝缘特性、弹性较强、密封性能较好的材料。降低内部组件振动对外部的影响。而对于靠近外层的壳体1材料，则需要使用耐腐蚀、抗老化性能突出，密封、防水性能优异，且固化成型后结构强度高的材料制备而成；提升材料在水浸状态下的使用寿命。

实施例3

本实施例提供给一种波浪能发电设备，波浪能发电设备包括整流模块和储能模块。波浪能发电设备中还采用了多组利用实施例2的制备方法制备的环形复合发电单元。其中，整流模块包括第一整流单元和第二整流单元。第一整流单元与各个环形复合发电单元中的第一端电极和第二端电极电连接。第二整流单元与各个环形复合发电单元中的第一壁电极21和第二壁电极22电连接。整流模块用于对各个环形复合发电单元产生的不同类型的电能进行整流和输出。储能模块用于接收并存储整流模块输出的电能。本实施例考虑到发电单元中的摩擦发电部分和电磁发电部分产生的电能质量差异较大，因此采用两个独立的整流单元进行输出。

本实施例提供的波浪能发电设备应用时直接漂浮在水体表面，对于常见的河流、湖泊、海面等不同水体，均可以安装应用。只需要水体表面存在波动，波浪发电设备就可以将水体运动时的机械能转化为电能，并收集利用。此外，即使是已经安装光伏发电设备的水体，也可以在光伏面板下方的水体表面安装本实施例提供的波浪发电设备，提高单位面积的发电功率。

此外，将本实施例的产品铺装在水面上之后，还可以有效降低水面的蒸发量，因此该产品非常适合应用在内陆水资源相对缺乏的区域，同时产生发电和节水两种效益。本实施例波浪能发电设备的发电单元呈环形，铺设在水面上之后，并不会对水面完全密封，因此也可以避免过度遮挡阳光空气，造成水下生态环境恶化的弊端。

基于上述内容可知，本实施例提供波浪发电设备是一种新型的新能源发电设备，具有优异的环保性能和经济价值，非常适合进行大规模的推广应用。

以上所述实施例仅表达了本发明的其中一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种环形复合发电单元，其特征在于，其包括：

壳体，其内包含一根管径均匀的环形的密封管腔；

线圈，其呈圆柱弹簧状；所述线圈的数量为一个或多个，并沿所述壳体中管腔的延伸方向间隔布设；每个所述线圈的两端分别连接有第一端电极和第二端电极；

摩擦电极，其粘贴在所述壳体中管腔的内壁上，所述摩擦电极的形状与壳体内的管腔的形状相匹配，并由多个沿管腔延伸方向依次排列的电极单元构成，每个所述电极单元靠近但不接触；其中，所述摩擦电极中位于奇数位的各个电极单元相互电连接进而构成第一壁电极，位于偶数位的各个电极单元相互电连接进而构成第二壁电极；

摩擦球，其数量为多个；所述摩擦球位于所述壳体的管腔内，摩擦球的直径小于所述管腔纵向截面；所述摩擦球包括球芯和护套层，护套层采用与所述摩擦电极极性相反或电子捕获能力具有差异的摩擦发电材料制备而成；以及

活动磁体，其数量为一个或多个，每个活动磁体包括永磁体和活动支架；所述活动支架包括多根支脚，支脚端部设有万向滚珠或万向滚轮，所述活动支架可滑动抵接在壳体中管腔的内壁上；所述永磁体固定连接在所述活动支架上；

当摩擦球受到外力驱动在管腔内穿梭时，第一壁电极和第二壁电极间产生交变电流；当活动磁体受到外力驱动在管腔内穿梭时，第一端电极和第二端电极间产生交变电流。

2.根据权利要求1所述的环形复合发电单元，其特征在于：所述壳体采用可拆卸的分体式结构，壳体中的各个结构组件通过螺纹、卡扣或其它任意一种连接件固定连接；壳体的各个结构组件的接口处设置密封材料，进而使得壳体组装完成后内部的管腔保持密闭状态。

3.根据权利要求1所述的环形复合发电单元，其特征在于：所述壳体作为线圈的安装载体；所述线圈缠绕在所述壳体外部；或所述线圈贴合在壳体中管腔的内壁上；或所述线圈嵌入到所述壳体中，并环绕所述管腔布设。

4.根据权利要求1所述的环形复合发电单元，其特征在于：当所述线圈贴合在所述壳体中管腔的内壁上或缠绕在所述壳体外部时，所述线圈外层还设置有隔离层，以使所述线圈位于隔离层和壳体之间；所述壳体和隔离层采用具有绝缘特性的材料制备而成。

5.根据权利要求1所述的环形复合发电单元，其特征在于：所述摩擦电极采用具备电正性的摩擦发电材料制备而成，制备摩擦电极的材料包括金属、合金、氧化铟锡或导电有机物高分子材料；所述摩擦球的球芯采用石质材料或聚甲基丙烯酸甲酯而成，摩擦球的护套层采用具备电负性的绝缘型有机高分子材料制备而成。

6.根据权利要求1所述的环形复合发电单元，其特征在于：所述活动支架采用多边形架，所述活动支架的轮廓为管腔截面的内接多边形；所述万向滚珠或万向滚轮安装在活动支架的多边形结构的顶点处；所述管腔内壁中含有多条与活动支架抵接点位置对应的平行轨道，各条平行轨道沿所述管腔的延伸方向设置；所述平行轨道为高度低于管腔内壁的凹陷型沟道，所述万向滚轮或万向滚珠位于所述沟道内。

7.根据权利要求1所述的环形复合发电单元，其特征在于：所述万向滚轮或万向滚珠表面设有和摩擦球的护套层材料相同的防护层。

8.根据权利要求1所述的环形复合发电单元，其特征在于：所述摩擦电极中的第一壁电极和第二壁电极均为一体式结构，第一壁电极和第二壁电极中的各个电极单元在展开状态下相互交错排列；所述电极单元采用琴键式、正弦波式、方波式，三角波式中的任意一种排列方式进行排列。

9.一种环形复合发电单元的制备方法，其用于制造如权利要求8所述的环形复合发电单元，其特征在于，所述环形复合发电单元的制备方法包括如下步骤：

S1；选择具有热塑性的有机高分子材料作为制备第一壁电极和第二壁电极的薄板基材；

S2：将薄板基材切割成第一壁电极和第二壁电极；并将第一壁电极和第二壁电极贴合在一个环形圆管模具的内壁上；然后对第一壁电极、第二壁电极和模具进行烘烤，烘烤至基材软化后冷却成型；

S3：冷却成型后拆模得到第一壁电极和第二壁电极，将预制的活动磁体和摩擦球放置在第一壁电极和第二壁电极之间；其中，当活动磁体数量为多个时，则间隔放置；

S4：利用夹具夹持第一壁电极和第二壁电极拼合为一根环形圆管状结构，第一壁电极和第二壁电极上预留引脚；拼合的结构中，第一壁电极和第二壁电极间互不接触；活动磁体与第一壁电极和第二壁电极抵接；

S5：壳体的原料采用纤维丝和热固性树脂，将纤维丝旋转缠绕在第一壁电极和第二壁电极外周，并涂刷热固性树脂材料；树脂加热固化成型后形成内层壳体；

S6：内侧壳体成型后拆除夹具，利用热固性树脂对夹具连接处的孔洞进行封闭，并对内腔进行除氧处理，进而得到圆形管状半成品；

S7；在上步骤的圆形管状半成品上以螺旋线形式缠绕多段铜片作为线圈；预留每个线圈两端的第一端电极和第二端电极的引脚；

S8：继续采用纤维丝和热固性树脂作为原料，通过与步骤S5相同的工序加工得到外层壳体，进而得到所需的环形复合发电单元。

10.一种波浪能发电设备，其包括整流模块和储能模块，其特征在于：所述波浪能发电设备还采用了多组如权利要求9的制备方法制备的环形复合发电单元；所述整流模块包括第一整流单元和第二整流单元，所述第一整流单元与各个环形复合发电单元中的第一端电极和第二端电极电连接；所述第二整流单元与各个环形复合发电单元中的第一壁电极和第二壁电极电连接；所述整流模块用于对各个环形复合发电单元产生的不同类型的电能进行整流和输出；所述储能模块用于接收并存储整流模块输出的电能。

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