基于浮标的固液接触式纳米摩擦发电装置

技术领域

本发明涉及基于浮标的固液接触式纳米摩擦发电装置，属于海洋波能微纳转换技术领域。

背景技术

传统海洋浮标主要采用锂电池供电方式，浮标大多采用抛弃式且无法回收，工作周期结束后化学电池对海洋环境造成了极大的污染。由于海洋占地球表面大，蕴藏极为丰富的能源，，结合波能转换技术开发蓝色清洁无污染海洋能，可有效保障海洋工程装备工作周期和作业效率，有望从根本保障海洋工程装备的稳定性和高效性.。

目前应用广泛的波能装置大多基于电磁发电技术，但电磁发电机装置本身体积较大，启动条件苛刻需要一定的外部激励才能运转，并且变化无常海况难以保持共振频率，发电效率相对低等问题。

纳米摩擦发电机作为一种全新的能源技术已广泛应用于可穿戴电子器件、基础设施以及医疗等领域。纳米摩擦发电机擅长捕获生活中被忽略的能量，这为设备自供电技术提供了帮助。大多数的纳米摩擦发电机采用固-固摩擦的方式，存在接触面积小、摩擦不充分、材料磨损严重、发电效率低等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供基于浮标的固液接触式纳米摩擦发电装置。

本发明的目的是这样实现的：一种基于浮标的固液接触式纳米摩擦发电装置，包括电控舱外壳、垂直阵列发电模块，垂直阵列发电模块位于电控舱外壳内，所述垂直阵列发电模块包括矩形电极薄片、液态金属、纳米摩擦材料，矩形电极薄片垂直安装在电控舱外壳底部，液态金属在电控舱外壳内部，所述电极薄片与纳米摩擦材料为粘性粘贴。

另一种基于浮标的固液接触式纳米摩擦发电装置，包括独立层式阵列发电装置、电控舱外壳，独立层式阵列发电装置位于电控舱外壳内部，独立层式阵列发电装置包括六棱柱体发电模块外壳、独立层式发电单元，独立层式发电单元位于发电模块外壳内部，独立层式发电单元包括发电单元外壳、液态金属、2个电极薄片、纳米摩擦材料，电极粘在发电单元底部，电极表面粘贴有纳米摩擦材料，液态金属在发电单元外壳内部。

本发明还可以包括：

1、垂直阵列发电模块的矩形电极数量不少于2个，电极薄片间距相互平行，所述电极薄片表面均匀粘满纳米摩擦材料。

2、垂直阵列式固液纳米摩擦装置内部的液态金属体积不少于电控舱外壳容积的三分之一。

3、独立层式发电单元底部粘贴的2个电极薄片之间对称且不相连。

4、独立层式发电单元内部的液态金属截面大于单个电极薄片截面的三分之一。

5、常温状态时独立层式发电单元内部的液态金属截面小于单个电极薄片截面。

本发明的有益效果在于：

1、纳米摩擦发电机作为一种高效收集和利用波浪能的装置，为浮标的自供电技术提供了帮助。

2、相比于传统电磁发电的波能转换装置，纳米摩擦发电机能够巧妙的利用浮标内的狭小空间，避免传统接触摩擦产生的磨损限制发电装置使用寿命。

3、固液接触式的纳米摩擦发电机，发电材料具有高导电性，且在其工作过程中具有更大的接触面积、更低的摩擦系数，理论情况下单位体积下发电效率高。

附图说明

图1为一种垂直阵列式固液纳米摩擦装置结构图。

图2为一种独立层式固液摩擦发电装置阵列结构。

图3为独立层式固液纳米摩擦发电单元结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的原理和技术方案进行详细描述，本专利中液态金属用金属汞代替描述、电极材料选择纯铜薄片、纳米摩擦材料选择具有粘性的Kapton薄膜进行描述。

根据图1，提供一种基于浮标的固液接触式纳米摩擦发电装置，由上端盖1、下端盖4、电控舱外壳2以及拼接分布的发电模块3组成，发电模块3主要有纯铜薄片、Kapton薄膜和液态金属汞。发电过程由贴有摩擦材料的电极与液态金属接触产生，要求液态金属在常温状态下具有流动性，如：汞、镓或其他合金，电极为导电性良好的铜、铝、银、铁或其他金属合金薄片，常见摩擦材料为Kapton、PTFE、PET、PVC等纳米摩擦材料。

针对垂直阵列分布固液摩擦装置的结构尺寸没有约束限制，电控舱外壳应小于舱室截面尺寸，上下盖板材质为亚克力薄板，连接方式为粘性连接，液态金属体积不少于舱室体积三分之一，推荐体积容量为二分之一。

矩形电极薄片与摩擦材料为粘性粘贴，矩形电极薄片小于外壳尺寸，阵列排布的矩形电极薄片垂直安装于电控舱外壳底部，矩形电极数量不少于两个，推荐个数为8，包裹纳米摩擦材料的电极间有一定间距且各电极薄片相互平行。要求液态金属体积不少于外壳容积三分之一，推荐液体体积为外壳容积二分之一。

装置关键技术要求为Kapton薄膜均匀铺满电极薄片，平行阵列薄片垂直安装于电控舱内，液态汞体积为电控舱室一半，当液态金属由于波浪对壳体的激励时，液态金属汞受到外力在舱室内产生晃荡，同时不同时刻金属汞与电极上的纳米摩擦材料接触，使得Kapton薄膜表面产生感应电势，因两种材料由于外力分离时，接触产生的正负电荷也发生分离，这种电荷分离会相应的在电极上产生感应电动势，若在电极间接接入负载(或处于短路状态)，感应电动势差会驱动电子通过外电路在电极间流动。

此外由于摩擦接触发电过程是在纳米尺度上，接触的有效性在很大程度上将受到固液表面的粗糙度和匹配程度，因此两电极薄板间距离应不小于2厘米，当电极薄片浸入液态金属中时，摩擦材料已经开始接触，但此时电流几乎为0，随着外力的增加导致接触面积产生变化，使得摩擦材料表面带净负电荷，而液态金属表面带正电荷。

根据图2，为独立层式固液摩擦发电装置阵列结构，阵列发电装置主要包括六棱柱体发电模块外壳5以及发电单元6组成，发电单元垂直布置，单元间连接方式为粘性连接。发电模块外壳5采用六棱柱体结构，因棱柱体结构便于拼接分布，可最大限度利用空间，阵列装置采用拼接的方式置于电控舱内构成发电装置。

根据图3，独立层纳米摩擦发电单元为六棱柱体，外壳材料推荐采用亚克力板，其阵列方式可按电控舱内空间结构进行拓扑优化。发电单元由发电单元外壳7、Kapton薄膜8、铜电极9以及汞液态金属10组成。阵列装置中发电单元6分层布置，且垂向距离间相邻发电单元可保留一定距离，也可无间隙粘接。

每个独立层发电单元中有两块对称且不相连的纯铜电极9粘贴于亚克力板底部，铜电极9形状参考六棱柱体设计，在铜电极9表面黏贴Kapton薄膜，要求Kapton薄膜8能够完全包裹住铜电极9，避免汞金属10与铜电极9发生汞产生化学反应，影响发电效率。

对于独立层式发电单元，两个不相连的对称铜片上分别贴有摩擦材料Kapton薄膜，当液态金属汞与电极上的纳米摩擦材料发生相对摩擦后，金属汞与纳米摩擦材料同时产生电荷，同时液态汞在两个不相连的电极上晃动，使得在同一时刻内由于液态金属与两块电极接触面积不同导致电极间电势差的变化，进而驱动电子通过外电路负载在两个电极之间来回流动，以平衡电势差的变化。

电能集成是在单元外壳底部开一定尺寸导线通孔，导线与电极薄片焊接，且正电极间导线串联，同理负极间导线串联。

液态金属汞体积应大于单个电极薄板截面的三分之一，常温状态下金属截面小于电极薄板截面。针对独立层式固液纳米摩擦发电单元发电过程，当发电单元受到外力产生运动时。汞金属与左侧Kapton薄膜摩擦产生电荷，汞金属带正电荷，Kapton薄膜带负电荷，导致Kapton薄膜下面的铜电极带正电荷，当汞金属与左侧电极的Kapton薄膜完全重合时，所有回路中的正电荷都被吸引到左侧电极的上表面，当汞金属向右侧电极滑动时，回路中的正电荷将通过负载从左边的电极向右边的电极流动。当汞金属与右侧电极上的Kapton薄膜完全重合时，所有的正电荷将流入右电极。随后，汞金属又从右侧电极移动到左侧电极，此时移动方向与正电荷移动方向相同。

针对独立层式固液纳米摩擦发电单元，Kapton薄膜8作为摩擦层，铜电极9作为导电层，汞金属10作为独立层。在外力的驱动下，汞金属10可以在两电极间往复滑动。当汞金属从左边向右边滑动时，汞金属与Kapton薄膜所有区域都接触，由于他们对电子的吸引能力不同，所以汞金属表面会产生正电荷，Kapton薄膜表面会产生负电荷。假设在Kapton薄膜表面的负电荷均匀分布在电极上，则不会有电势差的存在，所以不会有电能输出，带正电荷的汞金属决定了电势差的产生。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。