一种发电装置及包括该发电装置的海水发电装置的制作方法

本发明涉及发电领域，具体地，涉及一种发电装置及包括该发电装置的海水发电装置。

背景技术：

在地球矿物能源逐渐枯竭及环境状况日益恶化的形势下，海洋能源，作为一种低碳绿色环保且能带动社会可持续性发展的可再生能源，俨然成为当今世界能源研究的重要课题。如何有效利用资源丰富、可再生的海洋资源，显得十分重要。海水波浪所具有的动能(以下称为波浪能)是海洋能源中所占比重较大的一种。目前，主要的波浪发电装置基本上有三种类形：振荡水拄型、机械型和水流型。这些波浪发电装置各有优缺点，但共同的问题是，发电装置安装复杂、生产成本高。当今海水发电的难题在于：如何把分散的、低密度的、不稳定的波浪能吸收起来并进而集中、经济、高效地转化为有用的电能；如何使得海水发电装置能承受灾害性海洋气候的破坏，并实现安全运行。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种发电装置及包括该发电装置的海水发电装置，该发电装置及包括该发电装置的海水发电装置生产工艺简单、成本低廉且适合大规模海水发电。

为了实现上述目的，本发明提供一种发电装置，该发电装置包括外壳、位于该外壳内表面上的摩擦发电机以及位于该外壳内部空间中的撞击体，所述撞击体在外力的冲击下晃动并撞击所述摩擦发电机，从而促使所述摩擦发 电机进行摩擦发电。

本发明还提供一种海水发电装置，该海水发电装置包括多个上述发电装置，每个所述外壳的内表面上的所述摩擦发电机的数目为多个，每个所述摩擦发电机的正负极分别连接到各自的整流器的交流输入端，所有整流器并联。

通过上述技术方案，由于位于外壳内表面上的摩擦发电机基于两种不同材料之间的摩擦效应和静电感应效应进行摩擦发电，而位于外壳的内部空间中的撞击体则能够在外力的冲击下晃动从而撞击摩擦发电机，导致摩擦发电机中的摩擦层之间产生接触分离或者相对滑动，进而实现利用外力(例如，海水波浪)的动能进行发电，因此根据本发明的发电装置及包括该发电装置的海水发电装置不仅生产工艺简单，成本低廉，而且还能够承受灾害性海洋气候的破坏，以及经济、高效地将海水波浪所具有的动能转换成电能，进而能够适于大规模海水发电，并实现安全运行。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一种实施方式的发电装置的示例性外部结构图；

图2是根据本发明一种实施方式的发电装置中的摩擦发电机的示例性结构图；

图3是根据本发明一种实施方式的发电装置中的摩擦发电机的另一示例性结构图；以及

图4是根据本发明一种实施方式的海水发电装置的性能图示。

具体实施方式

以下结合附图1-3对根据本发明的发电装置及包括该发电装置的海水发电装置的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

根据本发明一种实施方式的发电装置包括外壳10、位于该外壳10的内表面上的摩擦发电机20、30以及位于该外壳10的内部空间中的撞击体(未示出)，所述撞击体在外力(例如海水波浪)的冲击下晃动并撞击所述摩擦发电机20、30，从而促使所述摩擦发电机20、30进行摩擦发电。

由于位于外壳10的内表面上的摩擦发电机20、30基于两种不同材料之间的摩擦效应和静电感应效应进行摩擦发电，而位于外壳10的内部空间中的撞击体则能够在外力(例如海水波浪)的冲击下晃动从而撞击摩擦发电机20、30，导致摩擦发电机20、30中的摩擦层之间产生接触分离或者相对滑动，所产生的摩擦电荷转移到储能模块中而实现利用诸如海水波浪等外力的动能进行发电，因此根据本发明的发电装置不仅生产工艺简单，成本低廉，而且还能够承受灾害性海洋气候的破坏，以及经济、高效地将海水波浪所具有的动能转换成电能，进而能够适于大规模海水发电，并实现安全运行。

优选地，所述外壳10可以为多面体结构或球形结构，例如，可以为十二面体结构、六面体结构等等，这样就能够使得外壳10内的撞击体在任何方向的外力(例如海水波浪)的冲击下都能够促使摩擦发电机20、30中的摩擦层之间产生接触分离或者相对滑动，进而提高根据本发明的发电装置的发电能力和效率。当然，其他的外形结构也是可行的。

优选地，所述外壳10是密闭封装的且防水，这样就能够增加根据本发明的发电装置的使用寿命以及安全性。但是，应当理解的是，外壳10不是必须为密封结构。

优选地，外壳10可以由耐腐蚀耐撞击的非导电材料制成，例如所述外 壳10可以由有机玻璃板或者其他耐撞击和耐腐蚀的非导电材料制成。这样，就能够增加根据本发明的发电装置的使用寿命。有机玻璃板的厚度可以是5cm甚至更厚，以增加其耐撞击性。

所述撞击体可以由任何材料制成，并且可以是任何结构，只要其能够在外力(例如海水波浪)的冲击下在外壳10内自由晃动并能够促使外壳10内表面上的摩擦发电机20、30内的摩擦层产生接触分离或者相对滑动即可。例如，撞击体可以是钢球、铁块等等。

摩擦发电机20、30可以为本领域技术人员熟知的任何类型的摩擦发电机。而且，所述摩擦发电机20、30中的摩擦层优选被极化处理(例如，电晕极化处理)或者被表面微结构化处理，以增加所述摩擦层的面电荷密度。这样就能够提高根据本发明的海水发电装置的电量输出，提高其发电能力。

图2示出了一种示例性的单层摩擦发电机20的结构，但是本领域技术人员应当理解的是，图2仅是一种示例，任何其他类型的单层摩擦发电机结构都可以应用于本发明中。

图2所示的单层摩擦发电机20可以包括依次层叠的第一支撑层1-1(第一支撑层1-1可以由有机玻璃板等耐腐蚀耐撞击的保护性材料制成)、第一电极2-1(其可由高分子材料背部铜或者其他导电材料制成)、第一摩擦层3-1(其可由例如氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)之类的高分子材料制成)、第二摩擦层2-3(其可由与第一摩擦层3-1之间存在摩擦电极序差异的任何材料制成，例如可由铜制成)、弹性材料层4(其可由Kapton高分子材料或者其他弹性材料制成)、第三摩擦层2-4(其可由与第四摩擦层3-2之间存在摩擦电极序差异的任何材料制成，例如可由铜制成)、第四摩擦层3-2(其可由例如氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)之类的高分子材料制成)、第二电极2-2(其可由高分子材料背部铜或者其他导电材料制成)以及第二支撑层1-2(其可以由有机玻璃板等耐腐蚀耐撞击的保护性材料制成)。第一电极2-1和第二 电极2-2相连作为单层摩擦发电机20的一个输出端，第二摩擦层2-3和第三摩擦层2-4相连作为单层摩擦发电机20的另一输出端。其中，第一摩擦层3-1、第四摩擦层3-2、第二摩擦层2-3和第三摩擦层2-4可以经过极化处理或者表面微结构化处理，从而增大各个摩擦层的面电荷密度，提高了单层摩擦发电机20的电量输出。

优选地，所述第二摩擦层2-3、所述弹性材料层4、所述第三摩擦层2-4可以为波浪形结构，从而形成如图2所示的单层波浪形摩擦发电机。另外，Kapton高分子弹性材料的厚度规格目前有25μm、50μm、75μm、125μm等，由于将其在模具中加热成型为波浪形弹性体的过程中，不同厚度的Kapton高分子弹性材料，其弹性力也不同，通常厚度越大弹性力越大，导致相同撞击力的作用下，薄的Kapton高分子弹性材料更容易被压缩，产生的形变更大，单位体积内功率输出也会相对更大，因此，在保证稳定性的前提下选择25μm厚度的Kapton高分子弹性材料加工成波浪半径为2mm的波浪形弹性材料层4。

应当理解的是，制备上述各个摩擦层和各个电极的材料并不局限于如上所述的材料。例如，电极材料可以是铜、银、金以及各种合金等导电材料，而且任何存在摩擦电极序差异的材料均可以用来制备摩擦层，例如，导体、半导体和绝缘体材料均可。所述绝缘体材料可以选自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、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，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(偏氯乙烯-co-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、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯；所述半导体材料可以选自硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体和有机半导体。

图3示出了一种示例性的多层摩擦发电机30的结构图。该多层摩擦发电机30可以由多个图2所示的单层摩擦发电机或者其他类型的单层摩擦发电机并联组成，从而可以提高根据本发明的发电装置的电量输出能力。另外，在将图2所示的单层摩擦发电机20并联时，相邻的单层摩擦发电机20可以共用相应的支撑层。

本发明还提供一种海水发电装置，该海水发电装置包括多个如上所述的发电装置，其中，每个所述外壳10的内表面上的摩擦发电机20、30(其可以为单层摩擦发电机，也可以为多层摩擦发电机)的数目可以为多个。这多个摩擦发电机20、30并联以增大其电流输出，进而增大根据本发明的海水发电装置的电量输出和发电能力。

以图2所示的单层波浪形摩擦发电机20为例，在将多个单层波浪形摩擦发电机20并联形成图3所示的多层摩擦发电机30时，将每一个单层波浪形摩擦发电机20的第一电极2-1、第二电极2-2都连接在一起作为一个输出端，将每一个单层波浪形摩擦发电机20的第二摩擦层2-3、第三摩擦层2-4都连接在一起作为另一个输出端，再将所得到的多个多层波浪形摩擦发电机30植入外壳10(例如十二面体结构)的内表面上，十二面体结构的每一个内表面上均放置一个多层波浪形摩擦发电机30。为了避免电荷的抵消作用，将每一个多层波浪形摩擦发电机30的两个输出端分别连接在整流器(例如，整流桥)的交流输入端上，再把所有整流器的正极连接在一起作为正极输出端、负极连接在一起作为负极输出端(也即所有整流器并联)，然后将正极和负极分别用导线引出到十二面体结构的外部并对十二面体结构进行密封 和防水处理。最后将多个十二面体结构以立体网状结构连接，所有的正极并联在一起，所有的负极并联在一起，将正极和负极连接到信号处理器(未示出)以后再连接到储能模块(未示出)。这样就能够实现将海水波浪的动能转化成电能，实现大规模海水发电。

图4示出了将一个内部安装有多个多层波浪形摩擦发电机30的十二面体结构10放置于海水中所得到的输出特性。经计算，在一平方千米范围内，5米深的海域每一秒钟能产生大概0.64MJ的电能。可见，根据本发明的海水发电装置不仅生产工艺简单，成本低廉，而且还能够经济、高效地将海水波浪所具有的动能转换成电能，进而能够适于大规模海水发电，并实现安全运行。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。