一种涡激振动式摩擦纳米发电装置及海流能收集装置的制作方法

本发明涉及海流能收集装置，具体为一种涡激振动式摩擦纳米发电装置及海流能收集装置。

背景技术：

1、随着全球能源状况日趋紧张，人们迫切需要使用新型可再生能源来取代传统的化石燃料。而世界海洋面积广阔，资源丰厚，若能充分利用海洋能源则对缓解当前的能源危机具有显著的帮助。海洋中蕴藏着丰富的能量，包括海流能、潮汐能、波浪能等多种形式。与其他形式的能量相比，海流能稳定性强。海洋中海流能储量大，分布范围广，海流的流向流速常年都稳定，且海流流速随时间变化较小，因此若能将海流能收集并用于发电具有重大意义。

2、目前，收集海流能的技术主要有电磁发电机和压电发电机。电磁发电机对海流的速度要求较高，在低速的海流下，会导致电磁发电机的扭矩较大，启动性能较差。且电磁发电机大多结构复杂，体积巨大且造价较高，因此电磁发电机不太适合用于收集海流能并用于发电。与电磁发电机相比，压电式发电机则制作相对简单，尺寸较小，灵活性更高，可通过防腐材料减少设备维护费用。但压电发电机的输出性能依赖于本身材料的性质，其不能输出很高的能量，且启动流速仍然较高，并且大多数只是单自由度，所以仅适用某些小型水下传感器。

3、随着摩擦纳米发电机概念的提出，海流能收集有了更新的发展，与上述技术相比，摩擦纳米发电机的结构比较简单，基于摩擦起电与静电感应原理，在交变电场的作用下，不同的电极产生极化电荷，极化电荷的转移进一步产生感应电流。独特的发电机制为其提供了更广泛的材料选择和发电方式，并且摩擦纳米发电机的输出性能也更加优异，材料选择也更广，更加适合海流能的收集。具有高电压、低电流的特点。但现有技术的摩擦纳米发电机还普遍存在可靠性差，输出效率低、投入产出比低、无法大规模生产应用等问题。

4、涡激振动属于流致振动的一种，是典型的流固耦合现象，非流线形结构在水流作用下，其两侧会周期性的产生旋涡脱落，从而在结构上行程周期性的外力，引发结构振动。研究表明在流速不高的情况下，结构可产生很大的振幅，流体的动能大部分被结构体吸收，形成稳定的周期性振荡运动。但现有技术还不能对涡激振荡效应进行很好的利用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中不能对涡激振动效应加以利用且现有的摩擦纳米发电机的输出效率低的问题，本发明提供一种涡激振动式摩擦纳米发电装置。

2、为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种涡激振动式摩擦纳米发电装置，包括收集组件以及发电组件，所述发电组件安装于所述收集组件内，所述收集组件用于对海流能进行收集并将其转化为机械能，所述发电组件用于将所述收集组件产生的机械能转化为电能；所述收集组件包括壳体一、弹性件以及底座，所述弹性件的一端连接所述壳体一，所述弹性件的另一端连接所述底座，所述弹性件适于带动所述壳体一以所述底座为摆心进行摆动；所述发电组件安装于所述壳体一内，所述发电组件包括壳体二以及至少两个板体，所述壳体二可拆卸地安装于所述壳体一内，两个所述板体叠放设置并安装于所述壳体二内；所述板体的上端面和下端面均设有多个凹槽，每个所述凹槽的表面均贴有两个电极片，两个电极片沿着所述凹槽的长度方向设置，两个电极片之间设有间隔；当两个所述板体叠放时，两个所述板体相贴合的一侧的相对应的两个凹槽得以组成一个通道，多个所述通道得以组成一个发电单元；每个所述通道内的四个所述电极片得以沿着所述凹槽的长度方向分成两组；每个所述通道内设有至少一个球体，所述球体得以沿着所述通道的长度方向进行往复滚动，使得同一个所述通道内的两组所述电极片上的电荷分布不均匀，由此产生电位差并向外输出电能。

3、作为上述方案的进一步改进，所述凹槽的断面为半圆形结构，两个所述凹槽围成的所述通道为圆柱形结构，所述通道的直径大于等于所述球体的直径。

4、作为上述方案的进一步改进，所述板体上端面的所述凹槽和所述板体下端面的凹槽交错设置。

5、作为上述方案的进一步改进，所述收集组件还包括密封盖，所述密封盖转动安装于所述壳体一，所述密封盖得以将所述发电组件密封安装于所述壳体一内；所述密封盖上套设有密封圈，所述密封圈用于提高所述密封盖和所述壳体一连接的密封性。

6、作为上述方案的进一步改进，所述弹性件为弹性钢片。

7、作为上述方案的进一步改进，所述球体为聚四氟乙烯球。

8、作为上述方案的进一步改进，所述电极片为铝电极片。

9、作为上述方案的进一步改进，所述壳体二为两个中空结构的半圆柱体组装形成，所述半圆柱体内设有多个限位件，其中一个所述板体上设有与多个所述限位件相匹配的多个限位块，所述限位件上设有限位槽，所述限位块适于卡接于所述限位槽内，用于限定所述通道的朝向与所述弹性件的弹性方向一致。

10、作为上述方案的进一步改进，所述密封盖上设有两个导线孔，连接所述电极片的导线得以穿过所述导线孔连接所述电极片，所述导线用于将所述发电组件产生的电能输出。

11、一种海流能收集装置，其包括所述的涡激振动式摩擦纳米发电装置。

12、作为上述方案的进一步改进，所述海流能收集装置还包括储能装置，所述储能装置通过导线连接所述涡激振动式摩擦纳米发电装置，所述涡激振动式摩擦纳米发电装置用于将海流能转化为电能，所述储能装置得以将转化后的电能进行储存并对其他用电设备进行供电。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

14、(1)本发明将涡激振动原理与摩擦纳米发电原理相结合，用涡激振动式摩擦纳米发电装置在水下收集海流能，将海流能转化为电能输出，且本发明的涡激振动式摩擦纳米发电装置的启动流速更低，并且在较低的流速小就能进行有效工作，实现对海流能进行很好的收集，且其输出效率高，为收集海流能提供更好的方案。

15、(2)通过设置凹槽且电极片贴合在凹槽的表面，能够增大球体与电极片之间的接触面积，从而提高其发电效率。

16、(3)本发明的摩擦纳米发电装置其通过多层板体堆叠形成多层发电单元，每层发电单元中的通道的数量均为多个，每个通道内可至少有一个球体，通过球体在通道内往复运动来摩擦电极片来实现发电操作。本发明通过这种独特的发电机制为其提供了更广泛的材料选择和发电方式，能够有效地收集水中海流能量并为各种水下设备提供电能。由于其结构设计比较巧妙，使得其制作过程相对简单且体积较小，因此本发明制备出来的涡激振动式摩擦纳米发电装置更适合在海洋中进行布置，同时更适合大规模生产应用，并且利用摩擦纳米发电的方式，使得其输出性能也更高，更加适合为水下设备提供电能。

17、(4)本发明可以直接给海洋设备或传感器进行供电，在配备电容器或电池组成自充电能量系统后，直接收集海流能，无需体积较大的能量管理电路就能够持续不断的驱动各种海洋设备。

18、(5)本发明的壳体一关于弹性件呈对称结构，因此在弹性件受到海流能的涡激振动而产生振动时，收集装置能够收集来自多个自由度的海洋能，从而提高其实用性。此外本发明的涡激振动式摩擦纳米发电装置能够没入海里，使用过程也不会影响海洋生物的正常生活，对海洋生态环境比较友好。

19、(6)弹性件能够在海流的涡激振动现象下产生较大的振动幅度，较大的振动幅度会导致其内部的球体发生更大的位移，从而使得球体与电极片之间的摩擦更为紧密，进而能够产生更多的电能，由此提高整个涡激振动式摩擦纳米发电装置的发电效率。