本發(fā)明涉及一種用于從海浪中穩(wěn)定提取能量的波浪能轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

0、技術(shù)背景

1、海洋波浪能是一種穩(wěn)定、可預(yù)測(cè)且豐富的可再生能源。海洋波浪能的開(kāi)發(fā)可以極大地促進(jìn)無(wú)化石燃料的電力生產(chǎn)，從而促進(jìn)全球可持續(xù)發(fā)展。預(yù)計(jì)它也將在未來(lái)的電力生產(chǎn)市場(chǎng)中發(fā)揮作用。然而，目前的波浪能轉(zhuǎn)換器主要基于電磁發(fā)電機(jī)。因此，它們的體積龐大，只能在高能量海洋(具有大而強(qiáng)的波浪)中獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率。在腐蝕性和高能海洋環(huán)境中安裝和維護(hù)它們既困難又昂貴。最近的研究一直在使用摩擦納米發(fā)電機(jī)來(lái)取代海浪發(fā)電技術(shù)中的傳統(tǒng)電磁發(fā)電機(jī)。但總的來(lái)說(shuō)，為摩擦納米發(fā)電機(jī)開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展的制造工藝是具有挑戰(zhàn)性的。它們的效率也強(qiáng)烈依賴于環(huán)境，特別是考慮到海洋環(huán)境中的高濕度可能會(huì)大大削弱摩擦電效應(yīng)并顯著降低能量轉(zhuǎn)換效率。最近的科學(xué)研究發(fā)明了基于水滴的發(fā)電機(jī)，它使用水滴撞擊帶摩擦電的聚合物表面，產(chǎn)生瞬時(shí)(脈沖)電能，其峰值電壓大于150伏特，峰值電流約為1毫安，有效(平均)功率密度>300瓦/米2。此性能優(yōu)于目前的商用太陽(yáng)能電池板(約200瓦/米2)。

2、由于水滴的發(fā)電機(jī)可以在潮濕環(huán)境中工作，因此已被提議用于海洋波浪能發(fā)電技術(shù)。然而，波浪大小的不可預(yù)測(cè)性和惡劣的海洋環(huán)境使得目前的技術(shù)不能產(chǎn)生穩(wěn)定的、不間斷的電力輸出。因此，未來(lái)的海洋波浪能開(kāi)發(fā)需要一種改進(jìn)的波浪能轉(zhuǎn)換器，以適用于海洋環(huán)境并確保長(zhǎng)期穩(wěn)定電力輸出。

3、摘要

4、本發(fā)明公開(kāi)一種海浪能轉(zhuǎn)換器用以克服上述一些缺點(diǎn)以獲得穩(wěn)定的不間斷的電力輸出。權(quán)利要求中介紹了優(yōu)選的實(shí)施方式。

5、本發(fā)明公開(kāi)的基于液滴發(fā)電機(jī)的波浪能轉(zhuǎn)換器在海洋環(huán)境中具有長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的性能，這相比現(xiàn)有波浪能轉(zhuǎn)換器具有明顯優(yōu)勢(shì)。

6、本發(fā)明的第一個(gè)方面，公開(kāi)了一個(gè)由液體介質(zhì)和液滴發(fā)電機(jī)組成的波浪能轉(zhuǎn)換器。液滴發(fā)電機(jī)裝置包含首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)。波浪能轉(zhuǎn)換器還包含利用海浪驅(qū)使液體介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐旱尾⑴c首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)的摩擦電表面嚙合以產(chǎn)生電力的裝置。液體介質(zhì)封裝在波浪能轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的封閉系統(tǒng)中。這一創(chuàng)新概念基于這樣一種認(rèn)識(shí)，即通過(guò)將封閉系統(tǒng)內(nèi)的液體介質(zhì)與周圍的海水隔離，可以確保液體介質(zhì)保持首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)的最佳工作狀態(tài)。與現(xiàn)有的波浪能轉(zhuǎn)換器技術(shù)直接使用海水為其液滴發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力相反，本發(fā)明中的波浪能轉(zhuǎn)換器能夠減少甚至完全消除由海洋環(huán)境中的腐蝕性海水直接對(duì)首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)造成的磨損、損壞或性能衰減。這也避免了首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)暴露于海洋中有害污染物、浮游生物或微生物的風(fēng)險(xiǎn)，從而延長(zhǎng)了波浪能轉(zhuǎn)換器的使用壽命。更重要的是，這個(gè)封閉系統(tǒng)允許本發(fā)明使用組分優(yōu)化的的液體介質(zhì)來(lái)驅(qū)動(dòng)液滴發(fā)電機(jī)，而不必受限于海水，這使得液滴發(fā)電機(jī)可以保持最優(yōu)的工作狀態(tài)來(lái)獲得最大輸出性能，并進(jìn)一步減少液體介質(zhì)對(duì)其帶來(lái)的磨損和損壞。這顯著增加了本發(fā)明公開(kāi)的波浪能轉(zhuǎn)換器輸出性能。術(shù)語(yǔ)輸出性能是指液體介質(zhì)將下落液滴的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率和有效性。此外，現(xiàn)有波浪能轉(zhuǎn)換器技術(shù)將海水從海浪直接引入包含液滴發(fā)電機(jī)的容器以提取能量，由于此類波浪能轉(zhuǎn)換器的容器內(nèi)部缺乏排水裝置，當(dāng)其遇到大浪時(shí)會(huì)出現(xiàn)海水超載問(wèn)題從而導(dǎo)致液滴發(fā)電機(jī)浸入海水中并因此失去能量轉(zhuǎn)換的能力。與此相反，本發(fā)明能夠克服這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槠渲械囊后w介質(zhì)與液滴發(fā)電機(jī)發(fā)電的過(guò)程在具有內(nèi)部液體循環(huán)能力的封閉系統(tǒng)中進(jìn)行。封閉系統(tǒng)內(nèi)的液體介質(zhì)體積可以被有效控制和調(diào)節(jié)，以避免液滴發(fā)電機(jī)因海水浸入而失效的風(fēng)險(xiǎn)。這是本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵因素，無(wú)論海浪的大小如何，它都能確?？沙掷m(xù)和穩(wěn)定的能源轉(zhuǎn)換。本發(fā)明中，液體介質(zhì)的液滴與液滴發(fā)電機(jī)的摩擦電表面嚙合以產(chǎn)生電力的過(guò)程，是指液滴與表面帶摩擦電荷的材料相互作用而使得液滴發(fā)電機(jī)能夠產(chǎn)生輸出功率的過(guò)程。液滴可能會(huì)撞擊帶摩擦電荷的材料表面以產(chǎn)生輸出功率?；蛘?，液滴可以在帶摩擦電荷的材料表面上滑動(dòng)。撞擊表面可以是指掉落、沖擊或打擊表面。

7、根據(jù)實(shí)施例，所述液滴發(fā)電機(jī)裝置可以包括多個(gè)首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)。這對(duì)于提高波浪能轉(zhuǎn)換器從海浪中提取能量的能力是有利的。

8、根據(jù)實(shí)施例，所述液體介質(zhì)包括水。這是有利于液滴發(fā)電機(jī)工作時(shí)將下落液滴的動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)化為電能，從而顯著提供輸出功率，同時(shí)對(duì)環(huán)境的影響最小。此外，通過(guò)在水添加鹽等物質(zhì)可以改變其耐溫性，使本發(fā)明的波浪能轉(zhuǎn)換器能夠在各種環(huán)境條件下有效運(yùn)行，并提高其整體性能和可靠性。此外，水資源豐富、可再生且處理安全。

9、根據(jù)實(shí)施例，所述液體介質(zhì)的液滴通過(guò)撞擊帶摩擦電荷的表面并與其嚙合。因此，液滴能夠通過(guò)強(qiáng)力沖擊落在摩擦電表面上以產(chǎn)生輸出功率。

10、根據(jù)實(shí)施例，利用海浪使液體介質(zhì)的液滴與液滴發(fā)電機(jī)的帶摩擦電荷的材料表面嚙合的裝置包括液體泵。液體泵有利于將水從首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)下方的位置輸送到其上方的位置。當(dāng)由海浪的能量提供動(dòng)力時(shí)，液體泵可以有效地將水向上輸送以供給液滴發(fā)電機(jī)完成穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)電過(guò)程。

11、根據(jù)實(shí)施例，所述液體泵可以被固定耦合到固定物體或諸如浮標(biāo)之類的移動(dòng)物體上。將液體泵固定耦合到固定物體上有利于為波浪能轉(zhuǎn)換器提供安全穩(wěn)定的底座。這有助于波浪能轉(zhuǎn)換器承受海浪的持續(xù)運(yùn)動(dòng)和力量，確保持續(xù)產(chǎn)生電力并降低損壞的風(fēng)險(xiǎn)。液體泵也可以被固定耦合到移動(dòng)物體(如船舶、移動(dòng)平臺(tái)或浮標(biāo))上，這使得波浪能轉(zhuǎn)換器可以被移動(dòng)到不同的位置，以捕獲最有效的波浪能。同時(shí)，波浪能轉(zhuǎn)換器可以更輕易地被帶到岸上或有維護(hù)設(shè)施的場(chǎng)所，從而簡(jiǎn)化維修并最大限度地減少停機(jī)時(shí)間。此外，將波浪能轉(zhuǎn)換器連接到浮標(biāo)上使其在離岸應(yīng)用中更有優(yōu)勢(shì)。

12、根據(jù)實(shí)施例，利用海浪使液體介質(zhì)的液滴與液滴發(fā)電機(jī)的帶摩擦電荷的材料表面嚙合的裝置包括一個(gè)浮子，該浮子可隨海浪相對(duì)于液體泵做垂直方向上移動(dòng)。利用海浪的自然起伏，浮子在海洋表面做垂直運(yùn)動(dòng)，有效地將海浪能轉(zhuǎn)化為電能。

13、根據(jù)實(shí)施例，所述波浪能轉(zhuǎn)換器包括限制性部件，用于限制浮子只能沿垂直方向移動(dòng)。將浮子移動(dòng)限制為垂直運(yùn)動(dòng)可使波浪能轉(zhuǎn)換器更有效地提取海浪動(dòng)能，海浪在垂直方向上通常具有持續(xù)強(qiáng)大的能量。此外，與可以同時(shí)垂直和水平移動(dòng)的浮子不同，集中在垂直方向運(yùn)動(dòng)的浮子與其耦合部件之間存在較低的機(jī)械應(yīng)力，從而可能降低維護(hù)成本并延長(zhǎng)部件的使用壽命。

14、根據(jù)實(shí)施例，所述液滴發(fā)電機(jī)裝置包括用于將液體介質(zhì)轉(zhuǎn)化為液滴的液滴生成器。液滴生成器可用于產(chǎn)生與液滴發(fā)電機(jī)嚙合的液體介質(zhì)液滴。液滴生成器可以有利地設(shè)置以給液滴發(fā)電機(jī)提供所需體積的液體介質(zhì)液滴。

15、根據(jù)實(shí)施例，所述液滴發(fā)電機(jī)裝置還包括用于產(chǎn)生液體介質(zhì)的液滴的次級(jí)液滴生成器和次級(jí)液滴發(fā)電機(jī)，其中，所述次級(jí)液滴生成器和所述次級(jí)液滴發(fā)電機(jī)均位于所述首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)的下方。因此，所述液體介質(zhì)的液滴在落在首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)上后，可以形成新的液滴，然后落下以撞擊所述次級(jí)液滴發(fā)電機(jī)。這有利于使單個(gè)液體介質(zhì)液滴落在多個(gè)液滴發(fā)電機(jī)上，從而提高液滴發(fā)電機(jī)裝置的輸出功率。

16、根據(jù)實(shí)施例，所述液滴發(fā)電機(jī)裝置包括一個(gè)頂部液箱，用于容納波浪能轉(zhuǎn)換器中的至少一部分液體介質(zhì)，其位于首級(jí)液滴生成器的上方。頂部液箱有利于確保首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)的獲得穩(wěn)定的液滴供應(yīng)，即使在海浪不穩(wěn)定的情況下。更有利的是，頂部液箱內(nèi)的液體介質(zhì)柱可以在液滴落在首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)之前對(duì)其加壓。這種增加的壓力提高了下落液滴的動(dòng)能。在與一個(gè)或多個(gè)帶摩擦電荷的表面嚙合產(chǎn)生相同輸出功率的情況下，加壓后的液滴只需更短的下落距離，有利于波浪能轉(zhuǎn)換器的小型化。

17、根據(jù)實(shí)施例，所述液滴發(fā)電機(jī)裝置包括一個(gè)底部液箱，用于容納波浪能轉(zhuǎn)換器中的至少一部分液體介質(zhì)，其位于所有液滴發(fā)電機(jī)的下方。底部液箱有利于容納液體介質(zhì)，確保液滴發(fā)電機(jī)裝置的連續(xù)運(yùn)行。此外，它還收集使用過(guò)的液體介質(zhì)以使液體泵更容易將其抽回到頂部液箱或首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)以上的位置以確保波浪能轉(zhuǎn)換器的連續(xù)運(yùn)行。

18、根據(jù)實(shí)施例，所述波浪能轉(zhuǎn)換器包括用于將液體介質(zhì)從底部液箱輸送到頂部液箱的管道裝置。管道裝置有利于將液體介質(zhì)從首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)下方的位置輸送到其上方的位置，例如從底部液箱到頂部液箱。

19、目前的液滴發(fā)電機(jī)是基于水滴撞擊具有平面結(jié)構(gòu)的帶摩擦電荷的薄膜或表面。撞擊過(guò)程包括幾個(gè)步驟(液滴擴(kuò)散、回縮和反彈)，并且需要較長(zhǎng)的接觸時(shí)間(>10毫秒)才能完成。這限制了液滴發(fā)電機(jī)的工作頻率，因此也限制了其輸出功率。此外，液滴擴(kuò)散步驟需要在摩擦電表面上占用較大的接觸面積，以避免與相鄰液滴的干擾。這大大限制了功率密度(每單位面積的輸出功率)。為了解決這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)的摩擦電表面具有管狀結(jié)構(gòu)以供所述液體介質(zhì)的液滴通過(guò)在其上滑動(dòng)與摩擦電表面嚙合，因此，當(dāng)液體介質(zhì)液滴落入管狀摩擦電表面時(shí)，它會(huì)在內(nèi)管表面內(nèi)滑動(dòng)以使首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)的產(chǎn)生電能。此外，與平面結(jié)構(gòu)的摩擦電表面不同，在管狀摩擦電表面上，液滴可以只通過(guò)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)穿過(guò)其表面而不需要平面結(jié)構(gòu)中的撞擊過(guò)程。因此，液滴和摩擦電表面之間的接觸時(shí)間顯著減少，并且每個(gè)首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)的輸出功率都可以增加。此外，由于避免了液滴擴(kuò)散步驟，液滴發(fā)電機(jī)所需的橫向接觸面積僅限于管橫截面，從而顯著地提高了其功率密度。所述功率密度是指每單位面積產(chǎn)生的輸出功率的量度。更重要的是，使用管狀摩擦電表面也有利于液滴發(fā)電機(jī)的垂直集成和水平擴(kuò)展。次級(jí)液滴發(fā)電機(jī)可以直接放置在首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)的正下方，以使首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)和次級(jí)液滴發(fā)電機(jī)的管狀摩擦電表面形成連續(xù)的管。也就是說(shuō)，一個(gè)連續(xù)的管狀摩擦電表面可用于制備多個(gè)液滴發(fā)電機(jī)。同時(shí)，管狀液滴發(fā)電機(jī)也利于水平擴(kuò)展。由于每個(gè)液滴都限制在管內(nèi)工作，相鄰液滴發(fā)電機(jī)的相鄰液滴之間沒(méi)有相互干擾，這種干擾在平面液滴發(fā)電機(jī)陣列中不可避免。管狀液滴發(fā)電機(jī)陣列也可以很容易地集成到液滴發(fā)電機(jī)裝置中，以連接頂部液箱和底部液箱。

20、根據(jù)實(shí)施例，所述首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)的管狀摩擦電表面具有從第一端口到第二端口的縱向延伸，其中，第二端口是閉合的。這有利于保持管狀摩擦電表面內(nèi)的液滴與管狀摩擦電表面的第二端口之間的內(nèi)部壓力。因此，當(dāng)從管狀摩擦電表面的第一端口施加交變氣壓，液滴可以在管狀摩擦電表面內(nèi)來(lái)回滑動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)是有利的，因?yàn)槊看我旱瓮ㄟ^(guò)液滴發(fā)電機(jī)電極時(shí)，首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)都會(huì)產(chǎn)生電能。液滴發(fā)電機(jī)電極可以是指液滴發(fā)電機(jī)中的一個(gè)組件，該組件捕獲一個(gè)或多個(gè)液體介質(zhì)液滴與摩擦電表面嚙合時(shí)產(chǎn)生的電荷，以將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。在本實(shí)施例中，至少有一個(gè)液滴可以通過(guò)滑動(dòng)來(lái)與摩擦電表面嚙合。此外，管狀摩擦電表面的閉合的第二端口還可以防止液滴脫落。

21、根據(jù)實(shí)施例，利用海浪使液體介質(zhì)的液滴與首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)的管狀摩擦電表面嚙合的裝置包括振蕩水柱腔。振蕩水柱腔跟海面共同封閉適量的氣體于其腔體內(nèi)，隨著海浪的起伏，腔體內(nèi)部的氣壓可以改變。當(dāng)腔體內(nèi)部氣壓增加時(shí)，與其相連的管狀摩擦電表面上的液滴被驅(qū)動(dòng)在摩擦電表面上滑動(dòng)而與摩擦電表面嚙合。由此，管狀摩擦電表面第一端口的壓力可以由海浪改變，從而允許海浪驅(qū)動(dòng)液滴在管狀摩擦電表面內(nèi)的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。液滴在管狀摩擦電表面上滑動(dòng)可以意味著液滴在管內(nèi)滑動(dòng)。

22、本發(fā)明公開(kāi)的第二個(gè)方面提供了一種海浪能轉(zhuǎn)換器。該海浪能轉(zhuǎn)換器包括工作水(或其他合適的液體介質(zhì))、浮子、水泵、包含多層液滴生成器和液滴發(fā)電機(jī)的工作箱，以及用于連接泵和工作箱的管道，以形成一個(gè)封閉的工作水系統(tǒng)。工作水(或其他合適的液體介質(zhì))的鹽或溶質(zhì)濃度被優(yōu)化了，以最大限度地提高液滴發(fā)電機(jī)的性能。在運(yùn)行過(guò)程中，浮子漂浮在海面上，海浪的上下起伏驅(qū)動(dòng)水泵將工作水從工作箱底部泵送到工作箱頂部。工作箱頂部的工作水通過(guò)液滴生成器轉(zhuǎn)化為液滴，為所有層的液滴發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，并降落到工作箱底部。然后，水泵將工作箱底部的工作水抽上來(lái)，進(jìn)行新的循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的長(zhǎng)期發(fā)電。

23、本發(fā)明具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

24、(1)封閉的水循環(huán)系統(tǒng)確保了液滴發(fā)電機(jī)的可持續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行。

25、(2)可以在密閉水中使用任何類型的工作水(或其他液體介質(zhì))來(lái)優(yōu)化液滴發(fā)電機(jī)性能。

26、(3)工作水系統(tǒng)與周圍的海洋隔離。它不受海洋環(huán)境的影響，反之亦然。

27、(4)即使在海浪通常不穩(wěn)定的情況下，工作箱底部和工作箱頂部的水緩沖罐確保了液滴發(fā)電機(jī)的液滴穩(wěn)定供應(yīng)。

28、(5)液滴發(fā)電機(jī)垂直堆疊可達(dá)25-50層(總高約5-10米，每層約20厘米高)之多，以提高輸出功率密度。

29、(6)可以使用多級(jí)泵將水位提高到高于10米，或者液滴發(fā)電機(jī)的層數(shù)多于50層。

30、第二個(gè)方面的效果和特性在很大程度上類似于上面描述的第一個(gè)方面相關(guān)的內(nèi)容。與第一個(gè)方面相關(guān)的實(shí)施例在很大程度上與第二個(gè)方面是相容的。除非另有明確說(shuō)明，創(chuàng)新概念涉及所有特性的所有可能組合。

31、本發(fā)明由所附的獨(dú)立權(quán)利要求定義，實(shí)施例被列在所附的從屬權(quán)利要求中，和下面的描述和附圖中。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于所描述的設(shè)備的特定組件或所描述的方法的步驟，因?yàn)檫@樣的設(shè)備和方法可以有所不同。還應(yīng)理解的是，本文中使用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述特定實(shí)施例，而不是旨在進(jìn)行限制。必須注意的是，在說(shuō)明書(shū)和所附權(quán)利要求中使用提及的“一個(gè)單元”或“單元”可以包括多個(gè)設(shè)備，諸如此類。此外，“包括”、“包括”、“包含”等詞語(yǔ)和類似措辭并不排除其他要素或步驟。

32、附圖的簡(jiǎn)要描述

33、以下對(duì)示例性實(shí)施例的說(shuō)明性的和非限制性的詳細(xì)描述中對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，并參照所附附圖，其中：

34、圖1-2是根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例列舉的波浪能轉(zhuǎn)換器的示意圖。

35、圖3是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例列舉的首級(jí)液滴發(fā)電機(jī)的示意圖。

36、圖4a-f是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例列舉的電源管理模塊的示意圖。

37、圖5-7是根據(jù)本公開(kāi)的不同實(shí)施例列舉的波浪能轉(zhuǎn)換器的示意圖。

38、圖8是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例列舉的首級(jí)管狀液滴發(fā)電機(jī)的示意圖。

39、圖9-10是根據(jù)本公開(kāi)的不同實(shí)施例列舉的波浪能轉(zhuǎn)換器示意圖。

40、圖11a-11b是液體泵的示意圖。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路