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換器。

背景技術：

0、技術背景

1、海洋波浪能是一種穩(wěn)定、可預測且豐富的可再生能源。海洋波浪能的開發(fā)可以極大地促進無化石燃料的電力生產，從而促進全球可持續(xù)發(fā)展。預計它也將在未來的電力生產市場中發(fā)揮作用。然而，目前的波浪能轉換器主要基于電磁發(fā)電機。因此，它們的體積龐大，只能在高能量海洋(具有大而強的波浪)中獲得較高的能量轉換效率。在腐蝕性和高能海洋環(huán)境中安裝和維護它們既困難又昂貴。最近的研究一直在使用摩擦納米發(fā)電機來取代海浪發(fā)電技術中的傳統(tǒng)電磁發(fā)電機。但總的來說，為摩擦納米發(fā)電機開發(fā)可擴展的制造工藝是具有挑戰(zhàn)性的。它們的效率也強烈依賴于環(huán)境，特別是考慮到海洋環(huán)境中的高濕度可能會大大削弱摩擦電效應并顯著降低能量轉換效率。最近的科學研究發(fā)明了基于水滴的發(fā)電機，它使用水滴撞擊帶摩擦電的聚合物表面，產生瞬時(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)于目前的商用太陽能電池板(約200瓦/米2)。

2、由于水滴的發(fā)電機可以在潮濕環(huán)境中工作，因此已被提議用于海洋波浪能發(fā)電技術。然而，波浪大小的不可預測性和惡劣的海洋環(huán)境使得目前的技術不能產生穩(wěn)定的、不間斷的電力輸出。因此，未來的海洋波浪能開發(fā)需要一種改進的波浪能轉換器，以適用于海洋環(huán)境并確保長期穩(wěn)定電力輸出。

3、摘要

4、本發(fā)明公開一種海浪能轉換器用以克服上述一些缺點以獲得穩(wěn)定的不間斷的電力輸出。權利要求中介紹了優(yōu)選的實施方式。

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

6、本發(fā)明的第一個方面，公開了一個由液體介質和液滴發(fā)電機組成的波浪能轉換器。液滴發(fā)電機裝置包含首級液滴發(fā)電機。波浪能轉換器還包含利用海浪驅使液體介質轉變?yōu)橐旱尾⑴c首級液滴發(fā)電機的摩擦電表面嚙合以產生電力的裝置。液體介質封裝在波浪能轉換器內部的封閉系統(tǒng)中。這一創(chuàng)新概念基于這樣一種認識，即通過將封閉系統(tǒng)內的液體介質與周圍的海水隔離，可以確保液體介質保持首級液滴發(fā)電機的最佳工作狀態(tài)。與現(xiàn)有的波浪能轉換器技術直接使用海水為其液滴發(fā)電機提供動力相反，本發(fā)明中的波浪能轉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首級液滴發(fā)電機造成的磨損、損壞或性能衰減。這也避免了首級液滴發(fā)電機暴露于海洋中有害污染物、浮游生物或微生物的風險，從而延長了波浪能轉換器的使用壽命。更重要的是，這個封閉系統(tǒng)允許本發(fā)明使用組分優(yōu)化的的液體介質來驅動液滴發(fā)電機，而不必受限于海水，這使得液滴發(fā)電機可以保持最優(yōu)的工作狀態(tài)來獲得最大輸出性能，并進一步減少液體介質對其帶來的磨損和損壞。這顯著增加了本發(fā)明公開的波浪能轉換器輸出性能。術語輸出性能是指液體介質將下落液滴的動能轉化為電能的效率和有效性。此外，現(xiàn)有波浪能轉換器技術將海水從海浪直接引入包含液滴發(fā)電機的容器以提取能量，由于此類波浪能轉換器的容器內部缺乏排水裝置，當其遇到大浪時會出現(xiàn)海水超載問題從而導致液滴發(fā)電機浸入海水中并因此失去能量轉換的能力。與此相反，本發(fā)明能夠克服這個問題，因為其中的液體介質與液滴發(fā)電機發(fā)電的過程在具有內部液體循環(huán)能力的封閉系統(tǒng)中進行。封閉系統(tǒng)內的液體介質體積可以被有效控制和調節(jié)，以避免液滴發(fā)電機因海水浸入而失效的風險。這是本發(fā)明的一個關鍵因素，無論海浪的大小如何，它都能確?？沙掷m(xù)和穩(wěn)定的能源轉換。本發(fā)明中，液體介質的液滴與液滴發(fā)電機的摩擦電表面嚙合以產生電力的過程，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)電機能夠產生輸出功率的過程。液滴可能會撞擊帶摩擦電荷的材料表面以產生輸出功率?；蛘撸旱慰梢栽趲Σ岭姾傻牟牧媳砻嫔匣瑒?。撞擊表面可以是指掉落、沖擊或打擊表面。

7、根據實施例，所述液滴發(fā)電機裝置可以包括多個首級液滴發(fā)電機。這對于提高波浪能轉換器從海浪中提取能量的能力是有利的。

8、根據實施例，所述液體介質包括水。這是有利于液滴發(fā)電機工作時將下落液滴的動能有效地轉化為電能，從而顯著提供輸出功率，同時對環(huán)境的影響最小。此外，通過在水添加鹽等物質可以改變其耐溫性，使本發(fā)明的波浪能轉換器能夠在各種環(huán)境條件下有效運行，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、根據實施例，所述液體介質的液滴通過撞擊帶摩擦電荷的表面并與其嚙合。因此，液滴能夠通過強力沖擊落在摩擦電表面上以產生輸出功率。

10、根據實施例，利用海浪使液體介質的液滴與液滴發(fā)電機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液滴發(fā)電機下方的位置輸送到其上方的位置。當由海浪的能量提供動力時，液體泵可以有效地將水向上輸送以供給液滴發(fā)電機完成穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)電過程。

11、根據實施例，所述液體泵可以被固定耦合到固定物體或諸如浮標之類的移動物體上。將液體泵固定耦合到固定物體上有利于為波浪能轉換器提供安全穩(wěn)定的底座。這有助于波浪能轉換器承受海浪的持續(xù)運動和力量，確保持續(xù)產生電力并降低損壞的風險。液體泵也可以被固定耦合到移動物體(如船舶、移動平臺或浮標)上，這使得波浪能轉換器可以被移動到不同的位置，以捕獲最有效的波浪能。同時，波浪能轉換器可以更輕易地被帶到岸上或有維護設施的場所，從而簡化維修并最大限度地減少停機時間。此外，將波浪能轉換器連接到浮標上使其在離岸應用中更有優(yōu)勢。

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

13、根據實施例，所述波浪能轉換器包括限制性部件，用于限制浮子只能沿垂直方向移動。將浮子移動限制為垂直運動可使波浪能轉換器更有效地提取海浪動能，海浪在垂直方向上通常具有持續(xù)強大的能量。此外，與可以同時垂直和水平移動的浮子不同，集中在垂直方向運動的浮子與其耦合部件之間存在較低的機械應力，從而可能降低維護成本并延長部件的使用壽命。

14、根據實施例，所述液滴發(fā)電機裝置包括用于將液體介質轉化為液滴的液滴生成器。液滴生成器可用于產生與液滴發(fā)電機嚙合的液體介質液滴。液滴生成器可以有利地設置以給液滴發(fā)電機提供所需體積的液體介質液滴。

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

16、根據實施例，所述液滴發(fā)電機裝置包括一個頂部液箱，用于容納波浪能轉換器中的至少一部分液體介質，其位于首級液滴生成器的上方。頂部液箱有利于確保首級液滴發(fā)電機的獲得穩(wěn)定的液滴供應，即使在海浪不穩(wěn)定的情況下。更有利的是，頂部液箱內的液體介質柱可以在液滴落在首級液滴發(fā)電機之前對其加壓。這種增加的壓力提高了下落液滴的動能。在與一個或多個帶摩擦電荷的表面嚙合產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，有利于波浪能轉換器的小型化。

17、根據實施例，所述液滴發(fā)電機裝置包括一個底部液箱，用于容納波浪能轉換器中的至少一部分液體介質，其位于所有液滴發(fā)電機的下方。底部液箱有利于容納液體介質，確保液滴發(fā)電機裝置的連續(xù)運行。此外，它還收集使用過的液體介質以使液體泵更容易將其抽回到頂部液箱或首級液滴發(fā)電機以上的位置以確保波浪能轉換器的連續(xù)運行。

18、根據實施例，所述波浪能轉換器包括用于將液體介質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從首級液滴發(fā)電機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)電機是基于水滴撞擊具有平面結構的帶摩擦電荷的薄膜或表面。撞擊過程包括幾個步驟(液滴擴散、回縮和反彈)，并且需要較長的接觸時間(>10毫秒)才能完成。這限制了液滴發(fā)電機的工作頻率，因此也限制了其輸出功率。此外，液滴擴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)。為了解決這兩個關鍵技術難題，根據本發(fā)明的實施例，首級液滴發(fā)電機的摩擦電表面具有管狀結構以供所述液體介質的液滴通過在其上滑動與摩擦電表面嚙合，因此，當液體介質液滴落入管狀摩擦電表面時，它會在內管表面內滑動以使首級液滴發(fā)電機的產生電能。此外，與平面結構的摩擦電表面不同，在管狀摩擦電表面上，液滴可以只通過滑動運動穿過其表面而不需要平面結構中的撞擊過程。因此，液滴和摩擦電表面之間的接觸時間顯著減少，并且每個首級液滴發(fā)電機的輸出功率都可以增加。此外，由于避免了液滴擴散步驟，液滴發(fā)電機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)電機的垂直集成和水平擴展。次級液滴發(fā)電機可以直接放置在首級液滴發(fā)電機的正下方，以使首級液滴發(fā)電機和次級液滴發(fā)電機的管狀摩擦電表面形成連續(xù)的管。也就是說，一個連續(xù)的管狀摩擦電表面可用于制備多個液滴發(fā)電機。同時，管狀液滴發(fā)電機也利于水平擴展。由于每個液滴都限制在管內工作，相鄰液滴發(fā)電機的相鄰液滴之間沒有相互干擾，這種干擾在平面液滴發(fā)電機陣列中不可避免。管狀液滴發(fā)電機陣列也可以很容易地集成到液滴發(fā)電機裝置中，以連接頂部液箱和底部液箱。

20、根據實施例，所述首級液滴發(fā)電機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的液滴與管狀摩擦電表面的第二端口之間的內部壓力。因此，當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來回滑動。這種運動是有利的，因為每次液滴通過液滴發(fā)電機電極時，首級液滴發(fā)電機都會產生電能。液滴發(fā)電機電極可以是指液滴發(fā)電機中的一個組件，該組件捕獲一個或多個液體介質液滴與摩擦電表面嚙合時產生的電荷，以將動能轉化為電能。在本實施例中，至少有一個液滴可以通過滑動來與摩擦電表面嚙合。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、根據實施例，利用海浪使液體介質的液滴與首級液滴發(fā)電機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，隨著海浪的起伏，腔體內部的氣壓可以改變。當腔體內部氣壓增加時，與其相連的管狀摩擦電表面上的液滴被驅動在摩擦電表面上滑動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，從而允許海浪驅動液滴在管狀摩擦電表面內的滑動運動。液滴在管狀摩擦電表面上滑動可以意味著液滴在管內滑動。

22、本發(fā)明公開的第二個方面提供了一種海浪能轉換器。該海浪能轉換器包括工作水(或其他合適的液體介質)、浮子、水泵、包含多層液滴生成器和液滴發(fā)電機的工作箱，以及用于連接泵和工作箱的管道，以形成一個封閉的工作水系統(tǒng)。工作水(或其他合適的液體介質)的鹽或溶質濃度被優(yōu)化了，以最大限度地提高液滴發(fā)電機的性能。在運行過程中，浮子漂浮在海面上，海浪的上下起伏驅動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液滴生成器轉化為液滴，為所有層的液滴發(fā)電機提供動力，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，進行新的循環(huán)，以實現(xiàn)可持續(xù)的長期發(fā)電。

23、本發(fā)明具有幾個優(yōu)點：

24、(1)封閉的水循環(huán)系統(tǒng)確保了液滴發(fā)電機的可持續(xù)長期運行。

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)來優(yōu)化液滴發(fā)電機性能。

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)電機的液滴穩(wěn)定供應。

28、(5)液滴發(fā)電機垂直堆疊可達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)可以使用多級泵將水位提高到高于10米，或者液滴發(fā)電機的層數多于50層。

30、第二個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方面相關的內容。與第一個方面相關的實施例在很大程度上與第二個方面是相容的。除非另有明確說明，創(chuàng)新概念涉及所有特性的所有可能組合。

31、本發(fā)明由所附的獨立權利要求定義，實施例被列在所附的從屬權利要求中，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備的特定組件或所描述的方法的步驟，因為這樣的設備和方法可以有所不同。還應理解的是，本文中使用的術語僅用于描述特定實施例，而不是旨在進行限制。必須注意的是，在說明書和所附權利要求中使用提及的“一個單元”或“單元”可以包括多個設備，諸如此類。此外，“包括”、“包括”、“包含”等詞語和類似措辭并不排除其他要素或步驟。

32、附圖的簡要描述

33、以下對示例性實施例的說明性的和非限制性的詳細描述中對本發(fā)明進行了描述，并參照所附附圖，其中：

34、圖1-2是根據本發(fā)明的不同實施例列舉的波浪能轉換器的示意圖。

35、圖3是根據本公開實施例列舉的首級液滴發(fā)電機的示意圖。

36、圖4a-f是根據本公開實施例列舉的電源管理模塊的示意圖。

37、圖5-7是根據本公開的不同實施例列舉的波浪能轉換器的示意圖。

38、圖8是根據本公開實施例列舉的首級管狀液滴發(fā)電機的示意圖。

39、圖9-10是根據本公開的不同實施例列舉的波浪能轉換器示意圖。

40、圖11a-11b是液體泵的示意圖。

技術實現(xiàn)思路