[发明专利]一种水流能纳米发电装置、自驱动式传感器及收集系统

说明书

本发明涉及一种水流能纳米发电装置、自驱动式传感器及收集系统。该发电装置包括：封装组件、至少两组摩擦纳米发电单元、阻流单元一以及气体包。封装组件包括封装层一和封装层二。封装层一与封装层二之间设置有密封的腔体，且二者均为柔性可回弹式结构。两组摩擦纳米发电单元设置在腔体内，并沿腔体的延伸方向间隔设置。阻流单元一的数量与摩擦纳米发电单元对应。每组阻流单元一包括对称设置且相互平行的两根阻流体一。阻流体一固定连接在封装层一的上表面，并在封装层一上形成对应的刚性区，由此构成刚柔耦合变形结构。该发电装置有效提升了电能输出性能，并且整体结构不仅简单易于集成制备，还具有较高的可靠性。

技术领域

本发明涉及水流能发电技术领域，特别是涉及一种水流能纳米发电装置、自驱动式传感器及收集系统。

背景技术

河流、湖泊和海洋中存在不同形式的水流，并且蕴藏着巨大的能量未被利用。目前，基于电磁发电机的大型涡轮机可以收集大规模水流能并转化为电能。但对于水流速度要求较高，而且通常需要筑坝提高水位，存在成本高、可靠性低等问题。

近些年，王中林院士提出摩擦纳米发电技术。其基本原理是利用两表面(其中至少一个为绝缘材料)摩擦或接触生成静电荷，当接触表面分离时，电势差驱动绝缘表面下感应电极中的自由电荷定向移动，从而收集环境中的机械能，并转化为电能。摩擦纳米发电技术尤其适用于收集低频运动的机械能，具有结构简单、易制备、成本低、材料选择丰富等优势。

基于此，相关技术人员将摩擦纳米发电技术应用于水流能收集领域，开发出基于摩擦纳米发电机的叶片式结构。此种方式取得了不错的效果，可以有效地响应单向水流，但是存在结构普遍较大、复杂、难以集成等问题。

因此，有学者将目光转向涡激振动，涡激振动是一种常见的流致振动现象。当流体流过钝型物体(阻流体)时，在其两侧会交替产生漩涡，漩涡的交替脱落将在阻流体上施加振荡升力和阻力，导致结构振动。现有的基于涡激振动的旗状摩擦纳米发电机可以收集河/海流能量，但电能输出相对有限，这进一步限制了摩擦纳米发电技术在水流能收集领域的发展。

发明内容

基于此，有必要针对现有的摩擦纳米发电机应用于水流能收集时存在输出性能有限、结构负载且难以集成的技术问题，本发明提供一种水流能纳米发电装置、自驱动式传感器及收集系统。

本发明公开一种水流能纳米发电装置，其包括：封装组件、至少两组摩擦纳米发电单元、阻流单元一以及气体包。

封装组件包括相互匹配的封装层一和封装层二。封装层一叠置在封装层二的上表面，且二者之间设置有密封的腔体。封装层一和封装层二均为柔性可回弹式结构。

两组摩擦纳米发电单元设置在腔体内，并沿腔体的延伸方向间隔设置。摩擦纳米发电单元用于将水流中的机械能转化为电能。

阻流单元一的数量与摩擦纳米发电单元对应。每组阻流单元一包括对称设置且相互平行的两根阻流体一。阻流体一固定连接在封装层一的上表面，并在封装层一上形成对应的刚性区，由此构成刚柔耦合变形结构。当水流穿过阻流单元一时，两根阻流体一产生涡激振动并带动封装层一上对应的柔性位置产生往复弹性形变，实现封装层一与封装层二之间的接触分离，进而为对应的摩擦纳米发电单元提供机械能。

气体包填充在腔体内并能在两组摩擦纳米发电单元处交换移动。

其中，往复弹性形变包括两种状态：上凸式形变和下凹式形变。当其中一组阻流单元一带动封装层一上的其中一处对应位置产生下凹式形变时，气体包受到挤压并移动至另外一组阻流单元一对应的摩擦纳米发电单元处，进而使封装层一上的另外一处对应位置产生上凸式形变，反之亦然。由此实现两组摩擦纳米发电单元处的封装层一与封装层二产生交替式接触分离。

作为本发明的进一步改进，封装层一和封装层二均采用硅胶材质，二者的周向通过胶水粘接，由此形成腔体。