阅读说明：本技术 一种球形纳米摩擦发电机单元及基于该发电机单元的网箱 (Spherical nanometer friction generator unit and net cage based on same ) 是由 刘恒序 李锦蓝 陈海龙 孔凡凯 郑雄波 刘鸣 闫锋 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明属于海洋发电及深海水产养殖技术领域,具体涉及一种球形纳米摩擦发电机单元及基于该发电机单元的网箱。本发明利用养殖网箱在海水中易受波浪振荡影响的特点,将球形纳米摩擦发电机单元安置于网箱网衣上,通过球形纳米摩擦发电机单元有效吸收低频波浪能,实现网箱养殖过程中的自供电,充分利用波浪能发电的同时可在一定程度上消减深海养殖网箱在恶劣环境下的振荡幅度,提高深海养殖网箱的稳定性。本发明的球形纳米摩擦发电机单元采用创新性双层结构,增大了纳米摩擦面积,且内部球壳通过安装转轴装置,可绕转轴自由转动,使内部球壳内层空间中的硅胶球在外部空间中硅胶球摩擦滚动的带动下滚动,进一步促进了纳米摩擦效果,提高了发电效率。(The invention belongs to the technical field of ocean power generation and deep sea aquaculture, and particularly relates to a spherical nano friction generator unit and a net cage based on the generator unit. According to the invention, by utilizing the characteristic that the aquaculture net cage is susceptible to wave oscillation in seawater, the spherical nano friction generator unit is arranged on the net cage, low-frequency wave energy is effectively absorbed by the spherical nano friction generator unit, self power supply in the net cage aquaculture process is realized, the wave energy is fully utilized to generate electricity, the oscillation amplitude of the deep sea aquaculture net cage in a severe environment can be reduced to a certain extent, and the stability of the deep sea aquaculture net cage is improved. The spherical nano friction generator unit adopts an innovative double-layer structure, the nano friction area is increased, the inner spherical shell can freely rotate around the rotating shaft by installing the rotating shaft device, and the silica gel ball in the inner layer space of the inner spherical shell is driven to roll by the friction rolling of the silica gel ball in the outer space, so that the nano friction effect is further promoted, and the generating efficiency is improved.)

一种球形纳米摩擦发电机单元及基于该发电机单元的网箱

技术领域

本发明属于海洋发电及深海水产养殖技术领域，具体涉及一种球形纳米摩擦发电机单元及基于该发电机单元的网箱。

背景技术

纳米材料：纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。利用纳米材料的特性，可以充分利用波浪能中的低频能量。

纳米摩擦发电机：将两种镀有金属电极的高分子聚合物薄膜贴合在一起组成器件,在外力作用下器件产生机械形变,导致两种聚合物膜之间发生相互摩擦,根据摩擦电极序列中极性较正的表层,从而形成电势差,而两个金属极作为发电机的电能输出端，通过静电感应可以在表面生成感应电荷，感应电荷在摩擦电电势驱动下流经外电路即可形成电流。

随着科技水平的飞速发展与人民生活水平的日益提高，人类对于海洋资源的开发利用不断加大。发展海水养殖业是保障优质蛋白供给,满足人民日益增长的营养饮食需求的基础。近年来，由于近海浅水网箱养殖的日益饱和导致鱼类品质下降,近海养殖水域生态环境面临严峻挑战。发展深海网箱养殖对于拓展养殖海域，减轻环境压力，提高海产品品质有着重要意义。

深海养殖网箱主要特点是离岸距离远，能源供给问题成为制约其自动化的重要原因。远距离输送电施工难度较大且成本高，相较之下，利用海洋能源(如波浪能)供电具有极大的优势。现有的波浪能发电装置多以液压传动配合电磁发电机为主,体型庞大，造价昂贵，安装及维修难度大；并且其发电过程中间环节复杂，普遍存在未能充分利用海况，波浪能利用效率低，发电功率小、不稳定的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供质量轻、在水波中运动阻力小且易于阵列化的一种球形纳米摩擦发电机单元。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括中空的外球壳和内球壳；所述的内球壳设置在外球壳内部，内球壳的上端与下端分别通过连接装置与外球壳连接；所述的连接装置位于外球壳和内球壳共同的轴线上，连接装置一端固定在外球壳内侧，另一端通过转轴装置与内球壳连接；所述的外球壳内侧、内球壳的外侧及内侧均涂有纳米摩擦材料涂层，在外球壳内侧与内球壳外侧之间设有第一摩擦球，在内球壳内部设有第二摩擦球。

本发明还可以包括：

所述的第一摩擦球和第二摩擦球均为硅胶球。

所述的第一摩擦球和第二摩擦球大小相同，半径略小于外球壳和内球壳的半径差。

本发明的目的还在于提供一种基于球形纳米摩擦发电机单元的网箱。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括网箱框架和双层网衣；所述的双层网衣包括内部网衣和外部网衣；所述的外部网衣的网眼大于内部网衣，外部网衣内部安置有电缆；所述的外部网衣的每个网结处设置有一个球形纳米摩擦发电机单元；所述的球形纳米摩擦发电机单元包括中空的外球壳和内球壳；所述的内球壳设置在外球壳内部，内球壳的上端与下端分别通过连接装置与外球壳连接；所述的连接装置位于外球壳和内球壳共同的轴线上，连接装置一端固定在外球壳内侧，另一端通过转轴装置与内球壳连接；所述的外球壳内侧、内球壳的外侧及内侧均涂有纳米摩擦材料涂层，在外球壳内侧与内球壳外侧之间设有第一摩擦球，在内球壳内部设有第二摩擦球。

本发明还可以包括：

所述的球形纳米摩擦发电机单元的外球壳与柔性绳索的一端连接，柔性绳索的另一端通过封闭式球型铰链与外部网衣的网结连接；所述的柔性绳索和封闭式球型铰链内部均设有电缆；所述的柔性绳索的长度略小于外部网衣网眼边长的1/2。

所述的第一摩擦球和第二摩擦球均为硅胶球。

所述的第一摩擦球和第二摩擦球大小相同，半径略小于外球壳和内球壳的半径差。

本发明的有益效果在于：

本发明利用养殖网箱在海水中易受波浪振荡影响的特点，将球形纳米摩擦发电机单元安置于网箱网衣上，通过球形纳米摩擦发电机单元有效吸收低频波浪能，实现网箱养殖过程中的自供电，充分利用波浪能发电的同时可在一定程度上消减深海养殖网箱在恶劣环境下的振荡幅度，提高深海养殖网箱的稳定性。本发明的球形纳米摩擦发电机单元采用创新性双层结构，增大了纳米摩擦面积，且内部球壳通过安装转轴装置，可绕转轴自由转动，使内部球壳内层空间中的硅胶球在外部空间中硅胶球摩擦滚动的带动下滚动，进一步促进了纳米摩擦效果，提高了发电效率。

相较传统的电磁发电机采集波浪能的方式，本发明采用阵列波浪能发电单元的方式，通过每个发电单元同时工作达到整体发电效果，可调整发电单元的数量，灵活便捷。其中，每个发电单元体积小、安装简单、拆卸方便，便于整体装置的检修。相较传统的电磁发电机采集波浪能的方式，本发明的球形纳米摩擦发电机单元结构简单、成本低，适应于海洋低频波浪环境，波浪能利用率高、发电效率高,且不与海水直接接触，使用寿命长、维修难度小。

附图说明

图1是本发明的一种基于球形纳米摩擦发电机单元的网箱整体结构示意图。

图2是本发明的一种球形纳米摩擦发电机单元的剖面图。

图3是本发明中球形纳米摩擦发电机单元与网衣连接的整体效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供了一种球形纳米摩擦发电机单元，并结合养殖网箱网衣，提供了实现自供电的一种基于球形纳米摩擦发电机单元的网箱。一种基于球形纳米摩擦发电机单元的网箱主要包括三部分：圆柱形网箱框架、双层网衣以及球形纳米摩擦发电机单元。所述的网箱框架由上下环状管与中部四条呈环形对称排布的竖杆焊接构成；所述的双层网衣由侧壁四片弧状双层网衣与网底构成；所述的球形纳米摩擦发电机单元为内置硅胶球的全封闭式球体结构，并与网衣通过绳索结合铰链的装置连接。本发明利用一种附着于网衣的多点式排布的球形摩擦纳米发电机结构采集波浪能，实现高效收集低频波与不规则波，并将波浪能转换为电能提供给养殖网箱监控系统。实现了能量的自供给与养殖过程中的自动控制。

所述的圆柱形网箱框架用于连接网衣并传输转化的电能。所述的双层网衣不仅起到传统网衣防止养殖生物逃脱的作用，还作为承载球形纳米摩擦发电机的载体与电力传输的载体。所述的球形纳米摩擦发电机单元为俘获波浪能发电的主体。

所述的网箱框架由上部环形管、中部四条圆柱形竖杆以及下部环形管构成；所述的双层网衣由侧壁四片弧状双层网衣与网底构成；所述的球形纳米摩擦发电机单元为内置硅胶球的全封闭式球体结构。

所述的网箱框架由上部圆环状管与中部四条呈对称排布的竖杆以及底部圆环状管焊接构成圆柱状结构，结构稳定且形成较大的养殖空间。所述的双层网衣，其侧网由内外两层网衣构成。其中内部普通网衣网眼较小，可有效防止养殖生物逃脱；外部发电网衣网眼较大，具有较强的柔韧性，可承载若干个球形纳米摩擦发电机，且内部可安置电缆，用于安装球形纳米摩擦发电机单元并传输所发电能。所述的球形纳米摩擦发电机单元，由内外两球壳形成两个空间，内置的两个硅胶球分别位于两空间内，并与纳米摩擦涂层相接触，所有的球形纳米摩擦发电机单元均位于外部网衣外侧。

一种球形纳米摩擦发电机单元，整体结构由两个大小不同的涂有纳米摩擦材料的中空球壳，两个大小相同的硅胶球，连接装置以及转轴装置构成。其中，半径较小的中空球壳通过连接装置安置于半径较大的球壳内部，连接装置由长度相同的两部分组成，位于内外两球壳中间层区域且均位于两球壳共同的轴线上，分别用于连接内外两球壳的上端与下端，从而形成内外球壳中间区域以及内部球壳内部区域两层均匀空间。所述的连接装置，其两部分连接特征均为，一端胶接于外部球壳内部的上端或下端，另一端连接于内部球壳上端或下端的转轴装置处，转轴装置与内部球壳的上端及下端胶接，内部球壳可绕转轴自由旋转。所述的两个大小相同的硅胶球分别位于内外两球壳中间层以及内部球壳内层，硅胶球大小略小于两球壳的半径差，可在内外两球壳中间层以及内部球壳内层自由滚动。所述的个大小不同的涂有纳米摩擦材料的中空球壳，其特征在于纳米摩擦材料涂层分别位于外部球壳内侧，内部球壳外侧以及内部球壳内侧。与分别位于内外两层区域的硅胶球充分摩擦。

每个球形纳米摩擦发电机单元通过绳索与铰链结合的装置安置于养殖网箱网衣上。其中，竖直方向排列若干个的球形纳米摩擦发电机单元为一发电小组，再由同一片弧状网衣上的若干个发电小组构成一个发电组。整体发电系统由四个发电组构成。并且每个发电单元独立工作。

外部发电网衣每个网结处安置封闭式球型铰链结构，与网结处网绳胶接。且该球型铰链结构胶接着一根可内置电缆的防水式柔性绳索，该柔性绳索的另一端胶接着一个球形纳米摩擦发电机单元。其中，球型铰链可带动柔性绳索大角度灵活扭动，用于增强球形纳米摩擦发电单元振荡效果；整体结构内部连通，且内置电缆，用于传输球形纳米摩擦发电机所发的电能。

网结处球型铰链末端与网衣网绳内置的电缆相连接，连接部分采用螺纹结合密封垫圈的结构，可有效保证装置的密闭性，同时便于球形纳米摩擦发电机的部分拆解与更换，利于发电装置的检查与维修。

防水式柔性绳既作为球形纳米摩擦发电机的锚定装置，又作为其电力传输载体装置。其长度略小于发电网衣网眼边长的1/2，可保证相邻网结所连接的球形纳米摩擦发电机单元之间不发生碰撞。

本发明利用潜水式网箱网衣在深海中易受波浪冲击而振荡的特点，将新型球形纳米摩擦发动机多点式阵列排布并结合于网衣上。随着海浪冲击，网衣带动附着其上的球形纳米摩擦发电机振荡，并将吸收的波浪能通过球形纳米摩擦发电机转换成电能。可实现低频波浪能的高效转换，并通过有效利用网箱结构达到以简单、便捷的发电装置实现养殖网箱自供电的效果。

本发明将海洋新能源采集技术应用于海洋养殖平台，利用养殖网箱在海水中易受波浪振荡影响的特点，将球形纳米摩擦发电机单元安置于网箱网衣上，通过球形纳米摩擦发电机单元有效吸收低频波浪能，为养殖网箱中装置(例如养殖网箱监控系统)供电，实现网箱养殖过程中的自供电，充分利用波浪能发电的同时可在一定程度上消减深海养殖网箱在恶劣环境下的振荡幅度，提高深海养殖网箱的稳定性。

本发明的球形纳米摩擦发电机单元增强了纳米摩擦发电效果，采用创新性双层结构，增大了纳米摩擦面积。且内部球壳通过安装转轴装置，可绕转轴自由转动。从而可使内部球壳内层空间中的硅胶球在外部空间中硅胶球摩擦滚动的带动下滚动，进一步促进了纳米摩擦效果，提高了发电效率。

相较传统的电磁发电机采集波浪能的方式，本发明采用阵列波浪能发电单元的方式，通过每个发电单元同时工作达到整体发电效果，可调整发电单元的数量，灵活便捷。其中，每个发电单元体积小、安装简单、拆卸方便，便于整体装置的检修。

相较传统的电磁发电机采集波浪能的方式，本发明的球形纳米摩擦发电机单元结构简单、成本低，适应于海洋低频波浪环境，波浪能利用率高、发电效率高,且不与海水直接接触，使用寿命长、维修难度小。

如图1所示，整体发电装置分为四个发电组。竖直方向排列若干个的球形纳米摩擦发电机单元为一发电小组，再由同一片弧状网衣上的若干个发电小组构成一个发电组。

如图2所示，纳米摩擦发电单元由内外两个球壳形成两个空间，两个大小相同的硅胶球分别位于两空间内。当球形纳米摩擦发电机随波浪运动时，外部空间内的硅胶球与位于两侧的外部球壳内侧纳米摩擦涂层以及内部球壳外侧的纳米摩擦涂层充分摩擦，并且带动内部空间的另一个硅胶球滚动，并与内部球壳内侧的纳米摩擦涂层充分摩擦，持续产生电能。

如图3所示，外部发电网衣每个网结处安置封闭式球型铰链结构，与网结处网绳胶接。该球型铰链结构胶接着一根防水式的柔性绳索，该柔性绳索的另一端胶接着一个球形纳米摩擦发电机。球型铰链可带动柔性绳索大角度灵活扭动，且整体结构内部连通，内置电缆，可传输球形纳米摩擦发电机所发的电能，并且使球形纳米摩擦发电机随着海浪振荡充分振荡，促使其内部经特殊处理的硅胶球与内壁涂料摩擦发电。依靠海浪运动，充分利用波浪能，源源不断产生电能。

如图3所示，网结处球型铰链末端与网衣网绳内置的电缆相连接，连接部分采用螺纹结合密封垫圈的结构，有效保证装置的密闭性，同时可实现球形纳米摩擦发电机的部分拆解与更换，利于发电装置的检查与维修。

一种基于球形纳米摩擦发电机单元的网箱的圆柱形网箱框架由上部环形管1-1、四条圆柱形竖杆1-2以及下部环形管1-3构成；所述的双层网衣由侧壁四片弧状双层网衣与网底构成；所述的球形纳米摩擦发电机单元为内置硅胶球的全封闭式球体结构。

所述的网箱框架由上部圆环状管与中部四条呈对称排布的竖杆以及底部圆环状管焊接构成圆柱状结构，结构稳定且形成较大的养殖空间。所述的双层网衣，其侧网由内外两层网衣构成。其中内部普通网衣2-1网眼较小，可有效防止养殖生物逃脱；外部发电网衣2-2网眼较大，网绳较粗，，具有较强的防水性与柔韧性，可承载若干个球形纳米摩擦发电机，且其内部安置电缆，用于安装球形纳米摩擦发电机单元并传输所发电能。所述的球形纳米摩擦发电机单元，由内外两球壳形成两个空间，内置的两个硅胶球分别位于两空间内，并与纳米摩擦涂层相接触所有的球形纳米摩擦发电机单元均位于外部网衣外侧。

一种球形纳米摩擦发电机单元，整体结构由两个大小不同的涂有纳米摩擦材料的中空球壳4-1、4-2，两个大小相同的硅胶球7-1、7-2，连接装置6-1以及转轴装置6-2构成。其中，半径较小的中空球壳4-2通过连接装置安置于半径较大的球壳4-1内部，连接装置6-1由长度相同的两部分组成，位于内外两球壳中间层区域且均位于两球壳共同的轴线上，分别用于连接内外两球壳的上端与下端，从而形成内外球壳中间区域A以及内部球壳内部区域B两层均匀空间。所述的连接装置，其两部分连接特征均为，一端胶接于外部球壳内部的上端或下端，另一端连接于内部球壳上端或下端的转轴装置6-2处，转轴装置6-2与内部球壳的上端及下端胶接，内部球壳可绕转轴自由旋转。所述的两个大小相同的硅胶球分别位于内外两球壳中间层A以及内部球壳内层B，硅胶球大小略小于两球壳的半径之差，可在内外两球壳中间层A以及内部球壳内层B自由滚动。所述的个大小不同的涂有纳米摩擦材料的中空球壳，其特征在于纳米摩擦材料涂层分别位于外部球壳内侧5-1，内部球壳外侧5-2以及内部球壳内侧5-3。

外部发电网衣每个网结处安置特殊的球型铰链8-1结构，与网结处网绳胶接。且该球型铰链结构胶接着一根结构特殊的柔性绳索8-2，该结构特殊的柔性绳索另一端胶接着一个球形纳米摩擦发电机。整体结构内置电缆，用于传输球形纳米摩擦发电机所发的电能，并且可使球形纳米摩擦发电机随海浪自由振荡，充分利用波浪能，并收集转换为电能。

外部发电网衣每个网结处安置封闭式球型铰链8-1结构，与网结处网绳胶接。且该球型铰链结构胶接着一根可内置电缆的防水式柔性绳索8-2，该柔性绳索的另一端胶接着一个球形纳米摩擦发电机单元。其中，球型铰链可带动柔性绳索大角度灵活扭动，用于增强球形纳米摩擦发电单元振荡效果，从而充分利用波浪能，并收集转换为电能；整体结构内部连通，且内置电缆，可将球形纳米摩擦发电机单元所发的电能传输至发电网衣，并通过汇集电能为养殖网箱监控系统供电。

本发明在波浪作用下，附着于发电网衣上的多点式球形纳米摩擦发电机随波浪振荡而摆动，内部经特殊处理的硅胶球与中空球壳内壁的涂料产生相对摩擦运动，从而将低频、不规则的波浪能转化为电能。当阵列的若干个球形纳米摩擦发电机一起工作时，将产生较为稳定的电流，为养殖网箱中装置(例如养殖网箱监控系统)供电，使养殖网箱装置实现自供电，趋于自动化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。