CN110725773B - 水下能量收集装置及水下作业设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下能量收集装置及水下作业设备。该水下能量收集装置包括：随动部，包括外置叶片、连接杆及内置拨片，外置叶片和内置拨片分别设置于机体外部和内部，内置拨片通过连接杆与外置叶片连接，外置叶片在外力作用下运动能够带动内置拨片运动；发电部，包括呈折叠状设置的基底，基底的一端设置于内置拨片，基底的另一端设置于机体，基底具有至少一个折叠单元，每个折叠单元内设置有摩擦发电单元，内置拨片运动能够带动基底伸缩，随基底的伸缩摩擦发电单元产生电输出。本发明的水下能量收集装置，解决了现有的能量收集手段在水下应用难度大的问题。

Description

水下能量收集装置及水下作业设备

技术领域

本发明涉及水下能量收集技术领域，尤其涉及一种水下能量收集装置及水下作业设备。

背景技术

面对海底丰富的自然资源、海底光缆以及海洋工程建设带来的巨大经济利益，迫切需要对海洋中水下各种各样的相关信息进行充分的了解，因此，各种各样的水下探测器及水下滑翔机器人被设计出来用于满足海底资源开发、海底光缆的检测与维修以及深海工程建设的需求。

然而这些探测器和机械人都是依靠自身携带的电池在水下工作，由于电池所储存的电量有限进而导致它们只能在水下进行短暂的工作或者以间断性工作模式来延长工作时间之后彻底废弃。与此同时，在水下蕴藏着丰富的蓝色能源，例如涌浪能和海流能，这些为水下探测器获得持续且充足的能量提供了无限的潜力。因此，为了实现长期和实时的水下探测，水下探测器在水下进行原位的能量收集将是至关重要的途径之一。

现有的能量收集技术在水下应用存在较大难度，例如，太阳能电池和温差发电技术很明显不可能在黑暗和低温的水下进行工作，此外，由于水下探测器为了始终保持自身在水中处于悬浮状态而需要极其严格控制自身的重量，故而电磁发电机和压电发电机由于笨重的结构也很难集成到水下探测上用于水下能量的收集。

发明内容

本发明实施例提供一种水下能量收集装置及水下作业设备，解决了现有的能量收集手段在水下应用难度大的问题。

一方面，本发明实施例提出了一种水下能量收集装置，包括：随动部，包括外置叶片、连接杆及内置拨片，外置叶片和内置拨片分别设置于机体外部和内部，内置拨片通过连接杆与外置叶片连接，外置叶片在外力作用下运动能够带动内置拨片运动；发电部，包括呈折叠状设置的基底，基底的一端设置于内置拨片，基底的另一端设置于机体，基底具有至少一个折叠单元，每个折叠单元内设置有摩擦发电单元，内置拨片运动能够带动基底伸缩，随基底的伸缩摩擦发电单元产生电输出。

根据本发明实施例的一个方面，摩擦发电单元包括在折叠单元内沿伸缩方向相向设置的第一摩擦电极和第二摩擦电极，第一摩擦电极与第二摩擦电极随基底的伸缩而相互接触或分离，并在相互接触过程中发生表面电荷转移。

根据本发明实施例的一个方面，机体设置有限位槽，连接杆穿过限位槽而连接外置叶片和内置拨片，外置叶片在外力作用下能够在限位槽的延伸方向上摆动，以能够带动内置拨片在限位槽的延伸方向上摆动。

根据本发明实施例的一个方面，机体设置有运动降维部，运动降维部与连接杆的位置匹配，用于限制外置叶片的运动方向。

根据本发明实施例的一个方面，机体设置有限位孔，连接杆穿过限位孔而连接外置叶片和内置拨片，外置叶片在外力作用下能够绕限位孔的轴线转动，以能够带动内置拨片绕限位孔的轴线转动。

根据本发明实施例的一个方面，基底通过挡板设置于机体，内置拨片运动能够带动基底相对于挡板伸缩。

根据本发明实施例的一个方面，基底的数量为两个，内置拨片设置于两个基底之间，内置拨片运动能够交替带动两个基底伸缩。

根据本发明实施例的一个方面，内置拨片的形状为楔形锥状，内置拨片为中空结构。

根据本发明实施例的一个方面，第一摩擦电极包括层叠设置的第一摩擦层及第一电极层，第一摩擦层通过第一电极层设置于折叠单元内，或者，第一摩擦电极包括第一摩擦层；第二摩擦电极包括层叠设置的第二摩擦层及第二电极层，第二摩擦层通过第二电极层设置于折叠单元内；第一摩擦层与第二摩擦层沿伸缩方向相向设置，第一摩擦层与第二摩擦层随基底的伸缩而相互接触或分离，并在相互接触过程中发生表面电荷转移；其中，第一摩擦层的材料为具有电正性的材料，第二摩擦层的材料为具有电负性的材料，基底的材料为绝缘柔性材料。

另一方面，本发明实施例提出了一种水下作业设备，包括如前述的水下能量收集装置。

本发明实施例提供的水下能量收集装置，外置叶片在涌浪或海流的作用下运动，通过连接杆带动内置拨片运动，内置拨片进而带动折叠状设置的基底伸缩，伴随着基底的伸缩，折叠单元内沿伸缩方向相向设置的第一摩擦电极和第二摩擦电极能够相互接触并产生电输出，将涌浪能和海流能转化为电能，连接电池或用电器后能够为其提供电能，可以在水下持续地进行涌浪能和海流能的收集，为水下设备供电，解决了现有的能量收集手段在水下应用难度大的问题，进而解决了水下设备对电池依耐性高以及由此衍生的多种问题，并且随动部随涌浪或海流而运动，能够减轻暗流对水下设备的扰动，增强水下设备的平衡性及稳定性，大幅提高水下设备在水下复杂环境的适应能力和安全性能，此外，容易集成到现有的水下设备上，适用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的水下能量收集装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的水下能量收集装置的发电部的结构示意图。

图3为本发明实施例的水下能量收集装置的另一结构示意图。

图4a及图4b为本发明实施例的水下能量收集装置的内置拨片的几何设计示意图。

图5a、图5b及图5c为本发明实施例的水下能量收集装置的涌浪能收集原理示意图。

图6为本发明实施例的水下能量收集装置的海流能收集原理示意图。

图7a、图7b及图7c分别为本发明实施例的水下能量收集装置具备一个折叠单元时的输出电量、电流及电压测试线性图。

图8a、图8b及图8c分别为本发明实施例的水下能量收集装置具备四个折叠单元时的输出电量、电流及电压测试线性图。

图9a、图9b及图9c分别为本发明实施例的水下能量收集装置具备四个折叠单元时的累计电荷、电阻匹配峰值功率及充电容测试线性图。

附图中：

101-外置叶片，102-连接杆，103-内置拨片；

201-第一摩擦电极，202-第二摩擦电极，203-基底；

301-限位杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“内”、“外”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1及图2，本发明实施例的水下能量收集装置，包括：随动部，包括外置叶片101、连接杆102及内置拨片103，外置叶片101和内置拨片103分别设置于机体外部和内部，内置拨片103通过连接杆102与外置叶片101连接，外置叶片101在外力作用下运动能够带动内置拨片103运动；发电部，包括呈折叠状设置的基底203，基底203的一端设置于内置拨片103，基底203的另一端设置于机体，基底203具有至少一个折叠单元，每个折叠单元内设置有摩擦发电单元，内置拨片运动能够带动基底203伸缩，随基底203的伸缩摩擦发电单元产生电输出。本实施例的外置叶片101在涌浪或海流的作用下运动，通过连接杆102带动内置拨片103运动，内置拨片103进而带动折叠状设置的基底203伸缩，伴随着基底203的伸缩，折叠单元内沿伸缩方向相向设置的第一摩擦电极201和第二摩擦电极202能够相互接触并产生电输出，将涌浪能和海流能转化为电能，连接电池或用电器后能够为其提供电能，可以在水下持续地进行涌浪能和海流能的收集，为水下设备供电，解决了现有的能量收集手段在水下应用难度大的问题，进而解决了水下设备对电池依耐性高以及由此衍生的多种问题，并且随动部随涌浪或海流而运动，能够减轻暗流对水下设备的扰动，增强水下设备的平衡性及稳定性，大幅提高水下设备在水下复杂环境的适应能力和安全性能，此外，水下设备壳体即可作为本装置的机体，适用范围广，容易集成到现有的水下设备上。

在本实施例中,本装置可以持续地收集海底的涌浪能和海流能，为用电器提供电能，如为照明装置提供电能，进而能够为水下摄像装置提供照明环境以获取水下高清照片和视频；可以通过与其他储能装置，以及传感器、推进装置、信号发射装置、其他电子设备、其他机械设备等技术模块相结合组成自供电系统，用于实现长期和实时的水下探测、远距离信号传输等；还可以用于协助探测器独立完成水下救援、水下设备安装等重要任务。

在本实施例中，外置叶片101能够起到减摇作用，可以较好地适应水下高压、复杂乱流的特殊环境，进而能够提高水下设备在水下的安全性能，保证水下设备在水下长久、安全地工作；同时，还可以较轻易地进行机械传动，将外部的水下能量传递给内置拨片103，以驱动发电部进行水下能量的收集。

作为一个可选实施例，摩擦发电单元包括在折叠单元内沿伸缩方向相向设置的第一摩擦电极201和第二摩擦电极202，第一摩擦电极201与第二摩擦电极202随基底203的伸缩而相互接触或分离，并在相互接触过程中发生表面电荷转移。

在本实施例中，具备折叠状基底203的发电部，在随动部的带动下，第一摩擦电极201与第二摩擦电极202基于摩擦起电和静电感应原理发电，具有优越的电力输出性能，且制备简单，可做到体积小、质量轻，易于集成到现有的水下设备上，能够在有限体积内大幅度提高能量收集效率，适于蓝色能源的大规模收集。

作为一个可选实施例，机体设置有限位槽，连接杆102穿过限位槽而连接外置叶片101和内置拨片103，外置叶片101在外力作用下能够在限位槽的延伸方向上摆动，以能够带动内置拨片103在限位槽的延伸方向上摆动。

本实施例的限位槽限制外置叶片101在外力作用下的运动方向，将外置叶片101的运动限定为在限位槽的延伸方向上、下摆动，从而内置拨片103的运动也被限制为摆动，基底203沿内置拨片103的摆动方向设置，在内置拨片103的摆动作用下基底203伸缩,发电部发电。

作为一个可选实施例，限位槽内设置有密封部，密封部为柔性材质。

本实施例的密封部的设置可以起到严密的密封性，防止水由限位槽进入机体内部而对内部的设备造成破坏，密封部为柔性材质，既能将外置叶片101连接于机体，又可以保证外置叶片101在水中良好的运动性能；密封部的材质可选为硅胶、橡胶等。

作为一个可选实施例，机体设置有运动降维部，运动降维部与连接杆102的位置匹配，用于限制外置叶片101的运动方向。

本实施例的运动降维部，包括分别设置于连接杆102两侧的两个限位杆301，两个限位杆301的间距与连接杆102的直径相匹配，对外置叶片101的运动进行降维，将外置叶片101的运动限制为摆动，限位杆301的延伸方向可与限位槽的延伸方向平行，在限位槽限制外置叶片101的运动方向的基础上，运动降维部进一步限制外置叶片101的运动方向。

结合图3，作为一个可选实施例，机体设置有限位孔，连接杆102穿过限位孔而连接外置叶片101和内置拨片103，外置叶片101在外力作用下能够绕限位孔的轴线转动，以能够带动内置拨片103绕限位孔的轴线转动。

本实施例的限位孔限制外置叶片101在外力作用下的运动方向，将外置叶片101的运动限定为绕限位孔的轴线转动，从而内置拨片103的运动也被限制为绕限位孔的轴线向上、向下转动，基底203沿内置拨片103的转动方向设置，在内置拨片103的转动作用下基底203伸缩，发电部发电。

作为一个可选实施例，基底203通过挡板设置于机体，内置拨片103运动能够带动基底203相对于挡板伸缩。

本实施例的基底203的一端连接于内置拨片103，基底203的另一端通过挡板连接于机体，挡板作为基底203相对于机体的固定件，挡板同时能够作为内置拨片103的限位件，进而能够作为外置叶片101的限位件；挡板限制内置拨片103的震动角度，范围可选为0°-90°。

作为一个可选实施例，基底203的数量为两个，内置拨片103设置于两个基底203之间，内置拨片103运动能够交替带动两个基底203伸缩。

本实施例的基底203的数量为两个，分别设置于内置拨片103的上下两侧，内置拨片103上下摆动或上下转动能够交替带动上下两个基底203伸缩；对应地，挡板的数量也为两个，分别将两个基底203连接于机体。

作为一个可选实施例，内置拨片103的形状为楔形锥状，内置拨片103为中空结构。

本实施例的内置拨片103的形状为楔形锥状，其纵截面形状为梯形，且内置拨片103为空心设计，能够提高能量收集效率。

作为一个可选实施例，第一摩擦电极201包括层叠设置的第一摩擦层及第一电极层，第一摩擦层通过第一电极层设置于折叠单元内，或者，第一摩擦电极201包括第一摩擦层，第一摩擦层直接设置于折叠单元内；第二摩擦电极202包括层叠设置的第二摩擦层及第二电极层，第二摩擦层通过第二电极层设置于折叠单元内；第一摩擦层与第二摩擦层沿伸缩方向相向设置，第一摩擦层与第二摩擦层随基底203的伸缩而相互接触或分离，并在相互接触过程中发生表面电荷转移；其中，第一摩擦层的材料为具有电正性的材料，第二摩擦层的材料为具有电负性的材料，基底的材料为绝缘柔性材料；第二电极层与基底203之间设置有泡沫材质的软接触层，帮助第一摩擦层与第二摩擦层充分接触。

本实施例的第一摩擦层可为铜箔、铝箔等具有电正性的材料，第一摩擦层可同时作为摩擦层和电极层使用，第二摩擦层可为FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)、PTFE(聚四氟乙烯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PVC(聚氯乙烯)等电负性强的材料，基底203可为Kapton(聚酰亚胺薄膜材料)；由于材料的电负性不同，伴随着基底203的伸缩，第一摩擦层和第二摩擦层相互接触并摩擦，第二摩擦层会在表面积累负摩擦电荷，根据电荷守恒定律，第一摩擦层会在表面积累正摩擦电荷，第一电极层和第二电极层(当不具备第一电极层时，为第一摩擦层和第二电极层)接入电路后能够为电池或用电器提供电能。

在本实施例中，可选地，全部折叠单元内的第一摩擦电极201并联连接，全部折叠单元内的第二摩擦电极202并联连接，再与电池或用电器连接组成回路，为电池或用电器供电。

本实施例的外置叶片101的形状可选为扇形、三角形、剪刀形、剑形等，或者可效仿鱼鳍或鱼尾形状，长度可选为0.5-10mm，材料可选为亚克力、聚乙烯板、聚酰亚胺板等；楔形锥状的内置拨片103，其上底尺寸可选为0-200mm，下底尺寸可选为20-1000mm，高可选为20-3000mm，倾斜角度可选为0°-90°，材料可选为透明树脂、尼龙等；连接杆102的直径可选为0.5-50mm，长度可选为50-1000mm，材料可选为不锈钢、铜、铝等；运动降维部的限位杆301，其直径可选为0.5-50mm，长度可选为50-1000mm；第二摩擦层的厚度可选为5-200μm；基底203的厚度可选为5-200μm；软接触层的厚度可选为0.1-5mm；折叠单元的尺寸可略小于内置拨片103斜面的尺寸。

关于楔形锥状的内置拨片103的几何设计，可参考如下：

如图4a及图4b所示，设楔形锥上底为a、下底为b、高为c，旋转中心到楔形锥的距离为d、楔形锥的倾斜角为θ、基底203的厚度为j，此外，在确保楔形锥与下方挡板之间面平行时，旋转中心到挡板的距离为L、旋转中心到基底203的距离为e、楔形锥中线和斜边交点到旋转中心的距离为f，根据相应的几何关系可以得到如下数学关系：

e＝fsinθ (2)

L＝e+j (5)

内置拨片103的精确的几何设计，保证基底203收缩时第一摩擦电极201与第二摩擦电极202能够良好面贴合，发电量更大。

同时，内置拨片103的空心设计，以及运动降维部的设置，加上发电部质量轻、体积小及高输出性能的优点，均提高了装置整体的能量收集效率，实现了水下能量的高效收集。

关于本发明实施例的水下能量收集装置收集涌浪能的原理，如图5a、图5b及图5c所示，首先本装置处于一个无涌浪的环境中，内置拨片103处于向上状态，此时内置拨片103上方的折叠单元内的第一摩擦电极201和第二摩擦电极202相接触，而下方的折叠单元内的第一摩擦电极201和第二摩擦电极202相分离；当一个涌浪到达外置叶片101的位置时，外置叶片101将随着涌浪上升，并上升到最大位置，而内置拨片103下落到最大位置，进而驱动上方的折叠单元内的第一摩擦电极201和第二摩擦电极202不断分离到最大位置，同时驱动下方的折叠单元内的第一摩擦电极201和第二摩擦电极202不断靠近并充分接触，此过程产生两个对应的电流；当涌浪流过外置叶片101，外置叶片101由于重力作用将向下运动，而内置拨片103向上运动并返回到起始状态，上方的折叠单元内的第一摩擦电极201和第二摩擦电极202不断靠近并最终充分接触，而下方的折叠单元内的第一摩擦电极201和第二摩擦电极202不断分离到最大位置，此过程产生相应的电子流动；随着涌浪不断流过外置叶片101，外置叶片101持续地上下摆动，本装置可以持续地进行涌浪能的收集，持续地发电；可以理解，上述的上下摆动也可为左右摆动，即外置叶片101在水流冲击作用下进行左右摇摆，进而带动发电部发电，实现海流能量的收集。

同时，本发明实施例的水下能量收集装置还可以对海流能进行收集，如图6所示，当水流通过外置叶片101时，由于外置叶片101上方水压变小，会使外置叶片101受到一个向上的升力，从而带动发电部的基底203伸缩，进行海流能量的收集。

关于本发明实施例的水下能量收集装置的相关测试结果，图7a、图7b、图7c分别为具备一个折叠单元时的输出电量、电流、电压测试线性图，图8a、图8b、图8c分别为具备四个折叠单元时的输出电量、电流、电压测试线性图，图9a、图9b、图9c分别为具备四个折叠单元时的累计电荷、电阻匹配峰值功率、充电容测试线性图，反应了在不同测试方式下本装置的输出性能；测试表明，本装置具备一个折叠单元在测试中实现了440nC电荷转移量，60μA短路电流，以及1000V的开路电压；随着折叠单元的增加，本装置的输出性能不断增加,具备四个折叠单元在测试中实现了2.2μC最大电荷转移量，265μA短路电流，1200V开路电压，以及40mW的峰值功率输出，此外，测试也表明本装置可以实现快速的电荷累计，以及为电容器进行快速充电进而实现能量存储的功能，为水下设备实现原位的能量收集，进而实现自供电能够起到极大的推动作用。

本发明实施例还提供一种水下作业设备，包括上述实施例的水下能量收集装置，水下作业设备的外壳作为水下能量收集装置的机体，水下能量收集装置可设置于水下作业设备的侧部、顶部及底部；水下作业设备根据用途区分可为水下探测设备、水下维修设备等。

本实施例的水下作业设备，能够在水下持续地收集海流能量，实现自供电，从而能够降低对电池的依耐性，支持自身的功能模块在水下环境长期工作，如长期且实时地进行水下探测、远距离信号传输，以及完成水下救援、水下设备安装等。

本领域内的技术人员应明白，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种水下能量收集装置，其特征在于，包括：

随动部，包括外置叶片、连接杆及内置拨片，所述外置叶片和所述内置拨片分别设置于机体外部和内部，所述内置拨片通过所述连接杆与所述外置叶片连接，所述外置叶片在外力作用下运动能够带动所述内置拨片运动；

发电部，包括呈折叠状设置的基底，所述基底的一端设置于所述内置拨片，所述基底的另一端设置于所述机体，所述基底具有至少一个折叠单元，每个所述折叠单元内设置有摩擦发电单元，所述内置拨片运动能够带动所述基底伸缩，随所述基底的伸缩所述摩擦发电单元产生电输出。

2.根据权利要求1所述的水下能量收集装置，其特征在于，所述摩擦发电单元包括在所述折叠单元内沿伸缩方向相向设置的第一摩擦电极和第二摩擦电极，所述第一摩擦电极与所述第二摩擦电极随所述基底的伸缩而相互接触或分离，并在相互接触过程中发生表面电荷转移。

3.根据权利要求1所述的水下能量收集装置，其特征在于，所述机体设置有限位槽，所述连接杆穿过所述限位槽而连接所述外置叶片和所述内置拨片，所述外置叶片在外力作用下能够在所述限位槽的延伸方向上摆动，以能够带动所述内置拨片在所述限位槽的延伸方向上摆动。

4.根据权利要求1或3所述的水下能量收集装置，其特征在于，所述机体设置有运动降维部，所述运动降维部与所述连接杆的位置匹配，用于限制所述外置叶片的运动方向。

5.根据权利要求1所述的水下能量收集装置，其特征在于，所述机体设置有限位孔，所述连接杆穿过所述限位孔而连接所述外置叶片和所述内置拨片，所述外置叶片在外力作用下能够绕所述限位孔的轴线转动，以能够带动所述内置拨片绕所述限位孔的轴线转动。

6.根据权利要求1所述的水下能量收集装置，其特征在于，所述基底通过挡板设置于所述机体，所述内置拨片运动能够带动所述基底相对于所述挡板伸缩。

7.根据权利要求1所述的水下能量收集装置，其特征在于，所述基底的数量为两个，所述内置拨片设置于两个所述基底之间，所述内置拨片运动能够交替带动两个所述基底伸缩。

8.根据权利要求1所述的水下能量收集装置，其特征在于，所述内置拨片的形状为楔形锥状，所述内置拨片为中空结构。

9.根据权利要求2所述的水下能量收集装置，其特征在于，所述第一摩擦电极包括层叠设置的第一摩擦层及第一电极层，所述第一摩擦层通过所述第一电极层设置于所述折叠单元内，或者，所述第一摩擦电极包括第一摩擦层；

所述第二摩擦电极包括层叠设置的第二摩擦层及第二电极层，所述第二摩擦层通过所述第二电极层设置于所述折叠单元内；

所述第一摩擦层与所述第二摩擦层沿伸缩方向相向设置，所述第一摩擦层与所述第二摩擦层随所述基底的伸缩而相互接触或分离，并在相互接触过程中发生表面电荷转移；

其中，所述第一摩擦层的材料为具有电正性的材料，所述第二摩擦层的材料为具有电负性的材料，所述基底的材料为绝缘柔性材料。

10.一种水下作业设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的水下能量收集装置。

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