专利摘要

公开了一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置及发电方法，发电装置中，第一腔室顶部为高透光壁面，侧面与海水开放连通，并设有浸入海水的第一电极；第二腔室包括封闭且不透光壁面，并设有浸入海水的第二电极；外电路连接所述第一电极和第二电极，产生光电泊效应的复合纳米薄膜包括阳离子选择性通道，复合纳米薄膜靠近第一腔室的第一侧经由太阳光照射生成跨膜电势差，基于波浪产生的压力差和所述跨膜电势差驱动，海水中的阳离子经由阳离子选择性通道从第一腔室定向迁移至第二腔室而形成离子电流，外电路电子从第一电极流向第二电极形成电流。

权利要求

1.一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置，漂浮于海水水面的发电装置包括，

第一腔室，其顶部为高透光壁面，侧面与海水开放连通，并设有浸入海水的第一电极；

第二腔室，其包括封闭且不透光壁面，并设有浸入海水的第二电极；

外电路，其连接所述第一电极和第二电极，所述外电路包括开关、蓄电池、电流测量单元或电压测量单元，

产生光电泊效应的复合纳米薄膜，其包括阳离子选择性通道，其中，所述复合纳米薄膜靠近第一腔室的第一侧经由太阳光照射生成跨膜电势差，基于波浪产生的压力差和所述跨膜电势差驱动，海水中的阳离子经由阳离子选择性通道从第一腔室定向迁移至第二腔室而形成离子电流，外电路电子从第一电极流向第二电极形成电流，所述阳离子选择性通道为非对称结构，所述非对称结构在所述第一侧到靠近第二腔室的第二侧方向上通道尺寸为逐渐增大，跨膜电势差处于预定范围时，阳离子选择性通道变窄到预定阈值范围内，其中，阳离子选择性通道内仅通过阳离子。

2.如权利要求1所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置，其中，所述阳离子选择性通道具有表层带负电荷的表层。

3.如权利要求1所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置，其中，所述阳离子选择性通道包括锥形孔构成的非对称结构，朝向第一腔室的通道直径为2-10nm，朝向第二腔室的通道直径为15-30nm。

4.如权利要求1所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置，其中，所述复合纳米薄膜由氮化碳或其衍生物制成，厚度不超过500mm。

5.如权利要求1所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置，其中，所述复合纳米薄膜包括在垂直方向上均匀分布的多个阳离子选择性通道。

6.如权利要求1所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置，其中，所述第一腔室的所有壁面均由完全透光材料制成。

7.如权利要求1所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置，其中，多个所述发电装置经由外电路串联以增大电压输出，或多个所述发电装置经由外电路并联以增大电流输出。

8.一种权利要求1-7中任一项所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的发电方法，其包括以下步骤，

第一步骤，太阳光透过第一腔室照射复合纳米薄膜的第一侧生成跨膜电势差，

第二步骤，波浪经由与海水开放连通的第一腔室的侧面在发电装置中产生压力差，

第三步骤，基于波浪产生的压力差和所述跨膜电势差驱动，海水中的阳离子经由阳离子选择性通道从第一腔室定向迁移至第二腔室而形成离子电流，外电路电子从第一电极流向第二电极形成电流。

说明书

技术领域

本发明涉及发电技术领域，特别是一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置及发电方法。

背景技术

海岛波浪能和太阳能分布范围广、能量密度高、蕴藏量大，依靠海洋波浪能和太阳能发电可节约海岛陆地面积，是富有潜力的海岛可再生能源发电方式之一。海岛天气条件错综复杂，在波浪能欠缺的晴好天气下，太阳能资源通常丰富；相反，在太阳能不足的风雨天气下，波浪能往往愈加强烈。目前，海洋波浪能发电系统多采用动力装置将波浪能转化成机械能，再利用传动机构驱动发电机发电。如专利US20200095982A1通过在单桩支撑结构基础上同时设置风能转换器，波浪能转换器和水平轴向潮汐能转换器，建立了一种基于单桩基础的风能-波能-潮汐能集成发电系统。但是此类系统装置结构复杂且尺寸匹配要求高，极大限制了发电效率。此外，海岛环境下空气湿润且常伴有雨雾天气，导致海岛太阳能光伏发电存在严重的间歇性和波动性，并且会引起太阳能光伏板面结晶，大幅降低光伏能量转换效率，因此太阳能光伏发电技术也不完全适用于海岛能源供给的特殊需求。目前亟待发展能效高、稳定性强的海岛可再生清洁能源自供给发电系统。

以电解液盐度差、流体压力差或其他形式的外部能量输入作为源动力，驱动离子在纳米通道内选择性定向迁移而形成离子电流，可将机械能、化学能或其他能量直接转化成电能，这种能量转换方式即离子电渗发电，具有能量转换效率高、系统结构简单、无噪声等优点，是海洋“蓝色能源”利用的前沿热点研究领域。如专利US20180353906A1设计了一种利用氧化钛纳米流体膜两侧的盐度梯度发电的装置，利用高浓度电解质通过膜内纳米通道扩散迁移至低浓度侧而形成的离子电流实现发电。然而海岛淡水资源匮乏，无法提供离子自发扩散及电渗发电所需的电解液盐度梯度。以可再生清洁能源作为源动力驱动离子迁移已成为实现海岛离子电渗发电的关键。

背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置及发电方法，形成不同形式清洁能源的高效互补利用，建立高能量密度和高转换效率的海岛清洁能源自供给系统。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置，漂浮于海水水面的发电装置包括，

第一腔室，其顶部为高透光壁面，侧面与海水开放连通，并设有浸入海水的第一电极；

第二腔室，其包括封闭且不透光壁面，并设有浸入海水的第二电极；

外电路，其连接所述第一电极和第二电极，

产生光电泊效应的复合纳米薄膜，其包括阳离子选择性通道，其中，所述复合纳米薄膜靠近第一腔室的第一侧经由太阳光照射生成跨膜电势差，基于波浪产生的压力差和所述跨膜电势差驱动，海水中的阳离子经由阳离子选择性通道从第一腔室定向迁移至第二腔室而形成离子电流，外电路电子从第一电极流向第二电极形成电流。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置中，所述阳离子选择性通道具有表层带负电荷的表层。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置中，所述阳离子选择性通道为非对称结构，所述非对称结构在所述第一侧到靠近第二腔室的第二侧方向上通道尺寸为逐渐增大。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置中，所述阳离子选择性通道包括锥形孔构成的非对称结构，朝向第一腔室的通道直径为2-10nm，朝向第二腔室的通道直径为15-30nm。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置中，跨膜电势差处于预定范围时，阳离子选择性通道变窄到预定阈值范围内，其中，阳离子选择性通道内仅通过阳离子。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置中，所述复合纳米薄膜由氮化碳或其衍生物制成，厚度不超过500mm。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置中，所述复合纳米薄膜包括在垂直方向上均匀分布的多个阳离子选择性通道。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置中，所述第一腔室的所有壁面均由完全透光材料制成。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置中，多个所述发电装置经由外电路串联以增大电压输出，或多个所述发电装置经由外电路并联以增大电流输出。

根据本发明另一方面，一种所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的发电方法包括以下步骤，

第一步骤，太阳光透过第一腔室照射复合纳米薄膜的第一侧生成跨膜电势差，

第二步骤，波浪经由与海水开放连通的第一腔室的侧面在发电装置中产生压力差，

第三步骤，基于波浪产生的压力差和所述跨膜电势差驱动，海水中的阳离子经由阳离子选择性通道从第一腔室定向迁移至第二腔室而形成离子电流，外电路电子从第一电极流向第二电极形成电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用波浪能和太阳能为离子输运提供源动力，实现离子迁移调控，提出海岛波浪能-太阳能耦合离子电渗发电系统。基于海岛波浪能所产生的压力差驱动离子在纳米膜内对流迁移，形成离子电流，将波浪能直接转化成电能，实现波浪能离子电渗发电，同时基于纳米膜的光电泊效应，在太阳能辐射下改变纳米通道两端的电势分布，实现光驱离子迁移和高效光电电渗能量转换。本发明内容摒弃海岛能源供给系统对化石燃料的依赖，充分利用海岛波浪能和太阳能实现全天候连续发电，并且简化传统机械式波浪能发电系统的复杂结构，有效提高波浪能发电的能量转换效率和太阳能发电的能量密度，改善现有清洁能源发电在海岛域应用中存在的诸多弊端，建立海岛可再生清洁能源自供给体系，可广泛应用于海岛地区发电领域。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的复合纳米薄膜中离子通道的结构示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图2更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1所示，一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置，漂浮于海水水面的发电装置包括，

第一腔室4，其顶部为高透光壁面，侧面与海水开放连通，并设有浸入海水的第一电极5；

第二腔室7，其包括封闭且不透光壁面，并设有浸入海水的第二电极6；

外电路1，所述外电路1连接所述第一电极5和第二电极6，

产生光电泊效应的复合纳米薄膜2，所述复合纳米薄膜2包括阳离子选择性通道3，其中，所述复合纳米薄膜2靠近第一腔室4的第一侧经由太阳光照射生成跨膜电势差，基于波浪产生的压力差和所述跨膜电势差驱动，海水中的阳离子经由阳离子选择性通道3从第一腔室4定向迁移至第二腔室7而形成离子电流，外电路1电子从第一电极5流向第二电极6形成电流。

本装置漂浮于海水水面，利用波浪产生的压力差可全天候驱动阳离子由阳离子选择性通道3从第一腔室4定向迁移至第二腔室7而形成离子电流，且晴天时的太阳光照射第一侧薄膜形成跨膜电势差而加速阳离子迁移，外电路1电子从第一电极5流向第二电极6形成电流。本发明建立了以离子作为载流子的太阳能光电发电方式，且将波浪能直接转化成电能，为海岛环境下太阳能的高效利用提供变革性途径。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，所述阳离子选择性通道3具有表层带负电荷的表层。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，所述阳离子选择性通道3为非对称结构，所述非对称结构在所述第一侧到靠近第二腔室7的第二侧方向上通道尺寸为逐渐增大。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，所述阳离子选择性通道3包括锥形孔构成的非对称结构，朝向第一腔室4的通道直径为2-10nm，朝向第二腔室7的通道直径为15-30nm。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，跨膜电势差处于预定范围时，阳离子选择性通道3变窄到预定阈值范围内，其中，阳离子选择性通道3内仅通过阳离子。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，所述复合纳米薄膜2由氮化碳或其衍生物制成，厚度不超过500mm。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，所述复合纳米薄膜2包括在垂直方向上均匀分布的多个阳离子选择性通道3。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，所述第一腔室4的所有壁面均由完全透光材料制成。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，多个所述发电装置经由外电路1串联以增大电压输出，或多个所述发电装置经由外电路1并联以增大电流输出。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，所述顶部由高透光树脂材料制成。

所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，预定阈值范围为2-15nm，所述外电路1包括开关、蓄电池、电流测量单元或电压测量单元。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置包括，

第一腔室4，其顶部为高透光壁面，侧面与海水开放连通，并设有浸入海水的第一电极5；

第二腔室7，其包括封闭且不透光壁面，并设有浸入海水的第二电极6；

盐差发电单元，其包括外电路1和产生光电泊效应的复合纳米薄膜2，所述外电路1连接所述第一电极5和第二电极6，所述复合纳米薄膜2内含阳离子选择通道3，

该装置漂浮于海水水面，利用波浪产生的压力差可全天候驱动阳离子由阳离子选择性通道3从第一腔室4定向迁移至第二腔室7而形成离子电流，且晴天时的太阳光照射薄膜2的第一侧形成跨膜电势差而加速阳离子迁移，外电路1中电子从第一电极5流向第二电极6形成电流。

本发明的复合纳米薄膜材料在受到非对称光照时会发生光电泊效应。例如，当氮化碳或其衍生物受到单侧光照时，光照区域内的光生电子和空穴会在各自密度梯度的驱动下发生扩散，且该类材料因电子的迁移率高于空穴而产生电荷重新分布并形成电势差，导致光照区域电势高于非光照区域。虽然光电泊效应的强弱受光照位点和光照强度等因素影响，但是其所产生的跨数百纳米的电势差可用于驱动阳离子从光照侧向非光照侧进行跨膜定向迁移，实现在盐浓度差和电势差的协同作用下显著提高发电效能。

所述的一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，当第一电势和第二电势的跨膜电势差处于预定范围，且阳离子选择性通道3变窄到预定阈值范围内时，通道3内仅能通过阳离子。

所述的一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，所述阳离子选择性通道3包括带负电荷的表层。

所述的一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，所述阳离子选择性通道3为由锥形孔组成的非对称结构，朝向第一腔室的通道直径为2-10nm，朝向第一腔室的通道直径为15-30nm。

所述的一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，所述复合纳米薄膜2的主体是由氮化碳或其衍生物制成，厚度不超过500mm。

所述的一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，所述第一腔室4的顶部壁面由高透光树脂材料制成。

所述的一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，可用外电路1将多个该装置串联以增大电压输出，或用外电路1将多个该装置并联以增大电流输出。

所述的一种波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的优选实施例中，预定阈值范围为2-15nm，所述外电路1包括开关、蓄电池、电流测量单元或电压测量单元。

一种所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置的发电方法包括以下步骤，

第一步骤，太阳光透过第一腔室4照射复合纳米薄膜2的第一侧生成跨膜电势差，

第二步骤，波浪经由与海水开放连通的第一腔室4的侧面在发电装置中产生压力差，

第三步骤，基于波浪产生的压力差和所述跨膜电势差驱动，海水中的阳离子经由阳离子选择性通道3从第一腔室4定向迁移至第二腔室7而形成离子电流，外电路1电子从第一电极5流向第二电极6形成电流。

本发明基于复合纳米薄膜的光电泊效应，通道内双电层重叠产生的阳离子选择性，通道结构不对称产生的离子整流效应等功能特性，实现了波浪能-太阳能耦合离子电渗能量转换。本发明提高了系统的紧凑性，提升了清洁能源利用的整体效率，在海岛地区的可再生清洁能源发电领域有广阔应用前景。

工业实用性

本发明所述的波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置及发电方法可以在发电领域制造并使用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

波浪能和太阳能耦合离子电渗发电装置及发电方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。