一种液固接触起电摩擦纳米发电机的制作方法

本发明涉及水能量收集发电领域，尤其涉及一种液固接触起电摩擦纳米发电机。

背景技术：

环境中的液体波动或者流动能量普遍存在，目前利用液体波动或者流动能发电的主要途径是在液体中设置柔性压电材料或者采用插齿电极式摩擦纳米发电机进行水波能量采集。插齿电极式摩擦纳米发电机由于其电极面积较小导致其输出电能较小。而压电材料制成的压电发电机其输出电流则更小。

如中国专利cn201410140195.x公开的“采集液体机械能的摩擦电纳米发电机以及发电方法”，该摩擦电纳米发电机包括制备在衬底上的发电部件和覆盖发电部件的摩擦层。由于其插齿式电极的接触面积较小，导致单位面积内转移电荷量较低，故发电量有限，对用电器件的使用具有局限性，难以满足高能耗传感器或指示灯等电器的实时用电需求。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能够提高发电量的液固接触起电摩擦纳米发电机。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种液固接触起电摩擦纳米发电机，所述液固接触起电摩擦纳米发电机放置在盛有液体的箱体中，所述箱体漂浮在海平面上。

所述液固接触起电摩擦纳米发电机包括高分子材料层、电极层、参考电极和基体。所述基体、高分子材料层和电极层组成发电单元，所述基体两侧覆盖电极层，电极层外侧覆盖高分子材料层。所述电极层密封在高分子材料层中。

所述的发电单元与参考电极分别构成液固接触起电摩擦纳米发电机的两极。所述电极层通过导线、用电设备与参考电极形成电极对。所述参考电极、发电单元均有一部分置于液体中。

所述参考电极、发电单元均通过导线与外部电路相连。

所述外部电路包括直接供电电路和电能储存电路。所述电能储存电路与直接供电电路并联。

进一步的，所述电极层的材料包括金、银、铂、铝、镍、铜、钦或铬，或者为含有金、银、铂、铝、镍、铜、钦和铬的一种或多种的合金材料。

所述参考电极的材料包括金、银、铂、铝、镍、铜、钦或铬，或者为含有金、银、铂、铝、镍、铜、钦和铬的一种或多种的合金材料。

所述高分子材料层的材料包括聚四氟乙烯、氟乙烯丙烯共聚物、聚全氟乙丙烯、四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚酞亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或苯胺甲醛树脂。

所述基体由亚克力板以及泡沫板构成，在箱体内部处于漂浮状态。

所述箱体处于密封状态；所述发电单元的重心位于箱体中部以上的位置。

进一步的，所述参考电极的材料与电极层的材料相同。

进一步的，所述高分子材料层由具有超疏水性的微纳结构层组成，具有自清洁的功能。所述微纳结构层包括纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和或微米球状结构，或者由纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和或微米球状结构形成的阵列。

进一步的，所述液体为水、去离子水、海水、水溶液、甲酸、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙酸、二甲基亚矾、二甲基甲酞胺、乙睛、丙酮、己烷、苯、甲苯、二乙醚、氯仿、乙酸乙酷、四氢吠喃或二氯甲烷。

进一步的，所述液体为液态金属，包括汞或镓。

进一步的，多个所述发电单元形成阵列，并联连接，每一个发电单元保持固定的间距，多个发电单元与液体形成相对运动。

进一步的，所述外部电路包括整流部件、电容器、用电设备和开关，所述整流部件的输入端与液固接触起电摩擦纳米发电机并联，整流部件的输出端同时与电容器和用电设备并联，所述整流部件与电容器和用电设备之间设置开关。

进一步的，所述整流部件和液固接触起电摩擦纳米发电机组成发电机单元，所述发电机单元有多个，多个发电机单元并联后同时与电容器和用电设备并联，所述整流部件为桥式整流器。。

进一步的，多个箱体通过线缆相连，构成液固接触起电摩擦纳米发电机组网。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的液固接触起电摩擦纳米发电机是由高分子材料层、电极层和参考电极构成，高分子材料层充分的包裹电极层，不但可以使液固接触面积更大，而且可以屏蔽掉电极层周围液体对电极层的感应电荷，使液体与材料接触产生的电荷充分的转移，在外部电路中形成电流。本发明采用的电极尺寸为6cm×6cm，采用聚四氟乙烯高分子材料膜，测量的转移电荷量为0.54uc，其发电量与专利cn201410140195.x中一对6cm×3cm电极相比，提高了8.3倍。

2、本发明的参考电极接入液体中，当介质损耗层旁边有液体介质层时，交流电系统的电场由于相对介电常数较高而直接传递到液体介质层，因此介质损耗层内没有明显的能量耗散。这是因为液体介质材料比介质损耗层材料更容易极化。因此，液体介质中的偶极矩是对齐的，储存极化能量。液体介质偶极排列使极化能量转移到电极，调整分子排列方向。最后，将液体介质内部的电极定义为电势诱导介质，因为电极可以通过静电感应产生电荷转移。

3、本发明的液固接触起电摩擦纳米发电机的输出电能可以满足海洋分布式传感器的供电需求，使传感器不需要锂电池等供电方式，解决了海洋传感器长期供能的技术需求。

4、本发明的液固接触起电摩擦纳米发电机的多个箱体侧面通过线缆相连，构成液固接触起电摩擦纳米发电机组网，漂浮在海平面上。随着海面波浪的波动，而随之运动，导致箱体内部液体波动，由于其发电单元中的基体具有一定的浮力，且重心位于中部以上位置，致使箱体内部发电阵列随着水波运动与箱体内部液体产生接触分离，可以增加发电阵列与液体的接触面积。

5、本发明的液固接触起电摩擦纳米发电机的输出电压为交变电压，具有较高的峰值，其交变电压可以用于海洋工程装备的腐蚀防护，延长海洋工程装备的使用寿命，而且具有无能源负载、能耗低、无污染等优点。

6、本发明的液固接触起电摩擦纳米发电机可以收集海潮差能进行发电，输出高压交变电能应用于防海潮差腐蚀，如防止海工装备体、船舶、海底管路、海底电缆、养殖水箱等各类海上工程的海潮差腐蚀。

附图说明

图1是液固接触起电摩擦纳米发电机剖面结构图。

图2是液固接触起电摩擦纳米发电机电荷转移图。

图3是液固接触起电摩擦纳米发电机阵列示意图。

图4是液固接触起电摩擦纳米发电机组网应用于海洋波浪能收集示意图。

图5是外部电路组成图。

图6是液固接触起电摩擦纳米发电机应用于海洋装备体防海潮差腐蚀示意图

图7是单层、双层高分子材料发电性能(电压)对比图。

图8是有、无参考电极输出电荷信号对比图。

图9是有、无参考电极输出电流信号对比图。

图10是有、无参考电极输出电压信号对比图。

图中：1、液固接触起电摩擦纳米发电机；2、整流部件；3、用电设备；11、高分子材料层；12、电极层；13、导线；14、参考电极；15、液体；16、基体；17、箱体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，一种液固接触起电摩擦纳米发电机，所述液固接触起电摩擦纳米发电机1放置在盛有液体15的箱体17中，所述箱体17漂浮在海平面上。

所述液固接触起电摩擦纳米发电机1包括高分子材料层11、电极层12、参考电极14和基体16。所述基体16、高分子材料层11和电极层12组成发电单元，所述基体16两侧覆盖电极层12，电极层12外侧覆盖高分子材料层11。所述电极层12密封在高分子材料层11中。

所述的发电单元与参考电极14分别构成液固接触起电摩擦纳米发电机1的两极。所述电极层12通过导线13、用电设备3与参考电极14形成电极对。所述参考电极14、发电单元均有一部分置于液体15中。

所述参考电极14、发电单元均通过导线13与外部电路相连。

所述外部电路包括直接供电电路和电能储存电路。所述电能储存电路与直接供电电路并联。

进一步的，所述电极层12的材料包括金、银、铂、铝、镍、铜、钦或铬，或者为含有金、银、铂、铝、镍、铜、钦和铬的一种或多种的合金材料。

所述参考电极14的材料包括金、银、铂、铝、镍、铜、钦或铬，或者为含有金、银、铂、铝、镍、铜、钦和铬的一种或多种的合金材料。

所述高分子材料层11的材料包括聚四氟乙烯、氟乙烯丙烯共聚物、聚全氟乙丙烯、四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚酞亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或苯胺甲醛树脂。

所述基体16由亚克力板以及泡沫板构成，在箱体17内部处于漂浮状态。

所述箱体17处于密封状态；所述发电单元的重心位于箱体17中部以上的位置。

进一步的，所述参考电极14的材料与电极层12的材料相同。

进一步的，所述高分子材料层11由具有超疏水性的微纳结构层组成，具有自清洁的功能。所述微纳结构层包括纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和或微米球状结构，或者由纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和或微米球状结构形成的阵列。

进一步的，所述液体15为水、去离子水、海水、水溶液、甲酸、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙酸、二甲基亚矾、二甲基甲酞胺、乙睛、丙酮、己烷、苯、甲苯、二乙醚、氯仿、乙酸乙酷、四氢吠喃或二氯甲烷。

进一步的，所述液体15为液态金属，包括汞或镓。

进一步的，多个所述发电单元形成阵列，并联连接，每一个发电单元保持固定的间距，多个发电单元与液体15形成相对运动。

进一步的，所述外部电路包括整流部件2、电容器、用电设备3和开关，所述整流部件2的输入端与液固接触起电摩擦纳米发电机1并联，整流部件2的输出端同时与电容器和用电设备3并联，所述整流部件2与电容器和用电设备3之间设置开关。

进一步的，所述整流部件2和液固接触起电摩擦纳米发电机1组成发电机单元，所述发电机单元有多个，多个发电机单元并联后同时与电容器和用电设备3并联，所述整流部件2为桥式整流器。。

进一步的，多个箱体17通过线缆相连，构成液固接触起电摩擦纳米发电机组网。

本发明的工作原理如下：

液体15波动或者流动与发电单元中的高分子材料层11互相摩擦，使高分子材料层11表面带有电荷，并且随着液体15波动或者流动，发电单元中的高分子材料层11的表面电荷被液体15中的离子屏蔽，高分子材料层11表面带有的电荷对参考电极14的静电作用改变，在发电单元与参考电极14之间通过外部电路形成电荷流动。通过增加多个发电阵列来增加单位体积内的液固接触面积，进而增加转移电荷量以及输出电压。

图2所示为液固接触起电摩擦纳米发电机1电荷转移图，高分子材料与液体15接触时会在其表面产生负电荷，随着液位的上升，电极层12中的正电子经过外部电路转移至参考电极14，当液位下降时，正电子经过外部电路返回至电极层12。通过液固接触起电摩擦纳米发电机1与液体15的相对运动，将机械能转化为电能输出，实现机械能向电能的转化。

图3所示为液固接触起电摩擦纳米发电机1阵列，通过增加多个发电阵列，提高多个阵列与液体15的接触面积，增加单位体积条件下的发电功率，采用一个参考电极14即可。

图4所示为液固接触起电摩擦纳米发电机组网应用于海洋波浪能收集示意图。多个箱体17侧面通过线缆相连，构成液固接触起电摩擦纳米发电机组网，漂浮在海平面上。随着海面波浪的波动，而随之运动，导致箱体17内部液体波动，由于其发电单元中的基体16具有一定的浮力，且重心位于中部以上位置，致使箱体17内部发电阵列随着水波运动与箱体17内部液体产生接触分离。

图5为外部电路图，多个液固接触起电摩擦纳米发电机1(ls-teng)与整流桥相连，经过整流桥的整流之后并联连接，用于给电容器充电，充电的时间长短取决于电流以及转移电荷量的大小。也可以不经过电容器直接给传感器供电。通过两种方式实现对电能的储存、利用。

图6所示为液固接触起电摩擦纳米发电机1应用于海洋装备体防海潮差腐蚀示意图，多个发电机阵列增加了海水与发电机的接触面积，利用海潮差中水波的波动能量，在发电机两端产生高交变电压，将发电机的两端分别接在海洋装备体的张力腿上，其中一端接在海平面以上，一端接在海平面以下，利用其高电势强电场防止海潮差腐蚀。该种防腐方法具有无能源负载、能耗低、无污染、无毒素释放、制作简便成本低等优点。

图7所示为单层、双层高分子材料发电性能对比图，从图中可以看出，单层材料的发电性能较低，而双层材料的发电性能较高，这是由于双层材料的液固接触面积提升一倍，以及双层材料屏蔽掉了液体15中极化电荷对于转移电荷的影响。

图8所示为有、无参考电极14输出电荷信号对比图，图中可见有参考电极14的输出电荷较大，而无参考电极14的输出电荷较小。

图9所示为有、无参考电极14输出电流信号对比图，图中可见有参考电极14的输出电流较大，而无参考电极14的输出电流较小。

图10所示为有、无参考电极14输出电压信号对比图，图中可见有参考电极14的输出电压较大，而无参考电极14的输出电压较小。利用该发电机的输出高压来收集海潮差能进行发电，输出高压交变电应用于防海潮差腐蚀，具有无能源负载、能耗低、无污染、无毒素释放、制作简便成本低等优点。