采集液體機(jī)械能的摩擦電納米發(fā)電機(jī)以及發(fā)電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種摩擦電納米發(fā)電機(jī)，具體地，涉及一種將液體的波動或者流動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪Σ岭娂{米發(fā)電機(jī)以及發(fā)電方法。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)境中的液體波動或者流動能量普遍存在，目前利用液體波動或者流動能發(fā)電的主要途徑是在液體中設(shè)置柔性壓電材料，特別是低維碳納米結(jié)構(gòu)如碳納米管和多層石墨烯，帶狀的壓電材料在極性液體流動作用下波動產(chǎn)生電勢。在現(xiàn)有的設(shè)計中，由于機(jī)械疲勞，這種鰻魚式的往復(fù)運動對于器件長時間工作帶來了困難，特別是電極的壽命，通過限定材料的性能和水中的離子濃度可以改善。但是，這些器件僅利用了可以與壓電材料接觸的水波動的能量，不能夠利用水中可能存在的其他能量例如流動、波動等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]要解決的技術(shù)問題
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是設(shè)計一種新型摩擦電納米發(fā)電機(jī)，應(yīng)用在波動液體或者流動液體中，可以采集液體波動或者流動的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，而發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)不會受到液體波動或者流動的破壞。
[0005]技術(shù)方案
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種能夠采集波動或者流動液體機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪Σ岭娂{米發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)的發(fā)電部件包括兩個分隔設(shè)置的電極層，和覆蓋發(fā)電部件的摩擦層，液體波動或者流動時與摩擦層互相摩擦使摩擦層表面帶有摩擦電荷，隨著液體波動或者流動，兩個電極層所對應(yīng)的摩擦層表面的電荷被液體中的離子先后屏蔽，造成摩擦層表面帶有的電荷對所述第一電極層和第二電極層中電子的靜電作用不同，使兩個電極層之間有感應(yīng)電荷流動。這種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)工作時不需要器件結(jié)構(gòu)的變化，使器件能夠長時間穩(wěn)定工作。兩個電極層被摩擦層覆蓋，使發(fā)電部件不會與使用環(huán)境中的液體接觸，發(fā)電機(jī)可以廣泛應(yīng)用在多種液體環(huán)境中。
[0007]基于上述思路，本發(fā)明首先提供一種采集液體機(jī)械能的摩擦電納米發(fā)電機(jī)，包括:
[0008]絕緣襯底；
[0009]發(fā)電部件，由一個第一電極層和一個第二電極層組成，所述第一電極層和第二電極層分隔設(shè)置在所述襯底上并且互相電連接；
[0010]摩擦層，覆蓋所述發(fā)電部件，使所述發(fā)電部件的第一電極層與第二電極層與所述液體隔離；
[0011]所述液體波動或流動時與所述摩擦層發(fā)生摩擦，使與液體接觸的摩擦層表面帶有電荷；隨著所述液體的波動或流動，兩個電極層所對應(yīng)的摩擦層表面的電荷被液體中的離子先后屏蔽，使摩擦層表面帶有的電荷對所述第一電極層和第二電極層中電子的靜電作用不同，使所述第一電極層與第二電極層之間有感應(yīng)電荷流動。
[0012]優(yōu)選的，所述摩擦層與所述液體接觸的表面設(shè)置有微結(jié)構(gòu)層，所述微結(jié)構(gòu)層為納米線、納米管、納米顆粒、納米棒、納米花、納米溝槽、微米溝槽、納米錐、微米錐、納米球和微米球狀結(jié)構(gòu)，以及上述結(jié)構(gòu)形成的陣列。
[0013]優(yōu)選的，所述液體為極性液體時，所述摩擦層表面的微結(jié)構(gòu)層為疏水結(jié)構(gòu)；或者，所述液體為非極性液體時，所述摩擦層表面的微結(jié)構(gòu)層為親水結(jié)構(gòu)。
[0014]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層均為長條狀，并且在所述襯底上沿著長度方向平行排列。
[0015]優(yōu)選的，所述第一電極層和/或第二電極層的長寬比為1:1至1000:1。
[0016]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層之間的間隔寬度為10nm-5cm。
[0017]優(yōu)選的，所述摩擦層為薄膜，厚度為10nm-2cm;所述微結(jié)構(gòu)層的厚度為2nm_200 μ m。
[0018]優(yōu)選的，所述摩擦層能夠與液體接觸的表面經(jīng)過化學(xué)改性，其中，
[0019]比較所述摩擦層和液體的材料極性，若摩擦層的極性為較正，在摩擦層材料表面引入更易失電子的官能團(tuán)(即強(qiáng)給電子團(tuán))；若摩擦層的極性為負(fù)，在摩擦層的材料表面引入更易得電子的官能團(tuán)(強(qiáng)吸電子團(tuán))；
[0020]或者，
[0021]比較所述摩擦層和液體的材料極性，若摩擦層的極性為正，在摩擦層材料表面引入正電荷；若摩擦層的極性為負(fù)，在變化層的材料表面引入負(fù)電荷。
[0022]優(yōu)選的，所述摩擦層的材料為下列材料中的一種或者幾種:聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯(FEP，四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亞胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、聚氨酯彈性體、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、人造纖維、棉及其織物、木頭、硬橡膠、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性體、聚氨酯柔性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、醋酸酯、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。
[0023]優(yōu)選的，所述發(fā)電部件中第一電極層與第二電極層的形狀和尺寸均相同。
[0024]優(yōu)選的，所述襯底、發(fā)電部件和/或摩擦層為硬性或者柔性材料。
[0025]優(yōu)選的，所述液體為水、去離子水、海水、NaCl水溶液、甲酸、甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、乙酸、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺、乙腈、丙酮、己烷、苯、甲苯、二乙醚、氯仿、乙酸乙酯、四氫呋喃或二氯甲烷。
[0026]優(yōu)選的，所述發(fā)電部件的第一電極層和第二電極層為插齒結(jié)構(gòu)，每個所述插齒結(jié)構(gòu)電極由若干個長條狀子電極平行排列，并在一端互相連接形成；插齒狀第一電極層和第二電極層互相之間留有間隔呈交叉狀。
[0027]優(yōu)選的，所述長條狀子電極的長寬比為1:1至1000:1。
[0028]優(yōu)選的,所述第一電極層和第二電極層之間的間隔的寬度為10nm_5cm。
[0029]優(yōu)選的，所述發(fā)電機(jī)包括多個所述發(fā)電部件，其中，多個所述發(fā)電部件沿著所述液體波動或者流動的方向順序排列，相鄰兩個發(fā)電部件共用一個電極層。
[0030]優(yōu)選的，還包括與所述發(fā)電部件個數(shù)相同的整流部件，每個所述發(fā)電部件的兩個電極層連接至一個整流部件。
[0031]優(yōu)選的，全部所述整流部件的輸出端并聯(lián)形成發(fā)電機(jī)的輸出端。
[0032]優(yōu)選的，所述整流部件為橋式整流器。
[0033]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種采集液體機(jī)械能的發(fā)電方法，應(yīng)用上述的發(fā)電機(jī)，
[0034]所述液體波動或者流動與發(fā)電機(jī)的摩擦層互相摩擦使摩擦層表面帶有電荷，并且隨著液體波動或者流動，所述發(fā)電部件的兩個電極層所對應(yīng)的摩擦層表面的電荷被液體中的離子先后屏蔽，所述摩擦層表面帶有的電荷對所述第一電極層和第二電極層中電子的靜電作用不同，在第一電極層與第二電極層之間通過外電路形成電荷流動。
[0035]有益效果
[0036]本發(fā)明提供的采集液體波動或者流動等形式機(jī)械能的摩擦電納米發(fā)電機(jī)最突出的優(yōu)點是，發(fā)電部件的兩個電極層不需要隨著液體波動而運動，保證了發(fā)電機(jī)的使用壽命。通過摩擦層將發(fā)電部件與液體環(huán)境隔離，這使得發(fā)電機(jī)可以應(yīng)用在任何液體環(huán)境中，例如可以方便的應(yīng)用在池塘、河流或海岸以收集水波的機(jī)械能，同時也可用于收集雨滴的機(jī)械倉泛。
[0037]通過調(diào)整摩擦層與液體接觸的表面結(jié)構(gòu)，使其表面具有疏水結(jié)構(gòu)，同時可以增大液體與摩擦層的接觸面積，進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)的性能。
[0038]發(fā)電部件中兩個電極層的結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行圖案化設(shè)計，使發(fā)電機(jī)可以應(yīng)用在液體微小波動的情況下，也可以應(yīng)用在液滴發(fā)電的情況下。
[0039]本發(fā)明提供的發(fā)電機(jī)，具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉、易規(guī)模化生產(chǎn)和安裝等特點，可以在池塘、河流或海岸進(jìn)行大面積鋪設(shè)，用來收集水流等波動或者流動的機(jī)械能。