CN103414220A

CN103414220A - 基于icpf的水滴发电方法与微型水滴发电系统

Info

Publication number: CN103414220A
Application number: CN2013102997354A
Authority: CN
Inventors: 魏巍; 刘楠; 吴方; 万富; 吉月辉; 郭健; 卢姚; 杨邦; 郭书祥
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2013-11-27

Abstract

一种基于ICPF的水滴发电方法与微型水滴发电系统。本发明通过人为制造或者自然降落的水滴滴落在ICPF薄膜上，利用ICPF薄膜压电性能，将从高处滴落的水滴的机械能转化为电能；利用夹持装置将ICPF薄膜一端固定，使ICPF薄膜形成悬臂梁结构；在ICPF薄膜的两侧贴上铜电极，将电能传送到外部负载使用；水滴自由下落滴在薄膜上，薄膜会产生电荷，通过连接在铜电极两端的导线与电流电压转化电路连接，将弱电量转换为电压的形式；转换完的电压为低电压且不稳定，需要利用滤波和整流电路将电压增大，同时滤波，达到稳定的输出；最后经过储能电路将产生的电能收集在锂电池内，供给外部负载使用。

Description

基于ICPF的水滴发电方法与微型水滴发电系统

技术领域

本发明属于机械技术领域，该发明可应用一种小型用电器设备，该发电系统具有对环境无污染、结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的小型化、集成化等优点。

背景技术

2008年法国电子与信息技术实验室(CEA-Leti)和微米与纳米技术创新中心(Minatec)的科学小组，合作开发出利用水滴滴到PVDF获得电能的技术方法。这种获取电能的方法可为建筑物外部的微型电子设备供电，比如，建筑的探测器等。不足之处是PVDF压电应变常数偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。国内在2009年西安信唯信息科技有限公司，发明了一种水滴发电方法，其特点是通过水滴按一定周期滴流的方式推动发电机发电。其不足之处在于机械装置过于复杂，操作不便。

发明内容

本发明目的是提供一种随时随地可以发电的基于ICPF材料的水滴发电方法，以及简易水滴发电系统。

本发明提供的基于ICPF的水滴发电方法是：将具有一定动能和势能的人为制造或自然降水水滴滴落在智能材料ICPF薄膜上，利用ICPF薄膜的压电性能，将水滴的机械能转化为弱电量，ICPF薄膜产生的弱电量经过ICPF薄膜的两侧附设铜电极与外部电路连接，经过电流电压转换电路将弱电量转换为电压的形式，经电流电压转换电路转换后的电压为弱电压且不稳定，经过整流滤波电路，最后将产生的电压经过储能电路存储在锂电池里面，供外部用电器使用。

本发明同时提供了一种基于ICPF的微型水滴发电系统，该系统包括水滴产生装置、ICPF薄膜、电流电压转换电路、整流滤波电路和储能电路。

水滴产生装置：用来产生具有动能和势能的水滴，用于滴落在ICPF薄膜上，使ICPF薄膜弯曲变形从而产生电量；

ICPF薄膜：一端通过夹持装置固定，用于将滴落在ICPF薄膜上的水滴的机械能转化为弱电量；

电流电压转换电路：在ICPF薄膜两侧铺设铜电极，通过导线与电流电压转换电路连接，用于将弱电量转换为电压的形式；

整流滤波电路：整流滤波电路输入端与电流电压转换电路输出端连接，用于对电流电压转换电路的电压进行整流、滤波；

储能电路：储能电路输入端与整流滤波电路输出端连接，用于对整流滤波后的电压进行储存，供外部用电器使用。

所述的电流电压转换电路使用T型反馈网络，能有效的将ICPF薄膜产生的弱电量转换为电压的形式；所述的储能电路采用超级电容，能够使ICPF薄膜产生的不连续且有周期性的弱电量得到连续的输出。

该发电系统是利用水滴的形式进行发电，水是再生资源，对环境无污染。

根据水滴发电的整体框图（参见图1），可以明显看出整个系统的操作流程，其中在电流电压转换电路中使用了T型反馈网络可减小反馈电阻，有效提高电路的灵敏度和精度，能有效的将本发明中产生的弱电量转换为电压的形式。在能量收集电路当中使用了MAX1811芯片作为主控芯片设计电路对可充电电池进行电能收集，它是一种高集成度电池充电器，所需外围元件很少，易于控制电路体积。而且，它可以用于锂电池充电，而锂电池具有很多优于其它可充电电池的特性，如高能量密度、质量轻、寿命长、容量保持特性好、环境温度适应范围大和电流忍耐能力强等。在储能电路中使用了超级电容，能够使ICPF的不连续且有周期性的弱电量得到连续的输出。超级电容充电速度快，能量转换效率高，过程损失小，将输出能量储存在锂电池中。

本发明的优点和积极效果：

1、本系统提出一套简易水滴发电系统，利用人为制造或自然降水水滴滴落在智能材料ICPF的薄膜上，利用ICPF的压电性能，将水滴的机械能转化为电能并将其收集，能为建筑物外部的微型电子供电设备供电，具备节能减排的特点。利用水滴的形式进行发电，可以有效的利用下雨天气，不需要为了生成水滴使用的额外的能源。该发电系统具有对环境无污染、结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的小型化、集成化等优点，适合于为微弱用电设备提供电能；

2、提出一套新型的弱电量储存电路，利用超级电容实时快速的将微弱电能的储存，并将能量存储在锂电池中，从而实现对微弱电能的利用；

3、本套实验装置利用压电材料的性质和多个电路相结合的办法将水滴的机械能转化为电能，这在技术运用上是一种创新。

附图说明

图1是水滴发电结构图。

图2是ICPF水滴发电的整体结构框图。

图3是ICPF材料结构图。

图4是ICPF材料弯曲原理图。

图5是电流电压转换电路。

图6是整流滤波电路。

图7是基于电池管理芯片的储能电路。

图中，1、ICPF薄膜；2、铜电极；3、夹持装置；4、导线；5、电流电压转换电路；6、整流和滤波电路；7、储能电路；8、负载；9、水箱；10、阀门；11、水滴；12、铁架台；13、铂；14、离子；15、水；16、聚合物；17、电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1：微型发电系统

图1是本发明实施例结构原理图。本发明基于ICPF的微型水滴发电系统，该系统包括水滴产生装置、ICPF薄膜、电流电压转换电路、整流滤波电路、储能电路。

水滴产生装置：将水箱9里储存的水通过阀门10转化为具有一定大小和机械能的水滴11，用于水滴发电系统的能量来源；

ICPF薄膜1：其结构图如图3所示，在系统中其一端通过夹持装置3固定，用于将滴落在ICPF薄膜1上的水滴12的机械能转化为弱电量；

电流电压转换电路5（见图5）：在ICPF薄膜1两侧附设铜电极2并用铁架台12上的夹持装置3予以夹持，铜电极2通过导线4与电流电压转换电路5连接，将ICPF薄膜变形产生的弱电量转换为电压的形式；该电路使用了T型反馈网络，具有很高的灵敏度和精度，能有效的将本发明中产生的弱电量转换为电压的形式；

整流滤波电路6（见图6）：该电路的输入端与电流电压转换电路5输出端连接，将电流电压转换电路5输出的不稳定的电压进行整流、滤波；

储能电路7（见图7）：储能电路7的输入端与整流滤波电路6的输出端连接，将整流滤波后的电能储存供外部用电器（负载8）使用。储能电路采用超级电容，其能量转换效率高，过程损失小。

实施例2：发电方法

本发明的整体结构框图如图2所示，它是利用水滴滴流的形式进行发电，该方法将具有一定大小和机械能的人为制造或自然降水水滴滴落在智能材料ICPF薄膜上，利用ICPF薄膜的压电性能，将水滴的机械能转化为弱电量，ICPF薄膜产生的弱电量经过ICPF薄膜的两侧附设铜电极与外部电路连接，经过电流电压转换电路将弱电量转换为电压的形式，转换后电压为弱电压且不稳定，经过整流和滤波电路，最后将产生的电压经过储能电路存储在锂电池里面，供外部用电器使用。

本发明所涉及的重要技术简介

1. ICPF技术

ICPF是一种新型的智能材料，全称为Ionic Conducting Polymer Film(离子导电聚合物薄膜)。ICPF材料是用化学方法将铂镀到氟化磺酸聚合物薄膜两侧。它是一种离子交换薄膜，铂被镀在两侧作为金属电极，它使得电信号更容易穿过离子交换薄膜。ICPF材料即可以作为驱动材料和可以作为压电材料，两个材料的工作过程可以认识是互逆的。

ICPF材料作为驱动材料时，只需要很低的驱动电压就可以工作，当在其两侧施加电压时，ICPF将向阳极产生弯曲，弯曲原理图见图4，其弯曲是因为固定在磺酸基分子上的纳离子在电场力的作用下从阴极迁移到阳极，磺酸基酸分子团固定在高分子膜链上，不能在薄膜内移动，引起静电力，产生内应力使薄膜向负极的那一面弯曲。这就是ICPF材料作为驱动材料的工作原理。ICPF材料作为压电材料时，由于受到外界的压力使ICPF材料发生弯曲，薄膜内的一些带电粒子在弯曲的形变产生移动或者ICPF材料弯曲使钠离子与磺酸分子团脱离，产生电荷，这就是ICPF材料作为压电材料的原理。

2. 电流电压转换器技术

ICPF薄膜两端产生的电荷，形成微弱的电流，然后将输出的微弱电流利用电流电压转化技术将电流信号转换为电压，以便收集利用。采用型反馈网络（图5所示）可减小反馈电阻，有效提高电路的灵敏度和精度。

3．整流滤波技术

采用四倍压整流滤波电路，经过整流、滤波后，输出电压趋于平滑，非常接近于理想的直流电压，具有很好的稳压性能。

4. 储能电路技术

基于MAX1811电池管理芯片，当电容器积累的电压高于芯片的门槛电压时，芯片开始启动，使从超级电容器输出的直流电压稳定输出。由于水滴碰撞ICPF薄膜产生的电量少，不连续，且有周期性，不能直接对外供电，为了使振动产生的能量稳定对外输出，本电路采用了超级电容，利用超级电容把ICPF产生的电量收集起来，从而达到稳定输出的目的。

Claims

1.一种基于ICPF的水滴发电方法，其特征在于该发电方法是将具有一定动能和势能的人为制造或自然降水水滴滴落在智能材料ICPF薄膜上，利用ICPF薄膜的压电性能，将水滴的机械能转化为弱电量，ICPF薄膜产生的弱电量经过ICPF薄膜的两侧附设铜电极与外部电路连接，经过电流电压转换电路将弱电量转换为电压的形式，经电流电压转换电路转换后的电压为弱电压且不稳定，经过整流滤波电路，最后将产生的电压经过储能电路存储在锂电池里面，供外部用电器使用。

2.一种基于ICPF的微型水滴发电系统，该发电系统包括水滴产生装置、新型材料ICPF薄膜、电流电压转换电路、整流滤波电路和储能电路；

水滴产生装置：用于产生具有一定动能和势能的水滴，水滴滴落在ICPF薄膜上产生电量；

ICPF薄膜：其一端通过夹持装置固定，作用是把滴落在ICPF薄膜上的水滴的机械能转化为弱电量；

电流电压转换电路：通过ICPF薄膜两侧铺设铜电极和导线将ICPF薄膜与电流电压转换电路连接，将ICPF薄膜上产生的弱电量转换为电压的形式；

整流滤波电路：整流滤波电路输入端与电流电压转换电路输出端连接，用于对电流电压转换电路的电压进行整流和滤波；

储能电路：储能电路输入端与整流滤波电路输出端连接，用于储存整流滤波后输出的稳定电压，供外部用电器使用。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于所述的电流电压转换电路使用T型反馈网络，具有很高灵敏度和精度，能有效的将本发明中产生的弱电量转换为电压的形式；所述的储能电路采用超级电容，能够使ICPF的不连续且有周期性的弱电量得到连续的输出。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于该发电系统是利用水滴的形式进行发电，水是再生资源，对环境无污染，发电成本低。