CN105099260A - 基于流动液体的复合式发电机、发电方法和传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于流动液体的复合式发电机、发电方法和传感方法，可用来收集环境中液体的流动能量，其中包含了静电能与机械能，并可将其转化成电力直接使用或储存。另外，此发电机也可当作自供电的传感器来侦测溶液中乙醇的浓度。发电机主要是由静电感应发电组件及接触摩擦发电组件层叠构成，当环境中液体如雨滴及水流接触到此发电机，水本身所带的静电可导致静电感应发电组件开始工作及产生电力输出，另外流动水本身所具备的机械能也会促使接触摩擦发电机同时工作而产生电力输出。此发明可以广泛收集如雨滴及环境中废水流动的能量，并将其转变为电能，具有广阔的应用前景。

Description

基于流动液体的复合式发电机、发电方法和传感方法

技术领域

本发明涉及发电技术领域，特别是涉及将流动液体中的多种形式的能量转化为电能的复合式发电机、发电方法和对于水中乙醇浓度的传感器和传感方法。

背景技术

自然界和人类生命存续过程中会不断产生各种能量，如何将能量转变为我们所需的电力来源，是人们在不断探寻的方向。摩擦发电机是最近发明的一种新型的将机械能转化为电能的方式，利用得失电子能力不同的两种材料之间的互相摩擦，发生表面电荷转移，能够将广泛存在的机械能，如海浪、风能、各种运动物体的动能、以及人体活动如步行、跑动、跳动等形式的能量转变为电能，为小型电子器件如便携设备等提供电源。但是，自然界的许多运动，例如：水流、海浪等，不仅包括机械动能，还包括其他形式的能量。例如，水流不仅具有机械动能，同时，水在流动的过程中与周围的介质(如空气及输送管道等)发生摩擦，产生摩擦电荷，使其具有静电能。现有的摩擦发电机无法同时将水流中不同形式的能量转化为电能。

发明内容

本发明涉及一种基于流动液体的复合式发电机和发电方法，结合静电感应发电组件和接触摩擦发电组件，可以将流动液体中的静电能和机械动能同时转化为电能。

本发明提供的基于流动液体的复合式发电机，包括：

第一衬底；

所述第一衬底上表面设置的第一摩擦层；

所述第一衬底下表面设置的第一导电元件；所述第一导电元件连接至等电位；

所述第一导电元件下表面设置的第二摩擦层；

第二衬底；

所述第二衬底上设置的第二导电元件；所述第二导电元件连接至等电位；

所述第二导电元件上表面设置的第三摩擦层；

连接件，所述连接件使所述第二摩擦层与第三摩擦层面对面设置；

当带电荷的液滴或流动的液体至少部分接触所述第一摩擦层时，所述液体带有的电荷使所述第一导电元件上的电荷在等电位与第一导电元件之间流动；

所述带电荷的液滴或流动的液体的机械能使所述第二摩擦层与所述第三摩擦层表面接触，所述液体离开发电机时，所述连接件使所述第二摩擦层与第三摩擦层互相分离，使所述第一导电元件与等电位之间形成电流，所述第二导电元件与等电位之间形成电流。

优选的，所述第一摩擦层的上表面为电中性或带有电荷。

优选的，所述第一摩擦层的组成为绝缘体材料或半导体材料；

所述第二摩擦层和第三摩擦层组成为金属、绝缘体材料或半导体材料，并且所述第二摩擦层下表面和第三摩擦层上表面的材料存在摩擦电极序差异。

优选的，所述绝缘材料选择下列一种或几种：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。

优选的，所述半导体材料选择下列一种或几种材料：硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体；

或者，所述半导体材料选择下列一种或几种材料：锰、铬、铁、铜的氧化物，或者氧化硅、氧化钛、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。

优选的，所述金属选自下列材料中的一种或者几种：金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。

优选的，所述第一摩擦层上表面、第二摩擦层下表面和/或第三摩擦层上表面的部分或全部表面包括微纳结构层，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，或者由前述结构形成的阵列。

优选的，所述第一摩擦层、第二摩擦层和/或第三摩擦层的材料与其表面的微纳结构层的材料相同。

优选的，所述微纳结构层为制备所述摩擦层时直接形成；

或者，所述微纳结构层为在所述摩擦层的表面点缀或涂覆纳米材料层形成；

或者，所述微纳结构层为通过光刻蚀、化学刻蚀和等离子刻蚀等方法在所述摩擦层的表面制备。

优选的，所述第一摩擦层上表面或者在其上的微纳结构层为亲水或者疏水结构。

优选的，所述第一摩擦层的上表面为疏水材料，所述液体为极性液体；或者，所述第一摩擦层的上表面为亲水材料，所述液体为非极性液体。

优选的，极性液体为水、甲酸、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙酸、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、乙腈或丙酮；

所述非极性液体为己烷、苯、甲苯、二乙醚、氯彷、乙酸乙酯、四氢呋喃或二氯甲烷。

优选的，所述第一摩擦层、第二摩擦层及第三摩擦层为硬质材料或柔性材料。

优选的，所述第一衬底的材料与所述第一摩擦层的材料相同，所述第一摩擦层代替所述第一衬底，并且所述第一摩擦层与第二摩擦层共同将所述第一导电元件完全覆盖。

优选的，所述第三摩擦层与第二衬底共同将所述第二导电元件完全覆盖。

优选的，所述第一摩擦层、第二摩擦层及第三摩擦层其厚度范围为50nm-2cm。

优选的，所述微纳结构层的厚度介于20nm-20μm之间。

优选的，所述第一衬底和/或第二衬底的材料为硬质材料或柔性材料。

优选的，所述第一导电元件为在所述第二摩擦层的上表面沉积形成的薄膜；

和/或，所述第二导电元件为在所述第三摩擦层的下表面沉积形成的薄膜。

优选的，所述第一导电元件和/或第二导电元件为硬质材料或柔性材料，厚度介于10nm-500μm之间。

优选的，所述连接件为弹性部件。

优选的，所述等电位为地电位或者等电位源。

优选的，所述第一摩擦层的上表面或者表面的微纳结构层的材料为光催化材料。

优选的，所述第一衬底、第二衬底、第一导电元件、第二导电元件、第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层均为透明材料。

相应的，本发明还提供一种基于流动液体的发电方法，利用上述任一项所述发电机，所述液滴或流动的液体经过摩擦带电后与所述第一摩擦层的上表面至少部分接触后分离，在所述第一导电元件产生感应电荷，并在所述第一导电元件与等电位之间向外输出电信号。

优选的，所述的发电方法还包括，

所述液滴或流动的液体使所述第二摩擦层与第三摩擦层互相接触后分离，在第一导电部件与等电位之间和第二导电部件与等电位之间形成电信号输出。

相应的，本发明还提供一种液体中乙醇浓度传感器，其特征在于，采用上述任一项所述的发电机，所述第一摩擦层上表面为疏水或者超疏水结构，所述第一导电元件输出电信号强度随所述液体中所含乙醇浓度不同而变化。

相应的，本发明还提供一种液体中乙醇浓度的传感方法，应用上述的传感器，不同乙醇浓度的液体接触所述第一摩擦层后离开第一摩擦层，所述第一导电元件输出的电信号不同。

本发明提供的能够收集液体流动能量的复合式发电机以及发电方法具有以下有益效果：

1、本发明的复合式发电机由两发电组件组合而成，位于上方的静电感应发电组件负责收集流动液体中的静电能；位于下方的接触摩擦发电组件则负责收集流动液体中的机械动能。当流动液体冲击到位于上方的静电感应发电组件时，会促使位于下方的接触摩擦发电组件工作，故能同时收集流动液体中的静电能和机械动能。

2、本发明中的静电感应发电组件及接触摩擦发电组件皆采取单电极工作模式，且静电感应发电组件的输出与接触摩擦发电组件的输出设计成同步的，当带电的水滴落在第一摩擦层的上表面及离开时，都会同时造成静电感应发电组件及接触摩擦发电组件的同步输出，故可将两个发电组件整合在一起，不仅简化了结构，更使得复合式发电机的输出端简化为两个，添加了使用的方便性。

3、本发明的复合式发电机，其主要部件的尺寸能配合环境中液体的面积及体积进行尺寸调整，且可制备成柔性或是硬性结构，能够广泛用于各种领域。并且发电机的结构简单，所有的材料价格低廉并且容易获得，因此，本发明的发电机制作方便，成本低，易于产业推广和应用。

4、本发明提出了用于收集流动液体静电能和机械动能的发电机，主要是利用自然界中摩擦的现象及静电传导的原理，利用简易的结构设计，实现了在环境中收集液体(特别是水)流动静电能和机械动能的可能性；而且本发明中发电机所提供的电信号输出将可被直接利用或与全桥整流器结合将输出的交流电信号转变为单向脉冲信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以为电容器或者锂离子电池充电，也可以为各种小型便携式电子器件提供所需的电源。

5、本发明中，将微纳结构层直接形成在摩擦层上表面，能够显著提高发电机的电信号输出性能，打破了以往需要先制备摩擦层再在摩擦层表面形成纳米结构的限制，大大简化了制备方法、降低了成本，同时还为电信号的优化输出提供了一条新的途径。

6、在摩擦层的上表面设计微纳结构层有两个重大意义，一个是若微纳结构层在第一摩擦层的上表面，当想收集极性较大液体的机械能，如水，此结构可增加摩擦层的疏水性，使水与摩擦层接触后能完全分开，提供静电感应发电机较大的电输出；另一个是若微纳结构层在第二摩擦层和/或第三摩擦层上表面，则会增加其接触后所造成的面电荷密度，即是增加接触摩擦发电机的电输出。

7、具超疏水性的微纳结构层同时具有自清洁的功能,在第一摩擦层的上表面形成超疏水性的微纳结构层，将有助于发电机第一摩擦层维持一干净表面，特别是对于使用在户外大自然环境中，确保可长时间提供有效输出。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明复合式发电机一个实施例的截面结构示意图；

图2中的(a)-(d)为发电机的静电感应发电组件收集单滴水的工作原理示意图；

图3中的(a)-(e)为发电机的接触摩擦发电组件收集连续水滴或流动水的工作原理示意图；

图4中的(a)和(b)为一个具体发电机中第一摩擦层与第三摩擦层的表面形貌图；图4中的(c)为水在第一摩擦层表面的接触角图形；图4中的(d)为第一摩擦层对亚甲蓝在太阳光下的光催化效果数据；图4中的(e)和图4中的(f)分别为无第一摩擦层和存在第一摩擦层情况下，大肠杆菌溶液在太阳光照射下的存活情况；

图5中的(a)-(d)为利用发电机中的静电感应发电组件检测溶液中所含的乙醇浓度的测量结果；

图6中的(a)-(f)为发电机两个导电元件各自作为输出端的输出电信号测量结果；

图7为复合式发电机的尺寸为3.3cm×3.3cm的结构示意图；

图8中的(a)-(d)为图7所示复合式发电机两个导电元件各自作为输出端的输出电信号测量结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明中的收集液体流动能量的发电机，利用环境中液体易与其它物质进行摩擦而使本身带电，及其本身也具备了机械动能；以水为例，当水滴落或流动水接触第一摩擦层又离开,便可使静电感应发电组件中的第一导电元件产生感应电荷，进而造成电输出；此外，水滴落或流动水所携带的机械动能也会促使接触摩擦发电组件的第二摩擦层和第三摩擦层接触并产生电荷转移，分别设置在第二摩擦层和第三摩擦层的第一及第二导电元件产生感应电荷，进而造成电输出。此发电方法可被利用于收集环境中流动液体的能量,如下雨的雨滴、家庭及工业废水、瀑布、海浪、甚至潮汐。

本发明的复合式发电机其典型结构参见图1，包括：第一衬底12、第一衬底12的上表面设置的第一摩擦层11、第一衬底12的下表面设置有第一导电元件21，第一导电元件21下表面设置的第二摩擦层22；第二衬底32、第二衬底32的上表面设置的第二导电元件24、第二导电元件24上表面设置的第三摩擦层23；以及连接件31，连接件31使第二摩擦层22与第三摩擦层23面对面设置，可以连接第一衬底12与第二衬底32之间，所述带电荷的液滴或流动液体的机械能使第二摩擦层22与第三摩擦层23表面接触，所述液滴或者液体离开发电机时，连接件31使第二摩擦层22与第三摩擦层23互相分离。另外还包括连接于第一及第二导电元件的导线，用于输出电信号，在图1中未示出。

本发明的复合式发电机中，第一导电元件21连接至等电位，所述等电位可以为等电位源或者地电位，第一摩擦层11、第一衬底12和第一导电元件21形成静电感应发电组件，在第一导电元件21与等电位源(或者地电位)之间可以连接负载等实现静电感应发电组件的输出。第一导电元件21和第二导电元件24连接至等电位源或者地电位，第二摩擦层22、第三摩擦层23、第一导电元件21和第二导电元件24形成接触摩擦发电组件，在第一导电元件21与等电位源(或者地电位)之间可以连接负载等实现接触摩擦发电组件的输出，在第二导电元件24与等电位源(或者地电位)之间也可以连接负载等实现接触摩擦发电组件的输出。

本发明的复合式发电机，对应于自然环境中液体的运动，而可以同时驱动两种发电机同时工作。以液体水为例，不管第一摩擦层11的上表面带不带电，当带电水滴落下，且能够与第一摩擦层11的上表面至少部分接触后分离，便可以在第一导电元件21产生电信号输出，这是静电感应发电组件的输出信号；此外，水滴落或流动水所携带的机械动能也会促使第二摩擦层22和第三摩擦层23接触并产生电荷转移，此时在第一导电元件21及第二导电元件24也会产生电信号输出，这是接触摩擦发电组件的输出信号。只要水落下时能与第一摩擦层11的上表面在接触状态和分离状态之间往复切换，即可在第一导电元件21及第二导电元件24形成感应电荷，对外电路产生交流脉冲电信号输出。

为了提高发电机的输出性能，优选在第一摩擦层11上表面、第二摩擦层22下表面及第三摩擦层23上表面的全部或部分表面包括有纳米、微米或次微米量级的微纳结构层，当水落下或者第一摩擦层11上表面与水接触时，此时会有两种功效，一是微纳结构层的设置能够增加第二摩擦层22和第三摩擦层23的有效接触面积，提高面电荷密度及接触摩擦发电组件的电输出；另外还可以利用微纳结构层调节第一摩擦层11的疏水性，控制第一摩擦层11与水每次接触后的分离程度及静电感应发电组件的电输出。因此，优选的，第一摩擦层11上表面的微纳结构层为超疏水纳米材料，例如二氧化钛、氧化锌、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷等纳米线阵列结构，特别是荷叶表面或者是昆虫足等超疏水纳米结构层。

另外，可以根据液体的极性，来选择性操控第一摩擦层11上表面的亲水或疏水性能，以增加液体与第一摩擦层11上表面接触分离时的感应电荷密度。优选的，第一摩擦层11的上表面材料为疏水材料，所述液体为极性液体；或者，第一摩擦层11的上表面为亲水材料，液体为非极性液体。极性液体可以为水、甲酸、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙酸、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、乙腈或丙酮等，非极性液体可以为己烷、苯、甲苯、二乙醚、氯彷、乙酸乙酯、四氢呋喃或二氯甲烷。

微纳结构层优选为纳米线、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、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列。阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，具体微纳米结构层中的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。第一摩擦层11、第二摩擦层22及第三摩擦层23上表面的微纳结构层可以是通过光刻蚀、化学刻蚀和等离子刻蚀等方法在摩擦层的下表面制备，也可以为在制备摩擦层材料时直接形成。优选的，微纳结构层的厚度介于20nm-20μm之间。

此外，为了达到上述目的，还可以在第一摩擦层11、第二摩擦层22及第三摩擦层23的表面点缀或涂覆纳米材料形成上述微纳结构层。该纳米材料可以选自纳米颗粒、纳米管、纳米线和纳米棒。根据实际需要可以具体选自二氧化钛纳米颗粒、二氧化钛纳米线、二氧化钛纳米棒、二氧化钛纳米管、二氧化硅纳米颗粒、二氧化硅纳米线、二氧化硅纳米棒、二氧化硅纳米管、聚二甲基硅氧烷纳米颗粒、聚二甲基硅氧烷纳米线或聚二甲基硅氧烷纳米棒、聚二甲基硅氧烷纳米管、聚四氟乙烯纳米颗粒、聚四氟乙烯纳米线、聚四氟乙烯纳米棒和聚四氟乙烯纳米管。以下将结合附图，对本发明的收集液体流动能量的发电机的各组成部分进行详细的说明。

本发明的发电机，无论是液体的运动使第一摩擦层11的上表面与液体在接触状态和分离状态之间往复切换，还是通过控制第一摩擦层11的移动来使第一摩擦层11与液体在接触状态和分离状态之间往复切换，在第一导电元件21及第二导电元件24之间形成交流脉冲输出的过程是相似的，以水的运动使第一摩擦层11的上表面与水在接触状态和分离状态之间往复切换为例，结合图1的发电机结构，对单个水滴的工作过程进行具体说明，静电感应发电组件及接触摩擦发电组件的工作模式皆设计成单电极输出模式，发电组件仅有一个电极层与负载、检测装置等外电路连接，参见图2及图3，这里的两个发电组件的电极层各自通过检测装置连接至地电位，在实际使用时也可以连接至等电位源。

图2中的(a)-(d)为静电感应发电组件工作原理：

(1)参见图2中的(a)，带电的水滴41由一定高度落下，尚未接触到第一摩擦层11的上表面(包括微纳结构层)，此时第一导电元件21尚无感应电荷，发电机也无输出；

(2)参见图2中的(b)，带电的水滴41部分接触到第一摩擦层11的上表面(包括微纳结构层)，由于静电作用，造成电子从地电位端流向导第一导电元件21，此时静电感应发电组件便产生正向的输出；

(3)参见图2中的(c)，带电的水滴41更多部分接触到第一摩擦层11的上表面(包括微纳结构层)，更多的电子从大地端流向第一导电元件21，最后达平衡；

(4)参见图2中的(d)，当带电的水滴从第一摩擦层11的上表面(包括微纳结构层)离开，造成电子又从第一导电元件21流向大地端,此时静电感应发电组件产生反向的输出，最后回到原始状态，参见图4(_a)。

可见，当第一摩擦层11上表面和水在接触状态和分离状态之间往复切换时，产生的上述静电感应发电组件交流脉冲电信号由导电元件的引出线进行输出，从而形成脉冲信号。

图3中的(a)-(e)为接触摩擦发电机工作原理：

(1)参见图3中的(a)，带电的水滴由一定高度落下，尚未接触到第一摩擦层11的上表面(包括微纳结构层)，第二摩擦层22与第三摩擦层23分离，此时尚无电荷转移，发电机也无输出；

(2)参见图3中的(b)，带电的水滴部分接触到第一摩擦层11的上表面(包括微纳结构层)，在此外力的作用下，第二摩擦层22下表面与第三摩擦层23上表面相互接触，在接触的瞬间发生表面电荷转移，形成一层表面接触电荷；由于第二摩擦层22与第三摩擦层23的材料在摩擦电极序中的位置不同，第二摩擦层22表面产生负电荷，而第三摩擦层23表面产生正电荷，两种电荷的电量大小相同；

(3)参见图3中的(c)，带电的水滴从第一摩擦层11的上表面(包括微纳结构层)离开，即外力消失时，由于连接件31的作用，第二摩擦层22与第三摩擦层23之间发生分离，导致第一导电元件21及第二导电元件24分别与地电位产生电位差，此时电子会从第一导电元件21流向地电位及从地电位流向第二导电元件24，该过程即产生了通过外电路/负载的瞬时脉冲电流，最后达平衡，参见图3中的(d)；另外由此我们可以知道当带电的水滴从第一摩擦层11的上表面离开时，会同时造成静电感应发电组件及接触摩擦发电组件从第一导电元件21的同步输出；

(4)参见图3中的(e)，当另外带电的水滴又落在第一摩擦层11的上表面(包括微纳结构层)时，又会造成第一导电元件21及第二导电元件24分别与地电位产生电位差，此时电子会从地电位流向第一导电元件21及从第二导电元件24流向地电位，形成方向相反的瞬时电流，参见图中的箭头所示，最后达平衡，参见图3中的(b)；另外由此我们可以知道当带电的水滴落在第一摩擦层11的上表面，也会同时造成静电感应发电组件及接触摩擦发电组件从第一导电元件21的同步输出；

可见，当第一摩擦层11上表面和水在接触状态和分离状态之间往复切换时，产生的上述接触摩擦发电组件交流脉冲电信号由第一导电元件的引出线进行输出，从而形成脉冲信号。

实际中，第一摩擦层11的上表面经过其他物体的摩擦等作用，通常其上表面带有少量电荷，并且该电荷能够长时间保留。对于发电机的第一摩擦层11的上表面带有电荷的情况，其发电原理与图2中的(a)-(d)及图3中的(a)-(e)类似，在这里不再复述。

以下将对本发明复合式发电机中的静电感应发电组件及接触摩擦发电组件做详细的介绍，首先是静电感应发电机，对于第一摩擦层11的硬度、厚度、形状以及材料等方面的要求介绍如下：

(1)本发明并不限定第一摩擦层11或者其上表面包括的微纳结构层必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度并不影响第一摩擦层11与液体例如水二者之间的接触效果，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择。

(2)第一摩擦层11的厚度对本发明的发电机的性能有显著影响，只是在制备的过程中需要综合考虑摩擦层强度与疏水效果及发电效率等因素。本发明优选摩擦层为薄层，厚度为50nm-2cm，优选100nm-1cm，更优选500nm-5mm，更优选1μm-2mm，这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。第一摩擦层11的厚度越薄越好，但由于现有技术局限，最优选为1μm-100μm。

(3)本发明对第一摩擦层11以及其上表面的微纳结构层的形状没有特殊限制，只要保证第一摩擦层11上表面与液体至少有部分接触即可。但是，为了获得更好的交流脉冲信号输出性能，第一摩擦层11上表面的性能最好能与液体的性质相配合，如液体为极性大的液体水，第一摩擦层11上表面的组成及结构优选为输水结构或超输水结构，才能确保第一摩擦层11和水接触后能尽量分开，以产生最大的感应电荷密度。

另外，第一摩擦层11上表面的微纳结构层可以与第一摩擦层11的材料相同，也可以不同，优选为相同。第一摩擦层11或者其上表面的微纳结构层的材料可以为绝缘材料。此处列举一些常用的绝缘材料：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT和派瑞林AF4。

半导体也可以代替绝缘体作为制备第一摩擦层11或者其上表面的微纳结构层的原料。常用的半导体包括：硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的第一摩擦层11，例如钛、锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化钛、氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。

限于篇幅的原因，并不能对所有可能的作为第一摩擦层11或者其上表面的微纳结构层的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的材料供人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据第一摩擦层11材料以及液体所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

优选的，微纳结构层的材料与第一摩擦层11的材料相同，采用疏水组成的聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。

可以采用现有的模板制备方法，制备第一摩擦层11材料的同时直接在第一摩擦层11材料上表面形成微纳结构层，与先制备第一摩擦层11材料，再在第一摩擦层11的上表面制备维纳结构层相对比，本发明中采用的方法简化了制备方法、降低了成本，同时还为发电机的电信号优化输出提供了一条新的途径。

此外，也可以对第一摩擦层11上表面或者液体进行化学改性，能够进一步提高接触瞬间液体或第一摩擦层11的带电量，从而提高感应电荷密度和发电机的输出功率。化学改性又分为如下两种类型：

一种方法是，比较第一摩擦层11与液体两种材料的极性，在极性为正的材料中引入更易失电子的官能团(即强给电子基团)；或者，在极性为负的材料中引入更易得电子的官能团(强吸电子基团)。这种方法能够进一步提高液体与第一摩擦层11接触瞬间液体的带电量，从而提高感应电荷密度和发电机的输出功率。强给电子基团包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子基团包括：酰基、羧基、硝基、磺酸基等。优选的，在第一摩擦层的上表面进行官能团的引入。官能团的引入可以采用等离子体表面改性等常规方法。例如可以使氧气和氮气的混合气在一定功率下产生等离子体，从而在第一摩擦层11材料上表面引入氨基。

另外一种方法是，比较第一摩擦层11与液体两种材料的极性，在极性为正的材料中引入正电荷；或者，在极性为负的材料中引入负电荷。引入电荷的步骤具体可以通过化学键合的方式实现。例如，可以在聚二甲基硅氧烷摩擦层的表面利用溶胶-凝胶的方法修饰上正硅酸乙酯，而使其带负电。本领域的技术人员可以根据当时环境液体或者第一摩擦层11易带的电性和表面化学键的种类，选择合适的改性材料与其键合，以达到本发明的目的，因此能够实现上述目的的化学改性材料和方法都在本发明的保护范围之内。由于本发明的发电机可以应用在收集自然界中流动液体例如雨水的能量，优选的，在第一摩擦层11的上表面引入电荷。

(4)本发明对第一摩擦层11上表面与液体的间距没有特殊要求，但是为了使在液体运动过程中，经由空气摩擦过程，使液体的表面能产生较大的带电性,优选该间距应大于20cm以上。当然，液体通过摩擦获得表面电荷，除了与空气摩擦外，也可以与水管等液体流经路径上的其他材料摩擦获得表面电荷。

第一导电元件21作为静电感应发电组件的电极，需要具备能够导电的特性，可以选择常用的导电材料，具体第一导电元件11材料的选择不作为限定本发明保护范围的因素，本领域常用的材料为：金属，选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒，以及由上述金属形成的合金；导电氧化物，例如氧化铟锡ITO；有机物导体一般为导电高分子，可以选择自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。优选地，第一导电元件21的材料为铜、金、银或铂。也可以将厚度较大的导电材料例如金属板直接贴合在第一衬底12上来固定形成第一导电元件21。

静电感应发电组件中，第一导电元件21优选与第一衬底12的下表面紧密接触，以保证电荷的诱导效率；可以采用沉积的方法在摩擦层10的下表面制备第一导电元件21，例如电子束蒸发、等离子体溅射、磁控溅射或蒸镀等方法。

第一导电元件21除了可以与地电位连接外，也可以与其他能够提供电荷的等电位源电连接，在导电元件附件的电场发生变化时，等电位源可以提供足够的电荷来平衡该电场的变化。

第一导电元件21可以是薄膜或薄层，厚度的可选范围为10nm-2cm，优选为50nm-5mm，更优选为100nm-1mm，更优选为500nm-500μm，更优选为1μm-100μm。第一导电元件21并不必须限定是硬质的，也可以是柔性的，因为柔性导电元件同样可以起到对第一摩擦层11的支撑和导电作用。第一导电元件21通过导线或金属薄层与外电路连接来输出静电感应发电组件的电信号。

前述实施例中，静电感应发电组件包括第一衬底12，在其他实施例中，只要第一导电元件21的强度足够，也可以省略第一衬底12。由于本发明的发电机应用于液体中，因此，只要第一摩擦层11的下表面能够覆盖第一导电元件21，保证液体不会与发电机的任何一个导电元件直接接触即可。因此，可以采用第一摩擦层11与第二摩擦层22共同将第一导电元件21完全覆盖。

本发明的另一特点是第一衬底12、第一导电元件21和第一摩擦层11可为软性或硬性的衬底,且依据衬底的选择,整个发电机的大小及厚度操控性极大,这对于实际应用上有极大的益处,如对于瀑布及海浪等能量的收集,我们可以製备大尺寸的发电机。在雨水的部分,除了大面积，优选导电元件、衬底和摩擦层以及连接件均为透明材料,使得整个发电机为高透光性,适合使用在玻璃上。另外家庭及工业废水能量的收集,则可以制备薄片状的发电机,可以一次置入多个发电机于特定的水会流经过的地方,以达有效利用的目的。技术人员可以根据发电机的实际使用情况作出合适的选择，在此不应限制本发明的保护范围。

本发明的发电机可以用来收集各种液体的流动能量，只要液体可以自身带有电荷，即可在与发电机接触分离过程中产生电能输出。典型的液体可以为水，特别是雨水、海水、自来水等。其他液体，例如甲苯、二甲苯、環己烷、石油醚、矿油精、过氯乙烯、乙醚或四氯化碳等。

本发明复合式发电机中的接触摩擦发电组件利用了具有不同摩擦电极序的摩擦层材料接触时发生表面电荷转移的原理。这里所述的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。本发明人发现如果两种材料在摩擦电极序中处于较接近的位置，接触后电荷分布的正负性可能并不符合该序列的预测。需要进一步说明是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可，因此，从严格意义上讲，摩擦电极序的表述是不准确的，但由于历史原因而一直沿用至今。

本发明中所述的“摩擦电荷”或“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度约为10纳米。研究发现，该电荷能够保持较长的时间，根据环境中湿度等因素，其保持时间在数小时甚至长达数天，而且其消失的电荷量可以通过再次接触得以补充，因此，本发明人认为，在本发明中接触电荷的电量可以近似认为保持恒定。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。

复合式发电机中的接触摩擦发电组件中，第二摩擦层22的下表面材料与第三摩擦层23的上表面材料需要存在摩擦电极序差异。

绝缘体材料，例如常规的高分子聚合物都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明第二摩擦层22与第三摩擦层23的材料，此处列举一些常用的高分子聚合物材料：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。

半导体和金属也可以代替上述绝缘体材料作为制备第二摩擦层22与第三摩擦层23的材料。常用的半导体包括：硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等，因此以下列出的半导体材料均可作为本发明中的第一转盘的摩擦层或者第二转盘的摩擦层的材料：SnO₂、ZnO、TiO₂、In₂O₃、ZnS、ZnSe、ZnTe、GaN、Se、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge、PbS、InGaAs、PbSe、InSb、PbTe、HgCdTe、PbSn、HgS、HgSe、HgTe等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃；常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的摩擦层材料，例如铟锡氧化物ITO。

限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的可以作为第二摩擦层22与第三摩擦层23的材料供参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

通过实验发现，当第二摩擦层22与第三摩擦层23表面材料的得失电子能力相差越大(即在摩擦电极序中的位置相差越远)时，接触摩擦发电机组件的电输出越大。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备第二摩擦层22与第三摩擦层23，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电极序的材料优选聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4；具有正极性的摩擦电极序材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银和钢。

第二摩擦层22或第三摩擦层23采用导电材料时，相应的第一导电元件21及第二导电元件24可以省略，由导电的摩擦层材料直接充当导电元件，能够进一步简化发电机的结构。

本发明的发电机中，还可以对第二摩擦层22的表面和/或第三摩擦层23的表面进行物理改性，使其部分或全部表面具有微米或亚微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层，以增强第二摩擦层22与第三摩擦层23之间的接触面积。所述微结构可以选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。优选为在第二摩擦层22的表面、第三摩擦层23的表面包括上述微、纳米结构中一种或者几种结构形成的阵列。

另外，还可以在第二摩擦层22的表面和/或第三摩擦层23的表面进行化学改性，能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高接触电荷密度和发电机的输出功率。化学改性又分为如下两种类型：

一种方法是对于相互摩擦的第二摩擦层22和第三摩擦层23，在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团(即强给电子团)，或者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团(强吸电子团)，都能够进一步提高电荷在相互接触时的转移量，从而提高摩擦电荷密度和发电机的输出功率。强给电子团包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子团包括：酰基、羧基、硝基、磺酸基等。官能团的引入可以采用等离子体表面改性等常规方法。例如可以使氧气和氮气的混合气在一定功率下产生等离子体，从而在摩擦层材料表面引入氨基。

另外一种方法是对于相互摩擦的第二摩擦层22和第三摩擦层23，在极性为正的材料表面引入正电荷，而在极性为负的材料表面引入负电荷。具体可以通过化学键合的方式实现。例如，可以在聚二甲基硅氧烷PDMS摩擦层表面利用溶胶-凝胶的方法修饰上正硅酸乙酯(TEOS)，而使其带负电。也可以在金属金薄膜层上利用金-硫的键结修饰上表面含十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的金纳米粒子,由于十六烷基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个摩擦层变成带正电性。本领域的技术人员可以根据摩擦层或电极层材料的得失电子性质和表面化学键的种类，选择合适的修饰材料与其键合，以达到本发明的目的，因此这样的变形都在本发明的保护范围之内。

优选的，第二摩擦层22和第三摩擦层23选择弹性材料或柔性材料，可以增加受到外力作用时的接触面积。同样，第一导电元件21、第二导电元件24、第一衬底12或第二衬底32也可以为弹性材料或者柔性材料，使本发明的摩擦发电组件成为一个柔性器件。

本发明的发电机中，优选的，第二衬底与第三摩擦层将第二导电元件完全覆盖，避免液体与第二导电元件接触。

尽管附图中所示的发电机结构中，第二摩擦层22和第三摩擦层23在接触过程中互相接触的表面均为平面，实际中第二摩擦层22的下表面与第三摩擦层23上表面在接触过程中互相接触的表面可以为曲面或者不平整的凹凸结构表面，优选的，第二摩擦层22与第三摩擦层23在接触过程中互相接触的表面形状相同或互补，使得在有外力施加时，第二摩擦层22表面与第三摩擦层23表面完全接触。

本发明的发电机中，连接件可以为弹性材料，例如弹簧或者弹性海绵或者橡胶等材料，连接在第一衬底与第二衬底之间，也可以连接在两个导电元件之间或者第二摩擦层与第三摩擦层之间，具体连接位置不应限制本发明的发电机的保护范围。本领域的技术人员可以根据连接件的材料或者发电机的尺寸进行选择连接件的连接位置，使第二摩擦层与第三摩擦层面对面设置。

下面以一个实际的例子展示本发明的发电机，首先，选择厚度为0.1mm的聚对酞酸乙二酯(PET)当作第一衬底12，厚度为2mm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)当作第二衬底32，再利用激光切割的方法切出1.8cm×1.8cm的方块。在第一衬底12的下表面及第二衬底32的上表面沉积上厚度为100nm的Cu薄膜当作第一导电元件21及第二导电元件24。之后在第一导电元件21的上表面覆盖上厚度为25μm聚四氟乙烯(PTFE)的膜当作第二摩擦层22，在第二导电元件24上表面沉积上厚度为20nm的SiO₂薄膜当作第三摩擦层23；PTFE是属于在摩擦序列表上极负的位置，而SiO₂是属于在摩擦序列表上极正的位置，这样的组合将可以使接触摩擦发电机提供较大的电输出。接下来在第一衬底12的上表面直接利用水热法生长具备超疏水性的二氧化钛纳米材料当作第一摩擦层11；在第三摩擦层23的上表面则利用自组装的方法排列上SiO₂纳米粒子(纳米粒子尺寸约200nm)，进一步增加第二摩擦层22和第三摩擦层23的接触面积，也使接触摩擦发电组件的电输出增加。最后利用厚度为0.5mm的PET膜及胶带当作连接件31来整合成一个复合式的纳米发电机；通过导线将第一导电元件21与第二导电元件24分别与地电位连接。

图4中的(a)及图4中的(b)分别是第一摩擦层11及第三摩擦层23的扫描式电子显微镜影像，可看出其兼具纳米结构及均匀分散的特性。图4中的(c)为水滴在第一摩擦层11上的接触角，经分析后显示为156°，显示出良好的超疏水特性。图4中的(d)为使用第一摩擦层11对亚甲蓝(Methyleneblue)的光催化效果，可看出在太阳光强度(100mW/cm²)照射下，90分钟内即可分解掉亚甲蓝溶液(20μM,10mL)。另外图4中的(e)及图4中的(f)代表了大肠杆菌溶液(4.0×10⁶CFU/mL)同样在太阳光强度的光照条件下60分钟，无第一摩擦层11存在和有第一摩擦层11存在，其存活率分别是84％和17％，可见其有好的抗菌效果。这些数据均解释在之后使用本发明中的复合式发电机收集环境中水流动的能量时，将同时具有纯化水的功能，这也是第一个具备此功能性的纳米发电机。

选择二氧化钛纳米材料来当作第一摩擦层11的材料，除了其可直接生长在第一衬底12的上表面形成超疏水层，更重要的是其代表了选择特殊的纳米材料来组建静电感应发电机可丰富本发明中复合式发电机的功能性。优选的，第一摩擦层上表面的材料或者微纳结构层为光催化材料，如TiO₂等，发电机应用在户外时，第一摩擦层的材料同时可以起到纯化水的作用。

在本发明复合式发电机中的静电感应发电组件还可具备传感器功能，其中，第一摩擦层11的上表面为疏水或者超疏水结构，图5中的(a)-(d)为利用复合式发电机中的静电感应发电组件检测水中所含的乙醇浓度的测量结果。样品溶液设定由50cm的高度落下，每滴样品溶液体积为30μL。图5中的(a)为样品溶液为纯水，静电感应发电组件所输出的短路电流，其值约为14μA；然而当样品溶液改为含20％体积浓度的乙醇溶液时，如图5中的(b)所示，静电感应发电机所输出的短路电流值降为3μA。我们便可由静电感应发电组件电输出信号的改变来定量样品溶液所含的乙醇浓度，如图5中的(c)所示。此外，我们也可藉由LED的使用来取代较为昂贵的电输出测量仪器，这也意谓在将来可发展成可携式的自发电传感器；样品溶液为纯水时，静电感应发电机所提供的电输出较大，可直接点亮LED，然而当样品溶液含20％浓度的乙醇时，静电感应发电机所提供的电输出减小，此时已点不亮LED。此传感器的原理主要是乙醇的存在会减少样品溶液所带的表面电荷，如图5中的(d)所示，当乙醇浓度提高时，所测得的感应电荷量会逐渐下降。

图6中的(a)及图6中的(b)是本发明复合式发电机(1.8cm×1.8cm)第一导电元件作为输出端(图6中的(a))及第二导电元件作为输出端(图6中的(b))的开路电压随时间变化曲线，如图所示，两个输出端的开路电压分别是52V和35V。图6中的(c)及图6中的(d)是本发明复合式发电机第一导电元件作为输出端(图6中的(c))及第二导电元件作为输出端(图6中的(d))的短路电流随时间变化曲线，如图所示，两个输出端的短路电流分别是14μA和7μA。图6中的(e)及图6中的(f)是本发明复合式发电机第一导电元件作为输出端(图6中的(e))及第二导电元件作为输出端(图6中的(f))的瞬时输出功率随连接不同电阻值负载的变化曲线，如图所示，两个输出端的瞬时输出功率分别可达到1.31W/m²和0.38W/m²。以上的测试，水流的流量均调整在20mL/s的条件下。

为了显示本发明复合式发电机的应用前景，我们展现了此发电机的尺寸可随意调整，以适应环境中不同流量的液体。图7为将本发明复合式发电机的尺寸为3.3cm×3.3cm的结构示意图，其中连接件可以为网格状。图8中的(a)及图8中的(b)是图7所示的复合式发电机第一导电元件(图8中的(a))及第二导电元件输出(图8中的(b))的短路电流随时间变化曲线，如图所示，第一导电元件和第二导电元件输出的短路电流分别是43μA和18μA。此时水流的流量调整在40mL/s。图8中的(c)为复合式发电机第一导电元件和第二导电元件输出(Output1和Output2)的短路电流整流过后可用来驱动LED，说明本发明提供的复合式纳米发电机可以将流动水的能量直接转换为可以实用的电能。图8中的(d)为第一导电元件和第二导电元件输出(Output1和Output2)的短路电流整流过后来为33μF的商业用电容充电，量测到的电压值，在三分钟左右可充到约1.4V及3.0V，证实发电机的输出电信号确实可为生活中所使用电器充电，明确的显示出其应用潜力。

相应的，本发明还提供一种基于流动液体的发电方法，该方法应用上述的任意一个发电机，所述液滴或流动的液体经过摩擦带电后与第一摩擦层11的上表面至少部分接触后分离，在第一导电元件22产生感应电荷，并在第一导电元件22与等电位之间向外输出电信号。

所述液滴或流动的液体的机械能使第二摩擦层22与第三摩擦层23互相接触后分离，在第一导电元件21与等电位之间和第二导电元件23与等电位之间形成电信号输出。

相应的，本发明还提供一种液体中乙醇浓度的传感方法，该方法应用上述的乙醇浓度传感器，不同乙醇浓度的液体接触第一摩擦层11后离开第一摩擦层11，第一导电元件21输出的电信号不同。

本发明提供的液体中乙醇浓度的传感方法和传感器中，所述的液体优选为水。

至此，已经结合附图对本发明多个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的基于水接触的发电机、发电方法以及其制备方法有了清楚的认识。

此外，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。并且上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，包括：

第一衬底；

所述第一衬底上表面设置的第一摩擦层；

所述第一衬底下表面设置的第一导电元件；所述第一导电元件连接至等电位；

所述第一导电元件下表面设置的第二摩擦层；

第二衬底；

所述第二衬底上设置的第二导电元件；所述第二导电元件连接至等电位；

所述第二导电元件上表面设置的第三摩擦层；

连接件，所述连接件使所述第二摩擦层与第三摩擦层面对面设置；

当带电荷的液滴或流动的液体至少部分接触所述第一摩擦层时，所述液体带有的电荷使所述第一导电元件上的电荷在等电位与第一导电元件之间流动；

所述带电荷的液滴或流动的液体的机械能使所述第二摩擦层与所述第三摩擦层表面接触，所述液体离开发电机时，所述连接件使所述第二摩擦层与第三摩擦层互相分离，使所述第一导电元件与等电位之间形成电流，所述第二导电元件与等电位之间形成电流。

2.根据权利要求1所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的上表面为电中性或带有电荷。

3.根据权利要求1所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的组成为绝缘体材料或半导体材料；

所述第二摩擦层和第三摩擦层组成为金属、绝缘体材料或半导体材料，并且所述第二摩擦层下表面和第三摩擦层上表面的材料存在摩擦电极序差异。

4.根据权利要求3所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述绝缘材料选择下列一种或几种：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。

5.根据权利要求3所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述半导体材料选择下列一种或几种材料：硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体；

或者，所述半导体材料选择下列一种或几种材料：锰、铬、铁、铜的氧化物，或者氧化硅、氧化钛、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。

6.如权利要求3所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述金属选自下列材料中的一种或者几种：金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一摩擦层上表面、第二摩擦层下表面和/或第三摩擦层上表面的部分或全部表面包括微纳结构层，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，或者由前述结构形成的阵列。

8.根据权利要求7所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一摩擦层、第二摩擦层和/或第三摩擦层的材料与其表面的微纳结构层的材料相同。

9.根据权利要求7或8所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述微纳结构层为制备所述摩擦层时直接形成；

或者，所述微纳结构层为在所述摩擦层的表面点缀或涂覆纳米材料层形成；

或者，所述微纳结构层为通过光刻蚀、化学刻蚀和等离子刻蚀等方法在所述摩擦层的表面制备。

10.根据权利要求7-9任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一摩擦层上表面或者在其上的微纳结构层为亲水或者疏水结构。

11.根据权利要求1-10任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的上表面为疏水材料，所述液体为极性液体；或者，所述第一摩擦层的上表面为亲水材料，所述液体为非极性液体。

12.根据权利要求11所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，极性液体为水、甲酸、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙酸、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、乙腈或丙酮；

所述非极性液体为己烷、苯、甲苯、二乙醚、氯彷、乙酸乙酯、四氢呋喃或二氯甲烷。

13.根据权利要求1-12任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一摩擦层、第二摩擦层及第三摩擦层为硬质材料或柔性材料。

14.根据权利要求1-13任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一衬底的材料与所述第一摩擦层的材料相同，所述第一摩擦层代替所述第一衬底，并且所述第一摩擦层与第二摩擦层共同将所述第一导电元件完全覆盖。

15.根据权利要求1-14任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第三摩擦层与第二衬底共同将所述第二导电元件完全覆盖。

16.根据权利要求1-15任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一摩擦层、第二摩擦层及第三摩擦层其厚度范围为50nm-2cm。

17.根据权利要求7-16所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述微纳结构层的厚度介于20nm-20μm之间。

18.根据权利要求1-17任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一衬底和/或第二衬底的材料为硬质材料或柔性材料。

19.根据权利要求1-18任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一导电元件为在所述第二摩擦层的上表面沉积形成的薄膜；

和/或，所述第二导电元件为在所述第三摩擦层的下表面沉积形成的薄膜。

20.根据权利要求1-19任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一导电元件和/或第二导电元件为硬质材料或柔性材料，厚度介于10nm-500μm之间。

21.根据权利要求1-20任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述连接件为弹性部件。

22.根据权利要求1-21任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述等电位为地电位或者等电位源。

23.根据权利要求7-22任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的上表面或者表面的微纳结构层的材料为光催化材料。

24.根据权利要求1-23任一项所述的基于流动液体的复合式发电机，其特征在于，所述第一衬底、第二衬底、第一导电元件、第二导电元件、第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层均为透明材料。

25.一种基于流动液体的发电方法，其特征在于，利用权利要求1-24任一项所述发电机，所述液滴或流动的液体经过摩擦带电后与所述第一摩擦层的上表面至少部分接触后分离，在所述第一导电元件产生感应电荷，并在所述第一导电元件与等电位之间向外输出电信号。

26.根据权利要求25所述的基于流动液体的发电方法，其特征在于，还包括，

所述液滴或流动的液体使所述第二摩擦层与第三摩擦层互相接触后分离，在第一导电部件与等电位之间和第二导电部件与等电位之间形成电信号输出。

27.一种液体中乙醇浓度传感器，其特征在于，采用权利要求1-24任一项所述的发电机，所述第一摩擦层上表面为疏水或者超疏水结构，所述第一导电元件输出电信号强度随所述液体中所含乙醇浓度不同而变化。

28.一种液体中乙醇浓度的传感方法，其特征在于，应用权利要求27所述的传感器，不同乙醇浓度的液体接触所述第一摩擦层后离开第一摩擦层，所述第一导电元件输出的电信号不同。