CN110208614B - 一种基于固液混合液滴的摩擦发电测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于固液混合液滴的摩擦发电测试系统，包括用于形成固液混合液体的固液混合单元、用于精确控制固液混合液体滴落速度的流速控制单元、用于与滴落的固液混合液滴发生摩擦并产生电荷的摩擦发电单元，以及用于实时采集并分析摩擦发电所产生的电信号，实现基于固液混合液滴的摩擦发电测试的摩擦发电测试单元。本发明能够实现基于固液混合液滴与固体电极表面之间的摩擦发电的研究，有利于更深入的了解固液两相混合流体与固体表面摩擦起电的机理，为收集海洋能的摩擦纳米发电机的设计提供科学参考，具有重大的应用价值及意义。同时，本发明系统具有体积小、建造成本低、发电效率高等优点。

Description

一种基于固液混合液滴的摩擦发电测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于固液混合液滴的摩擦发电测试系统及方法，属于液滴摩擦发电测试研究领域。

背景技术

随着石油、煤炭、天然气等不可再生化石能源储备量的日益减少，以及环境污染问题的日趋严重，海洋能等可再生非化石能源的开发和利用显得越发重要。海洋约占地球表面的70％，因此，对如何合理有效地利用海洋能提出了越来越高的要求。

目前，传统的收集海洋能的装置是电磁发电机，利用海水的机械能进行切割磁感线运动从而将机械能转化为电能。然而，电磁发电机需要大型的磁线圈，具有体积大、建造成本高、发电效率低等弊端。

同时，在进行发明创造的过程中，本发明的发明人发现：海水中存在各种各样的固体颗粒，海水与固体摩擦副接触时，摩擦起电不仅存在于固体和液体的界面上，固体与固体间也存在接触起电现象。目前，有对于固体颗粒和固体之间以及单纯的液体和固体之间摩擦起电的输出的研究，却缺乏对固-液两相混合流体和固体之间的摩擦发电的研究。因此，有必要设计一种基于固液混合液滴的摩擦发电测试系统，并利用其研究固体颗粒对基于液体-固体接触起电的摩擦纳米发电机输出的影响具有重大的应用价值和意义。

发明内容

为实现上述目的，本发明提出了一种基于固液混合液滴的摩擦发电测试系统及方法。本发明主要采用如下技术方案：

一种基于固液混合液滴的摩擦发电测试系统，包括：

固液混合单元，用于将固体颗粒均匀的混合于液体中，形成固液混合液体。

流速控制单元，用于精确控制固液混合液体的滴落速度。

摩擦发电单元，用于与所述滴落的固液混合液滴发生摩擦并产生电荷。

摩擦发电测试单元，用于实时采集并分析摩擦发电所产生的电信号，实现基于固液混合液滴的摩擦发电测试。

液滴流动状态监测单元，用于实时采集固液混合液滴在摩擦发电单元表面的流动状态。

本发明还提出一种基于固液混合液滴的摩擦发电测试方法，包括以下步骤：

将一定质量比的液体和固体颗粒置于杯体中；

启动搅拌装置，将固体颗粒均匀的混合于液体中，形成固液混合液体，同时保持搅拌装置启动状态；

启动微流量泵，固液混合液体经由微流量泵以一定速度滴落在摩擦副上，发生摩擦并产生电荷；

通过摩擦发电测试装置以一定的采样频率实时采集摩擦发电所产生的电信号并传输给计算机；通过高速摄像机实时采集固液混合液滴在摩擦副表面上的流动状态并传输给计算机；

通过计算机实时分析并显示摩擦发电所产生的电信号以及固液混合液滴在摩擦副表面上的流动状态。

本发明带来的有益技术效果是：

本发明能够测试基于固液混合液滴的摩擦发电的输出，同时结合高速摄像机实时监测的固液混合液滴在固体电极表面的流动状态，从而实现基于固液混合液滴与固体电极表面之间的摩擦发电的研究，有利于更深入的了解固液两相混合流体与固体表面摩擦起电的机理，还可以探究固体颗粒对基于液体一固体接触起电的摩擦纳米发电机的输出所产生的影响，为收集海洋能的摩擦纳米发电机的设计提供科学参考，具有重大的应用价值和意义。同时，本发明系统具有体积小、建造成本低、发电效率高等优点。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的一种基于固液混合液滴的摩擦发电测试系统的结构框图；

图2是本发明另一个实施例提供的一种基于固液混合液滴的摩擦发电测试系统的结构示意图；

图3是本发明另一个实施例提供的固液混合单元的结构示意图；

图4是本发明另一个实施例提供的流速控制单元的结构示意图；

图5(a)是本发明另一个实施例提供的摩擦发电单元和液滴流动状态监测单元结构示意图；

图5(b)是本发明另一个实施例提供的电极底座结构示意图；

图6为本发明另一个实施例提供的摩擦副和电极片的结构及工作示意图；

图7为本发明另一个实施例提供的在相同测试条件下未加入固体颗粒的液体与摩擦副摩擦发电输出的电流信号示意图；

图8为本发明另一个实施例提供的在相同测试条件下加入固体颗粒的液体与摩擦副摩擦发电输出的电流信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

在一个实施例中，本公开揭示了一种基于固液混合液滴的摩擦发电测试系统，如图1所示，系统包括：

固液混合单元，用于将固体颗粒均匀的混合于液体中，形成固液混合液体。

流速控制单元，用于精确控制固液混合液体的滴落速度。

摩擦发电单元，用于与滴落的固液混合液滴发生摩擦并产生电荷。

摩擦发电测试单元，用于实时采集并分析摩擦发电所产生的电信号，实现基于固液混合液滴的摩擦发电测试。

本公开实施例至少带来如下有益技术效果：

本公开实施例通过将固体颗粒均匀混合于液体中，并精确控制其液滴滴落速度，使得摩擦发电单元与固液混合液滴发生摩擦并产生电荷，进一步通过测试并分析固液混合液滴与摩擦发电单元之间的摩擦发电的输出，实现基于固液混合液滴与固体电极表面之间的摩擦发电的研究，有利于更深入的了解固液两相混合流体与固体表面摩擦起电的机理，同时还可以探究固体颗粒对摩擦纳米发电机输出的增加或减小所产生的影响，为收集海洋能的摩擦纳米发电机的设计提供科学参考，具有重大的应用价值及意义。

在另一个实施例中，系统还包括液滴流动状态监测单元，用于实时采集固液混合液滴在摩擦发电单元表面的流动状态。

本实施例中，通过测试基于固液混合液滴的摩擦发电的输出，同时结合液滴流动状态监测单元实时监测的固液混合液滴在固体电极表面的流动状态，能够更精确的实现基于固液混合液滴与固体电极表面之间的摩擦发电的研究。

在另一个实施例中，如图2、图3所示，固液混合单元包括搅拌装置4和杯体3，杯体3中置有固体颗粒和液体，搅拌装置4设置于杯体3正上方，对杯体3中的固体颗粒与液体进行均匀搅拌。

本实施例中，通过搅拌装置对杯体中的固体颗粒和液体进行均匀搅拌，使固体颗粒均匀的混合于液体中，形成均匀的固液混合液体。

在另一个实施例中，为实现搅拌装置4和杯体3固定且高度可高，在搅拌装置4的一侧设置有第一固定架5，在杯体3下端设置有第二固定架2，第一固定5架与第二固定架2高度均可调。

具体的，如图3所示，搅拌装置4由电机4-1和搅拌棒4-2组成，搅拌棒4-2的上端与电机4-1连接，搅拌棒4-2的下端设有搅拌叶。第一固定架5由第一支架5-1和第一螺栓5-2组成，通过拧动第一螺栓5-2可实现第一固定架5的高度可调。第二固定架2由第二支架2-1、第二螺栓2-2和杯体卡套2-3组成，通过拧动第二螺栓2-2可实现第二固定架2的高度可调。电机4-1通过连接杆连接至第一支架5-1上，杯体3置于杯体卡套2-3内。可选的，搅拌装置4为JJ-1精密增力电动搅拌器，电机4-1转速范围为0-3000rpm。

本实施例中，通过第一固定架5和第二固定架2，既能实现对搅拌装置4和杯体3的固定，又能实现通过简单的拧动螺栓对搅拌装置4和杯体3的高度进行调节，具体结构简单、稳定性高、体积小、操作灵活等优点。

在另一个实施例中，如图2、图4所示，流速控制单元包括微流量泵7、连接微流量泵进水口的进水管6和连接微流量泵出水口的出水管9。其中，进水管6的进水侧置于杯体3中，出水管9的出水侧延伸至摩擦副的正上方，且保持距离摩擦副上表面高度3厘米。

本实施例中，微流量泵用于精确控制固液混合液体的流速，其型号为德国Bürkert7615，通过调节泵工作时的泵送频率来精确控制泵的输入输出流速，根据实际情况工作流速可控制为25μL/s、50μL/s、115μL/s或150μL/s。

在另一个实施例中，除微流量泵外，还可以使用蠕动泵或可编程注射泵来精确控制固液混合液体的流速。

在另一个实施例中，由于出水管9的内径大小会影响滴落的固液混合液滴的单个液滴的体积大小，内径越大，单个液滴体积越大。本实施例中，为保证单个液滴与摩擦副的接触面积，出水管9的内径优选2mm。

在另一个实施例中，进水管6和出水管9的长度均为30cm、外径为3mm、内径为2mm。

在另一个实施例中，为实现对微流量泵7的固定，流速控制单元还包括一泵固定架8，如图4所示。

在另一个实施例中，如图2、图5(a)、图6所示，摩擦发电单元包括电极底座12、放置于电极底座12上的电极片18和摩擦副10。摩擦副10覆盖在电极片18上，电极底座12上表面呈一定倾斜角度，固液混合液滴16滴落至摩擦副10上并沿倾斜角度流动，进而与固体摩擦副10发生摩擦并产生电荷。

在本实施例中，摩擦副10粘贴覆盖在电极片18上，摩擦副10由不同于电极片的材料制成，其中，电极片18为导电铜胶带，摩擦副10为PTFE(聚四氟乙烯)薄膜。电极片18和摩擦副10的尺寸均为5cm×5cm，电极底座12上表面倾斜角度在0°到45°之间可调。

在另一个实施例中，电极片18还可通过物理沉积或化学沉积的方法沉积在摩擦副10上。

在另一个实施例中，当电极底座12上表面呈25°倾斜时，固液混合液滴16与固体摩擦副10发生摩擦并产生电荷的效果最好。

在另一个实施例中，电极底座12设置于高速摄像机15与背光板11之间，为使电极底座12上表面与高速摄像机15的镜头、背光板11处于同一水平高度，在电极底座12下方设置一基座13。同时，为收集从摩擦副10上滴落固液混合液滴，在基座13的下方还设有一盛水皿14。

在另一个实施例中，如图5(b)所示，为实现电极底座12上表面角度可调，设置电极底座12为一可调节底座，电极底座12通过一可旋转装置12-1与基座13连接，可旋转装置12-1上设有一把手，通过转动把手调节电极底座12上表面与地面之间的倾斜角度。

在另一个实施例中，摩擦发电测试单元包括摩擦发电测试装置和计算机，摩擦发电测试装置与电极片连接。摩擦发电测试装置用于采集摩擦发电所产生的电信号并传输给所述计算机。

可选的，摩擦发电测试装置为万用表、静电计或电流放大器中的一个或多个仪器。其中，电流放大器采用美国Stanford Research SR570低噪音电流放大器。

在另一个实施例中，如图2、图5(a)所示，液滴流动状态监测单元包括高速摄像机15，高速摄像机15镜头与电极底座12上表面处于同一水平高度。高速摄像机15将采集到的固液混合液滴在摩擦副表面的流动状态实时传输给计算机，计算机实时分析并显示摩擦发电所产生的电信号以及固液混合液滴在摩擦副表面的流动状态。

在另一个实施例中，如图2、图5(a)所示，液滴流动状态监测单元还包括背光板11，高速摄像机15与背光板11分别设置于电极底座12的两侧，且背光板11与高速摄像机15处于同一水平高度。

在另一个实施例中，如图2所示，系统还包括一台面1，除上述所述的计算机外，固液混合单元、流速控制单元、摩擦发电单元、摩擦发电测试单元和液滴流动状态监测单元均固定于台面1上，实现装置的一体化设置。

基于相同的发明构思，本发明还提供了一种基于固液混合液滴的摩擦发电测试方法，包括上述任一所述的系统，包括以下步骤：

将一定质量比的液体和固体颗粒置于杯体中；

启动搅拌装置，将固体颗粒均匀的混合于液体中，形成固液混合液体，同时保持搅拌装置启动状态；

启动微流量泵，固液混合液体经由微流量泵以一定速度滴落在摩擦副上，固液混合液滴和摩擦副发生摩擦并产生电荷；

通过摩擦发电测试装置以一定的采样频率实时采集摩擦发电所产生的电信号并传输给计算机；通过高速摄像机实时采集固液混合液滴在摩擦副表面上的流动状态并传输给计算机；

通过计算机实时分析并显示摩擦发电所产生的电信号以及固液混合液滴在摩擦副表面上的流动状态。

在本实施例中，如图6所示，固液混合液滴16滴落在摩擦副10上，电极片18上产生电荷流动，通过摩擦发电测试装置17测得摩擦发电的输出电信号。

在另一个实施例中，在执行上述方法步骤之前，还执行如下步骤：

将电极片18和摩擦副10放置于电极底座12上，并将电极片18与摩擦发电测试装置17连接；

调整电极底座12的角度，使电极底座12上表面与地面之间呈一定倾斜角度；

调整搅拌装置4和杯体3到合适高度，同时将进水管6的进水侧置于杯体3中，出水管9的出水侧延伸到摩擦副10的正上方。

下面通过一具体实验测试对本发明实施例进行详细说明，但不作为对本发明的限定。

以PTFE薄膜(大小：5cm×5cm，厚度：0.1mm)作为摩擦副，导电铜胶带(大小：5cm×5cm，厚度：0.1mm)作为电极片，电极底座12上表面呈25°倾斜。

测试粒度为90-108μm的沙子颗粒与纯净水按照质量比为0.02混合得到的固液混合液滴滴落在PTFE薄膜摩擦副上产生电信号。

测试实验的环境为：湿度：40±2％，温度：25±0.2℃。使用型号为JJ-1精密增力型搅拌器持续搅拌沙子颗粒与纯净水的混合液体，搅拌速度为100rpm，使用德国Bürkert7615型微流量泵控制混合液体滴落的速度并保持在50μL/s，出水管9的内径为2mm，固液混合液滴的滴落高度保持为3cm，利用美国Stanford Research SR570低噪音电流放大器输出电流信号，静电计有2个接线端，一端接电极片，另一端接地，液体滴落时产生的是脉冲电流信号。图7为相同测试条件下未加入沙子颗粒的纯净水与PTFE薄膜摩擦副摩擦发电输出的短路电流，图8为相同测试条件下加入沙子颗粒的纯净水与PTFE薄膜摩擦副摩擦发电输出的短路电流。由图7、图8可以看到，在加入沙子颗粒后，摩擦发电的输出电流信号幅值由正变负，且脉冲电流信号的频率增加。

通过上述实验测试结果可以看出，本发明基于固液混合液滴与固体电极表面之间的摩擦发电的研究，有利于更深入的了解固液两相混合流体与固体表面摩擦起电的机理，同时还可以探究固体颗粒对摩擦纳米发电机输出的增加或减小所产生的影响，为收集海洋能的摩擦纳米发电机的设计提供科学参考，具有重大的应用价值和意义。通过本发明的基于固液混合液滴和固体表面摩擦起电现象，并结合电磁感应原理，设计新型的基于液体-固体接触起电的摩擦纳米发电机，相比于传统的收集海洋能的电磁发电机，能够更有效地收集海水的低频的机械能，并且发电装置更轻便，建造成本也更低廉。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于固液混合液滴的摩擦发电测试系统，包括：

固液混合单元，用于将固体颗粒均匀的混合于液体中，形成固液混合液体；

流速控制单元，用于精确控制固液混合液体的滴落速度；

摩擦发电单元，用于与所述滴落的固液混合液滴发生摩擦并产生电荷；

摩擦发电测试单元，用于实时采集并分析摩擦发电所产生的电信号，实现基于固液混合液滴的摩擦发电测试；

所述系统通过测试并分析固液混合液滴与摩擦发电单元之间的摩擦发电的输出，探究固体颗粒对摩擦纳米发电机输出的增加或减小所产生的影响，为收集海洋能的摩擦纳米发电机的设计提供科学参考；

其中，

所述固液混合单元包括搅拌装置和杯体，所述杯体中置有固体颗粒和液体，所述搅拌装置设置于杯体正上方，对所述杯体中的固体颗粒与液体进行均匀搅拌；

所述摩擦发电单元包括电极底座、以及放置于电极底座上的电极片和摩擦副；所述摩擦副覆盖在电极片上，所述电极底座上表面呈一定倾斜角度，所述固液混合液滴滴落至所述摩擦副上并沿所述倾斜角度流动，进而发生摩擦并产生电荷；

所述流速控制单元包括微流量泵、连接微流量泵进水口的进水管和连接微流量泵出水口的出水管；所述进水管的进水侧置于杯体中，所述出水管的出水侧延伸至摩擦副的正上方；

所述摩擦发电测试单元包括摩擦发电测试装置和计算机，所述摩擦发电测试装置与所述电极片连接；所述摩擦发电测试装置用于采集摩擦发电所产生的电信号并传输给所述计算机；

所述液滴流动状态监测单元包括高速摄像机，所述高速摄像机镜头与所述电极底座上表面处于同一水平高度；所述高速摄像机将采集到的固液混合液滴在摩擦副表面的流动状态实时传输给所述计算机；所述计算机实时分析并显示摩擦发电所产生的电信号以及固液混合液滴在摩擦副表面的流动状态。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括：

液滴流动状态监测单元，用于实时采集固液混合液滴在摩擦发电单元表面的流动状态。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，

所述电极片为导电铜胶带，所述摩擦副为PTFE薄膜，所述电极片和摩擦副的尺寸均为5cm ×5 cm，所述电极底座上表面倾斜角度在0°到45°之间可调。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，

所述搅拌装置的一侧设置有第一固定架，所述杯体下端设置有第二固定架，所述第一固定架与所述第二固定架高度均可调。

5.一种采用权利要求1至4任一所述的系统、基于固液混合液滴的摩擦发电测试方法，包括以下步骤：

将一定质量比的液体和固体颗粒置于杯体中；

启动搅拌装置，将固体颗粒均匀的混合于液体中，形成固液混合液体，同时保持搅拌装置启动状态；

启动微流量泵，固液混合液体经由微流量泵以一定速度滴落在摩擦副上，发生摩擦并产生电荷；

通过摩擦发电测试装置以一定的采样频率实时采集摩擦发电所产生的电信号并传输给计算机；通过高速摄像机实时采集固液混合液滴在摩擦副表面的流动状态并传输给计算机；

通过计算机实时分析并显示摩擦发电所产生的电信号以及固液混合液滴在摩擦副表面的流动状态。

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