CN110572071A - 一种发电方法和发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够充分利用水能源进行发电的方法和相应的发电装置。该方法包括以下步骤：设置疏水绝缘层，疏水绝缘层的两侧分别设有第一导电元件和第二导电元件；在疏水绝缘层靠近第一导电元件的一侧设置表面电荷；提供导电液体，在疏水绝缘层上导电液体与第一导电元件接触并使表面电荷接触面的面积发生变化，从而使第一导电元件和第二导电元件之间向外电路输出电信号。通过改变表面电荷接触面的面积，导致抗衡电荷在第一导电元件和第二导电元件之间发生移动，这种电荷的移动将水的机械能转换为了电能。相比于现有技术，可以有效提高当前水能源利用率，实现对水能源的充分利用。

Description

一种发电方法和发电装置

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其是涉及一种发电方法和发电装置。

背景技术

能源短缺是当今世界面临的一大难题，长久以来，人类都在使用着诸如石油等不可再生能源，石油化工产业的发展和油气产品的广泛应用使得人们面临严峻的能源危机以及全球变暖等问题。在此基础上，探寻高效的可再生能源采集方法，就成为了一个被广泛关注的重大课题。目前，风能、太阳能这类清洁低碳无污染的绿色能源越来越多地出现在发电领域。据统计，最近风力发电与太阳能发电的装机容量已接近总装机容量的15％。与这两种能源类似，水能源也是一种相对的清洁能源，但当前对水能源的利用主要集中在利用水的势能，通过拦水大坝将水的势能转化为机械能推动发电机发电。相对而言，对水能源发电的要求较高，需要在河道上进行大规模工程建设，总体的利用程度较低，难以满足当前日益增长的电力需求。因此，有必要开发出一种能够充分利用水能源进行发电的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够充分利用水能源进行发电的方法和相应的发电装置。

根据本发明的第一个方面，本发明提供一种发电方法，根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：

设置疏水绝缘层，疏水绝缘层的两侧分别设有第一导电元件和第二导电元件；

在疏水绝缘层靠近第一导电元件的一侧设置表面电荷；

提供导电液体，在疏水绝缘层上导电液体与第一导电元件接触并使表面电荷接触面的面积发生变化，从而使第一导电元件和第二导电元件之间向外电路输出电信号。

其中，疏水绝缘层可以是带有表面电荷的任何疏水绝缘性的材料，其包括但不仅限于低表面能的含氟聚合物材料，例如无定形含氟聚合物材料，其非限制性实例为：PTFE、PDMS、Teflon AF、Cytop、Hyflon。疏水绝缘层上表面电荷的获得可以是以包括但不仅限于电晕放电、摩擦起电等方式获得的表面电荷。第一导电元件和第二导电元件可以选自包括但不仅限于金属、金属氧化物、石墨烯、碳纳米管等具有良好导电性能的材料，其可以是导电极片、导电膜或导电平板的形式。导电液体具体可以是电解质液体、离子液体、液态金属、纳米金属溶液等，例如，可以是NaCl溶液、KCl离子液体、液汞、液汞齐、液态镓合金、纳米银浆。出于实际的生产和使用成本考虑，导电液体可以选择电解质液体。第二导电元件与疏水绝缘层相连，可以是直接或间接相连。表面电荷接触面是指疏水绝缘层上表面电荷形成的图案、导电液体和疏水绝缘层形成的固液接触面两者的相重叠部分，换言之，是导电液体与表面电荷所在的疏水绝缘层的局部的接触面。疏水绝缘层上导电液体与第一导电元件接触并使表面电荷接触面的面积发生变化是指，导电液体与第一导电元件之间至少发生接触这一动作(状态)，同时导电液体与表面电荷所在的疏水绝缘层的局部的接触面的大小发生变化。另外，在一些情况下，还可以发生分离这一动作(状态)。

疏水绝缘层上导电液体与第一导电元件的相对运动是指导电液体与第一导电元件之间发生了相对位移，其可以是从导电液体在疏水绝缘层上的边界与第一导电元件发生接触-导电液体与第一导电元件的接触面积逐渐变大-导电液体与第一导电元件的接触面积达到最大-导电液体与第一导电元件的接触面积逐渐变小-导电液体与第一导电元件脱离接触中任意两种或多种状态之间的变化。

本发明的有益效果在于：

相比于现有水力发电中通过将水的势能转化为机械能推动发电机发电的方法，本发明提出了一种全新的机制：通过表面电荷接触面面积的变化，导致抗衡电荷在第一导电元件和第二导电元件之间发生移动，这种电荷的移动将水的机械能转换为了电能，具体为：当导电液体与带有表面电荷的疏水绝缘层以及第一导电元件接触，与表面电荷电性相反的抗衡电荷转移至导电液体上与疏水绝缘层的液-固接触面界面处；随着表面电荷接触面的大小变化，抗衡电荷也因而移动，部分抗衡电荷转移至第二导电元件上；在此过程中，抗衡电荷的移动就形成了电流。相比于现有的大坝发电，其无须进行大规模工程建设即可利用水能源进行发电，对各种环境下的水体都有一定的适用，通过该发电方法可以有效提高当前水能源利用率，实现对水能源的充分利用。

根据本发明的实施例，表面电荷为表面束缚电荷，该束缚电荷可以通过电场作用被设置于疏水绝缘层材料中。

优选的，根据本发明的实施例，表面(束缚)电荷在第二导电液体对疏水绝缘层施加电压下形成的外电场的作用下被设置于疏水绝缘层中，具体包括以下步骤：

在疏水绝缘层上设置第二导电液体，将电极层与疏水绝缘层连接，通过第二导电液体和电极层对疏水绝缘层施加电压。

其中，第二导电液体和用于发电的导电液体可以是相同或不同的导电液体。

通过该方法产生的束缚电荷相比于其它方法得到的表面电荷可以长期存在于潮湿甚至水环境中而不发生衰减。也即是说，通过该方法产生的束缚电荷可以长时间进行发电，可靠性更强。采用该方法对疏水绝缘层施加电压，电压越大，疏水绝缘层上产生的束缚电荷越多；施加电压的时间越长，产生的束缚电荷也就越多。该方法可以在常温大气压条件下进行，而且，经检测，产生的束缚电荷的电荷密度可以达到500μC/m²以上，相对于现有的制造表面电荷的技术而言，其产生的电荷密度显然更高，发电的效率也相应地更加高效。

现有的摩擦纳米发电机的原理在于在外部机械作用力的驱动下，摩擦层与电极层之间的相对运动使得静电荷的原有平衡被打破，自由电子会通过外电路来建立新的平衡，形成对外输出。简单来说，就是在摩擦的过程中，材料表面产生电荷，摩擦的过程，是产生电荷的过程，也是基于这种原理发电的过程。这种电路中，电流的产生依赖于两种接触材料的性能。换言之，电极材料的不同会产生不同的电信号响应。而本发明进行事先产生表面束缚电荷，不管用何第一导电元件或第二导电元件，是固体或液体，刚性或柔性，其机理都是一致的，产生的电信号的强弱只和电路中的总电阻以及表面束缚电荷密度相关。与现有的摩擦纳米发电机相比，本发明所采用的机理不同，更加清晰，相同条件下发电效率所能达到的上限更高。

根据本发明的实施例，在疏水绝缘层和电极层之间还连有介电层。

在疏水绝缘层和电极层之间添加介电层后，击穿疏水绝缘层需要更高的电压，这也就意味着疏水绝缘层可以承受更高的电压，而更高的电压可以使得疏水绝缘层表面聚集更多电荷，产生更高的电荷密度。

根据本发明的实施例，介电层采用介电强度高的有机或无机材料以起到绝缘作用，其非限制性实例为二氧化硅层，优选为热生长工艺制备的二氧化硅层，通过热生长工艺制得的二氧化硅层具有更致密、纯度更高而且膜厚均匀，能够更进一步提升击穿疏水绝缘层所需的电压，从而有效提升疏水绝缘层表面电荷的电荷密度上限。

根据本发明的实施例，在第二导电液体与疏水绝缘层产生的三相线设有绝缘防护层。

三相线区域附近导电液体边缘的锥形结构会使得边缘部分的电场强度局部增大，其容易聚集更多的电荷使得产生的表面电荷不均，同时，电场强度的局部增大也容易引起膜层击穿。而在此处设置绝缘防护层则可以避免上述问题的发生。

根据本发明的实施例，绝缘防护层可以选择光刻胶、绝缘胶布中的至少一种。

根据本发明的实施例，疏水绝缘层的厚度为10nm-10μm。

通过上述方法产生表面电荷的疏水绝缘层在与第二导电元件复合后，第二导电元件上会产生抗衡电荷，抗衡电荷会根据导电液体和疏水绝缘层的液-固接触面相对表面电荷位置重合差异的变化而产生变化，从而实现稳定地发电。

根据本发明的实施例，从实际的生产和使用成本考虑，导电液体可以选择电解质液体，具体地，在实际应用中可以选自雨水、江河水、海水、城市用水中的任一种电解质液体，其中，城市用水包括但不仅限于居民生活用水、工业用水等。

根据本发明的第二个方面，本发明提供一种发电装置，根据本发明的实施例，该发电装置包括：

疏水绝缘层，疏水绝缘层的两侧分别设有第一导电元件和第二导电元件，疏水绝缘层在靠近所述第一导电元件的一侧设有表面电荷，第一导电元件和第二导电元件通过外电路连接。

该装置提出了一种新的利用流动水体的机械能发电的概念，可以用于：雨水能量采集、海浪能源采集以及家庭和工业用水和废水的机械能向电能的转化，以这些水体中的任一种作为发电装置过程中采集能源的水体来源，将其机械能转化为电能，有效提高当前水能源发电的利用率，有助于缓解能源紧张的状况。

根据本发明的实施例，第一导电元件与疏水绝缘层相连或间隔设置。

根据本发明的实施例，第一导电元件通过支架固定于疏水绝缘层一侧与疏水绝缘层间隔设置。

根据本发明的实施例，第一导电元件直接放置于疏水绝缘层表面。

根据本发明的实施例，第一导电元件通过涂覆的方式设置在疏水绝缘层表面。

根据本发明的实施例，涂覆的方式包括但不仅限于蒸镀、溅射、沉积等本领域常用的方式。

同时，在第一导电元件的设置过程中，可以通过光刻等手段对导电元件进行图案化。理论上，第一导电元件的高度和大小不受限制。但在实际操作中，如果第一导电元件设置在疏水绝缘层上与其直接相连，则第一导电元件不宜过大。因为第一导电元件所占用的疏水绝缘层的表面的面积无法用于能量的采集。只有变化的水体/疏水绝缘层表面电荷的接触面才可以产生运动电荷和电流。也就是说，第一导电元件占用的疏水绝缘层的表面电荷的表面区域将无法用于发电。

根据本发明的实施例，表面电荷为表面束缚电荷。

优选的，该束缚电荷的具体获得方式为：通过在疏水绝缘层上设置第二导电液体，将电极层与疏水绝缘层连接，通过第二导电液体和电极层对疏水绝缘层施加电压而得。

根据本发明的实施例，疏水绝缘层的厚度为10nm-10μm。

根据本发明的实施例，疏水绝缘层的材料选自PTFE、PDMS、Teflon AF、Cytop、Hyflon中的任一种。

根据本发明的实施例，第二导电元件为刚性导电材料或柔性导电材料。

根据本发明的实施例，第一导电元件和第二导电元件分别独立选自金属、金属氧化物、石墨烯、碳纳米管。

根据本发明的实施例，第二导电元件与疏水绝缘层相连，其可以是直接或间接相连的方式。

根据本发明的实施例，外电路还包括绝缘密封层。

由于是进行液体(水体)发电，整个装置难免置于潮湿或水环境中，如果外电路处于裸露状态，电能可能会消耗和散失在周围环境中。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的发电装置的工作示意图。

图2是本发明的一个实施例的使疏水绝缘层产生表面电荷的装置的工作示意图。

图3是本发明的又一个实施例的发电模拟实验的发电装置的工作示意图。

图4是本发明的又一个实施例的发电模拟实验的发电装置的电流周期的放大图。

图5是本发明的又一个实施例的发电模拟实验的发电装置的等效电路图。

图6是本发明的又一个实施例的发电模拟实验的电流模型的模拟实验结果。

图7是本发明的再一个实施例的发电模拟实验的发电装置的可靠性实验结果。

图8是本发明的另一个实施例的发电模拟实验的发电装置的负载电阻与电流信号关系的结果。

图9是本发明的次一个实施例的海浪发电装置的工作示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

以下将结合图1对该基于液体的发电方法进行说明。图1是本发明的一个实施例的发电装置的工作示意图。如图1所示，在疏水绝缘层1下方，连接有一第二导电元件22，本实施例中，第二导电元件22为ITO导电玻璃，疏水绝缘层1为厚度1μm的Teflon1600X薄膜；在疏水绝缘层1的上方，还固定有一第一导电元件21，本实施例中，第一导电元件21为蒸镀到疏水绝缘层1上的纳米银电极；第一导电元件21和第二导电元件22通过外电路4连接。在疏水绝缘层1的上表面有一层带负电的表面电荷。同时，在疏水绝缘层1上还有一导电液体3，在本实施例中，导电液体3为0.5μL的NaCl溶液。如1a-1d所示，当导电液体3未与第一导电元件21接触时，抗衡电荷出现在第二导电元件22上；当导电液体3接触到第一导电元件21，抗衡电荷从外电路中由第一导电元件21转移到导电液体3和疏水绝缘层1的固-液接触面处；随着导电液体3的进一步移动(即与第一导电元件21的相对运动)，固-液接触面发生变化，抗衡电荷随之移动；当导电液体3与第一导电元件21脱离接触或者离开带有表面电荷的区域，所有的抗衡电荷都已经通过外电路重新转移到第二导电元件22上。在这整个过程当中，导电液体3在疏水绝缘层1上与第一导电元件21的相对运动，导致表面电荷接触面的面积发生变化，使得抗衡电荷发生移动(图1中1b、1c和1d中箭头所示方向)，从而产生电流。

本实施例中，疏水绝缘层上的表面电荷通过以下方法制备：

以下结合图2对该制备疏水绝缘层上的表面电荷的方法进行说明。图2是本发明的一个实施例的使疏水绝缘层产生表面电荷的装置的工作示意图。如图2所示，该装置包括电极层51，在本实施例中，电极层51为ITO导电玻璃(ITO厚度为30nm)；电极层51上设有介电层52，在本实施例中，介电层52为300nm厚的二氧化硅绝缘膜；在介电层52上放置有疏水绝缘层1；疏水绝缘层1上设置有第二导电液体53，在本实施例中，第二导电液体53为5mL的超纯水；第二导电液体53在疏水绝缘层1上形成的三相线部位设有绝缘防护层54，在本实施例中，绝缘防护层54为绝缘胶布；第二导电液体53上方的上电极55接触第二导电液体53并浸入到第二导电液体53内部，本实施例中的上电极55为电极片，上电极55和电极层51与电源6相连，由电源6通过第二导电液体53和电极层51对疏水绝缘层1施加电压以产生表面电荷。

实施例2

发电模拟实验

图3是本发明的又一个实施例的发电模拟实验的发电装置的工作示意图。如图3所示，发电装置的基板上设有第二导电元件22和位于第二导电元件22上的疏水绝缘层1，基板倾斜角度为15°，疏水绝缘层1上设有第一导电元件21，第一导电元件21和第二导电元件22通过外电路4连接，疏水绝缘层1靠肩第一导电元件21的一侧含有表面电荷(表面电荷的制备方法参考实施例1)。液滴从第一位置31落下到第二位置32与第一导电元件21接触，随后在疏水绝缘层1上运动到第三位置33(箭头所示运动方向)与第一导电元件21脱离接触。

在此过程中，导电液体选择0.6mol/L的NaCl溶液约30μL，负载电阻为6.5MΩ，测量其中的电流信号。结果见图4。图4是本发明的又一个实施例的发电模拟实验的发电装置的电流周期的放大图。如图4所示，在整个发电过程中，电流的峰值(下峰值)约为3μA。

当水滴如图3所示从上方直接落到第一导电元件时，主导电流信号的就是固-液接触面(疏水绝缘层-液滴)的变化，这种情况下，如果负载电阻小，则RC电路的时间常数τ＝RC很小，RC电路响应速度快，则电流为I＝dQ/dt＝σ×dA/dt，其中Q是移动的对抗电荷，σ为表面电荷的电荷密度，A为固液界面面积。如果负载电阻大，则RC电路的响应速度慢，电荷在电路中的转移速度收到影响，相应地也会影响所产生的电流值。而如果水滴先落在靠近第一导电元件的上方位置，由于液滴与疏水绝缘层表面接触，液滴产生形变先变成扁平状，再与第一导电元件接触，这种情况下产生的初始电流受到RC电路主导，初始电流为I₀＝U_t/R，U_t为表面电荷而产生的表面电压。

在液滴接触第一导电元件的初始阶段，即液滴/固体界面面积变化还不明显的阶段(即液滴铺展开来，还没有或少量收缩的阶段)，电流符合模型：其中C为单位面积的电容值，A为水滴和带有表面电荷的疏水绝缘层表面的界面接触面积，C_A＝C×A，R为负载电阻。

通过数值计算的方法完整预测液滴运动产生电流的情况如下：

图5是本发明的又一个实施例的发电模拟实验的发电装置的等效电路图。如图5所示，

σ_T＝U_TC

C_A(t)≈C_Diel＝CA(t)

边界条件：t＝0时，I(t)＝U_T/R。

以上计算以及上图中：t为水滴接触上电极(第一导电原件)的时间。在接触的瞬间，t＝0。σ_T为表面束缚电荷密度；U_t为表面束缚电荷所产生的电势；C为包含疏水绝缘层(电荷束缚层)在内的电介质层的单位面积电容，这个单位面积电容可以通过材料的介电常数计算得到，如果为单层材料，则其中ε为介电常数，d为介电膜层厚度。C_A(t)为在t时刻的介于导电液滴(上电极)和下电极之间的电介质层的电容，随着t变化，导电液滴和材料表面的接触面积发生变化，相应的电容发生变化。为下电极电势，因为接地，所以恒为0。为在t时刻固/液界面处的电势。q_s(t)为t时刻固液界面处的电荷量。A(t)为t时刻的固/液接触面积。

根据上述模型，对表面束缚电势为9V的基板进行了实验测试和数值计算。该基板为透明玻璃基板，下电极为30nm的ITO。上电极为设置于疏水层上方的直径为0.1mm的铂金丝。疏水绝缘层厚度为800nm的Teflon AF1600X，水滴体积为25μL，水滴为0.1mol/L的NaCl液体。水滴掉落高度为5cm。固/液接触面积数值由高度摄像机监测(反射式图像监测，使用反射式图像监测可以更准确的测量固/液接触的界面面积)。图6是本发明的又一个实施例的发电模拟实验的电流模型的模拟实验结果。如图6所示，图6中的①-④插图为水滴在滴落发电过程中不同位置的投射式监测示意图，投射式可以更形象地显示水滴和上电极位置。红色虚线为通过上述模型的数值计算结果，红色虚线周围的黑色线为测量得到的液体滴落在疏水绝缘层表面产生的电流信号。从图6中可以看出，数值计算的结果和实际测试的结果相吻合。由此进一步验证本发明所提出的机理的正确性。

实施例3

可靠性实验

在第0天、第13天、第36天、第63天、第100天分别对实施例2中的发电装置按照实施例2中的方法测量电流信号以验证该发电装置的可靠性。结果见图7。图7是本发明的再一个实施例的发电模拟实验的发电装置的可靠性实验结果。如图7所示，在第0天、第13天、第36天、第63天、第100天，该发电装置的峰值电流均为3μA。即在整个实验过程中，电流信号没有发生衰减。该结果证明本发明所提供的发电方法高效可靠，使用寿命也长。

实施例4

不同负载电阻的电流信号实验

对实施例2中的发电装置更换大小不同的负载电阻并将疏水绝缘层表面电荷的电荷密度调整为0.52mC/m²，测量发电装置中的电流信号。结果见图8。图8是本发明的另一个实施例的发电模拟实验的发电装置的负载电阻与电流信号关系的结果。如图8所示，当负载电阻分别为1.65MΩ、3.3MΩ、6.5MΩ、11.5MΩ、24MΩ时，其电流信号的峰值分别为20μA、10μA、5μA、2.5μA和1μA。

实施例5

一种海浪发电装置，具体结构如图9。图9是本发明的次一个实施例的海浪发电装置的工作示意图。如图9所示，该发电装置包括竖直的发电基板，基板上有疏水绝缘层1和第二导电元件22，第二导电元件通过外电路4连有第一导电元件21，疏水绝缘层1上有表面电荷。将该发电装置置于海水中，以海水作为导电液体3，随着海浪的上下波动(箭头所示方向)，表面电荷接触面的面积(海水在疏水绝缘层1上与表面电荷的接触面积)不断发生变化，使得抗衡电荷在外电路中不断反复移动，从而产生电流以进行发电。

实施例6

一种发电装置，与实施例1的区别在于，疏水绝缘层的表面电荷通过摩擦起电得到。

实施例7

一种发电装置，与实施例1的区别在于，疏水绝缘层的表面电荷通过电晕放电得到。

以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种发电方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置疏水绝缘层，所述疏水绝缘层的两侧分别设有第一导电元件和第二导电元件；

在所述疏水绝缘层靠近所述第一导电元件的一侧设置表面电荷；

提供导电液体，在所述疏水绝缘层上所述导电液体与所述第一导电元件接触并使表面电荷接触面的面积发生变化，从而使所述第一导电元件和所述第二导电元件之间向外电路输出电信号。

2.根据权利要求1所述的发电方法，其特征在于，所述表面电荷为表面束缚电荷。

3.根据权利要求2所述的发电方法，其特征在于，所述表面束缚电荷的设置方法包括以下步骤：

在所述疏水绝缘层上设置第二导电液体，将电极层与所述疏水绝缘层连接，通过所述第二导电液体和所述电极层对所述疏水绝缘层施加电压。

4.根据权利要求1-3任一项所述的发电方法，其特征在于，所述导电液体选自雨水、江河水、海水、城市用水中的任一种。

5.一种发电装置，其特征在于，包括：

疏水绝缘层，所述疏水绝缘层的两侧分别设有第一导电元件和第二导电元件，所述疏水绝缘层在靠近所述第一导电元件的一侧设有表面电荷，所述第一导电元件和所述第二导电元件通过外电路连接。

6.根据权利要求5所述的发电装置，其特征在于，所述第一导电元件与所述疏水绝缘层相连或间隔设置。

7.根据权利要求6所述的发电装置，其特征在于，所述第一导电元件通过支架固定于所述疏水绝缘层一侧与所述疏水绝缘层间隔设置。

8.根据权利要求5所述的发电装置，其特征在于，所述表面电荷为表面束缚电荷。

9.根据权利要求8所述的发电装置，其特征在于，所述疏水绝缘层一侧的表面电荷通过在所述疏水绝缘层上设置第二导电液体，将电极层与所述疏水绝缘层连接，通过所述第二导电液体和所述电极层对所述疏水绝缘层施加电压而得。