CN113114070B - 一种基于湿伏发电原理的生物质除湿发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于湿伏效应的生物质除湿发电装置，属于新能源领域：方案如下考虑到湿伏效应的基本原理以及部分材料的结构特性，从经济效益和环境保护的角度选取初步制备方案来确定最优材料，之后结合该材料的特性去构造最合适的湿伏材料制备方案，然后通过相关测试确定方案中每一步的最优处理方式，最终得到一种发电效率较高的低成本环保湿伏发电材料。本装置将充分利用该种材料的特性，构建一种能够利用大气中的水蒸气进行发电的装置。基于湿伏效应的生物质除湿发电装置具体可分为4个设计部分：湿伏发电材料制备、除湿电池板设计、储能电路设计、总体结构框架设计。

Description

一种基于湿伏发电原理的生物质除湿发电装置
技术领域
本发明属于新型发电技术领域，具体涉及一种基于湿伏发电原理的生物质除湿发电装置。
背景技术
在我国的能源供应结构里，煤炭、石油与天然气等不可再生资源占主导地位，新能源和可再生能源开发不足，这不仅造成环境污染等一系列问题，也严重制约能源发展。随着化石能源逐渐枯竭及全球变暖，寻找可持续和绿色能源资源逐渐成为最紧迫的挑战之一。多年来，直接从环境中收集能源一直被认为是最有希望解决这个问题的办法之一。水不仅是可回收资源，而且是地球上最大的能源载体，占据地表71%，直接吸收地球上35%的太阳能，不同形式的水之间的转换，如冰、液体和蒸汽之间的可逆过渡，构成了世界性的水循环，并提供了巨大的能量交换。水在地球上动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿千瓦，比全人类年平均能量消耗功率高出3个数量级。由于水资源清洁且可持续，如果能够有效地开发这种能源，地球上一小部分水中所含的能源就足以满足当前全球的能源需求。而湿气几乎是无处不在的，如空气中就含有少量水蒸气，人们逐渐把目光投向从环境中获取能源。
湿伏发电是一种近些年新提出的能量收集概念，指利用空气中自发水分子的潜在能量来获取电力，原理为基于流动电流的潮湿发电或浓度梯度引起的离子漂移将水分中的化学能转化为电能，是打破液态水传统能源发电模式的一种新手段。其通过吸收空气中丰富的水分子直接发电，表现出优异的发电性能和环境兼容性。2014年，科学家发现的石墨烯表面拖曳水滴发电的“拖曳势”、水面波动在石墨烯表面产生的“波动势”，可以将雨滴、水波能转化为电能，并实现书画等无源传感功能；2017年，学者们在碳黑薄膜中实现了水的自然蒸发产生持续的伏级电压，数平方厘米的薄膜产生的电能已能够直接驱动液晶显示模块。目前常用的湿伏发电材料如石墨烯、碳纳米颗粒、高分子聚合物等材料都需要经过复杂的处理，形成特殊通道或官能团梯度才能用于湿伏发电。而我们生活中这样的多孔材料有许多，比如木材、秸秆、废弃纸张，由实验证明，经过简单处理，也能用于湿伏发电。
我国是玉米种植大国，导致产生大量的农业废弃物——玉米秸秆。而传统的处理方式是焚烧，其易污染空气环境，危害人体健康。由于玉米秸秆结构特殊，经过加工就能使其变成一种高效、低成本，且环保的大气集水材料。当涂上碳素墨水对其表面改性后，还是一种高效的湿气发电材料。原始玉米秸秆由纤维素、半纤维素和木质素组成，具有蜂窝状的多孔结构。在沸腾过程中，半纤维素部分溶于水，形成多孔骨架。与原始玉米秸秆相比，处理后的玉米秸秆切片呈现出更松散、更均匀的蜂窝状结构，这使得其有更高的亲水性和水分输送能力。原始玉米秸秆的水接触角从33.5°减少到处理后的0°，可高效实现大气集水。
本装置基于秸秆材料的高吸水性，结合湿伏发电原理，设计了一种基于湿伏发电原理的生物质除湿发电装置，与其他湿伏材料如石墨烯、高分子聚合物相比，具有结构设计和工艺简单、材料易得、造价低廉及回收利用率高等突出优势，实现了较大湿度环境下的高效率吸湿发电，达到了节能减排的目的。
发明内容
本项目设计了一种基于湿伏效应的生物质除湿发电装置。考虑到湿伏效应的基本原理以及部分材料的结构特性，本项目决定采用一些易获取、低成本、无污染的原材料来制备湿伏材料从而进一步构建除湿发电装置，以实现在低成本湿伏发电的同时减缓环境污染。本项目首先从已有的湿伏发电相关文献出发，从经济效益和环境保护的角度选取初步制备方案来确定最优材料，之后结合该材料的特性去构造最合适的湿伏材料制备方案，然后通过相关测试确定方案中每一步的最优处理方式，最终得到一种发电效率较高的低成本环保湿伏发电材料。本装置将充分利用该种材料的特性，构建一种能够利用大气中的水蒸气进行发电的装置。基于湿伏效应的生物质除湿发电装置具体可分为4个设计部分：湿伏发电材料制备、除湿电池板设计、储能电路设计、总体结构框架设计。
本项目组采用流动式电流原理来制备湿伏发电材料，该材料被1 mol/L LiBr&CaCl2混合溶液处理的一端会从空气中吸收水分，随后水分会由于水分梯度的产生而沿着秸秆内部的微通道流动，在水分被吸附的同时，会在碳墨的影响下产生水合氢离子，之后水合氢离子随水流的流动会产生流动电流。
本发明对于现有技术的有益效果为：
1.本发明从湿伏发电的基本原理出发，利用流动式电流原理即当水在压力梯度下沿着特定的方向运动时，或由于离子浓度的空间依赖性，位于剪切面外侧的离子将与通道内的水分一起被输送，而这种离子迁移的净效应就是沿通道产生电流，此时通道内部产生流动电流和流动电压。
2.本发明从易获取性、环境友好性、低成本性出发，选用秸秆作为湿伏发电材料。利用制备湿伏材料的单向吸水性在秸秆内部形成水的浓度梯度，从而利用流动式电流原理产生电压与电流。
3.LiBr&CaCl2的1:1混合溶液相比于其他混合吸湿剂以及其他单体吸湿剂有着更强的吸湿能力，采用本材料处理拥有更好的发电效率。
4.pH=5盐酸处理过后材料的发电性能最好，电压最高可达到0.6V。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明的模拟图；
图3为本发明的实物图；
图4秸秆湿伏发电材料制备流程图；
图5装置测试实验图。
具体实施方案
本项目设计了一种基于湿伏效应的生物质除湿发电装置。考虑到湿伏效应的基本原理以及部分材料的结构特性，本项目决定采用一些易获取、低成本、无污染的原材料来制备湿伏材料从而进一步构建除湿发电装置，以实现在低成本湿伏发电的同时减缓环境污染。本项目首先从已有的湿伏发电相关文献出发，从经济效益和环境保护的角度选取初步制备方案来确定最优材料，之后结合该材料的特性去构造最合适的湿伏材料制备方案，然后通过相关测试确定方案中每一步的最优处理方式，最终得到一种发电效率较高的低成本环保湿伏发电材料。本装置将充分利用该种材料的特性，构建一种能够利用大气中的水蒸气进行发电的装置。基于湿伏效应的生物质除湿发电装置具体可分为4个设计部分：湿伏发电材料制备、除湿电池板设计、储能电路设计、总体结构框架设计。
通过对各种易获取且低成本材料的初步发电性能对比，本项目决定采用秸秆为基础发电材料。另外对湿伏发电的流动式电流原理和离子梯度扩散原理进行分析对比以及实验验证，本项目确定了基于流流式电流原理进行湿伏生电的方案设计。本材料设计方案主要由以下几步组成：
1、获取秸秆，剥去秸秆外皮得到秸秆芯部，将其切成4cm×1cm×0.5cm的秸秆切片，随后进行80℃水浴处理10小时；
2、将水浴处理得到的秸秆切片在真空干燥箱中进行80℃烘干处理；
3、使用pH=5的盐酸对烘干得到的秸秆切片进行酸化处理；
4、对酸化处理后的秸秆切片进行冻干处理；
5、将冻干得到的秸秆切片一端2cm的部分浸入碳素墨水，使碳素墨水由该端部向上渗透，该处理过程维持两小时；
6、对碳素墨水处理后的秸秆切片进行冻干处理；
7、将上一步得到的秸秆切片浸墨端的另一端1cm的部分浸入1mol/L LiBr &CaCl2的1:1混合溶液10s；在真空干燥箱中80℃烘干处理得到的秸秆切片即为最终的湿伏发电材料。考虑到秸秆湿伏材料的发电特性和材料形貌，本项目设计了一种简易的材料托板来固定湿伏材料，其尺寸为20cm×4cm×0.5cm，且为中空结构，该托板两两为一组，它可以在保证秸秆材料吸湿需求的同时实现其自由串并联以适应不同的电压电流需求，另外单组附着湿伏材料的托板也可以作为独立电源单独使用。考虑到湿伏电流的微弱性和连续性，本项目设计了储能电路来对秸秆湿伏材料组成的各个除湿电池板产生的电能进行收集，设计了两个不同的电容（1mF普通电容和1F超级电容）以应对不同用电需求，而不同电容充放电的调节依靠电路中的单刀单掷开关来实现。
考虑到除湿装置的美观性，故本项目将整个框架的外观设计成了小房屋的形状，框架内部的结构可以用来支撑除湿电池板，其滑轨结构有利于除湿电池板的拆卸，考虑到湿伏材料的特殊性质，对屋顶以及侧面的部分设计了一组替换套件，当装置发挥正常的除湿以及发电作用时，装置采用半开式外壳，确保湿伏材料可以充分与空气中的水蒸气接触进行吸湿和湿伏发电，而当湿伏材料在发电两周左右达到吸湿饱和的时候，该装置可以替换密封套件，之后可以将装置放置在太阳光下，借助太阳光干燥湿伏材料，同时借助装置的斜顶实现蒸馏水收集。

Claims (1)

1.一种基于湿伏发电原理的生物质除湿发电装置，其特征在于：所述装置包括基于秸秆湿伏发电材料所设计的湿伏电池板模块、储能模块及支撑结构；
其中，湿伏电池板模块制备步骤如下：
（1）获取秸秆，剥去秸秆外皮得到秸秆芯部，将其切成4cm×1cm×0.5cm的秸秆切片，随后进行80℃水浴处理10小时；
（2）将水浴处理得到的秸秆切片在真空干燥箱中进行80℃烘干处理；
（3）使用pH=5的盐酸对烘干得到的秸秆切片进行酸化处理；
（4）对酸化处理后的秸秆切片进行冻干处理；
（5）将冻干得到的秸秆切片一端2cm的部分浸入碳素墨水，使碳素墨水由该端部向上渗透，该处理过程维持两小时；
（6）对碳素墨水处理后的秸秆切片进行冻干处理；
（7）将得到的秸秆切片未浸墨的一端1cm的部分浸入1mol/L LiBr & CaCl2的1:1混合溶液10s；
（8）在真空干燥箱中80℃烘干处理得到最终的湿伏发电材料；
组成湿伏电池板模块的湿伏发电材料托板尺寸为20cm×4cm×0.5cm，中空结构，且两两为一组；湿伏电池板模块在保证秸秆材料吸湿需求的同时实现其自由串并联以适应不同的电压电流需求，另外湿伏电池板也作为独立电源单独使用；储能模块对湿伏电池板模块产生的电能进行存储；支撑结构的整个框架的外观为小房屋的形状，框架内部的结构支撑除湿电池板，其滑轨结构有利于除湿电池板的拆卸；装置采用半开式外壳，确保湿伏发电材料充分与空气中的水蒸气接触进行吸湿和湿伏发电；当湿伏发电材料在发电两周左右达到吸湿饱和的时候，该装置替换密封套件，之后将该装置放置在太阳光下，借助太阳光干燥湿伏发电材料，同时借助装置的斜顶实现蒸馏水收集。
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