CN113489122A

CN113489122A - 一种直流液滴发电机及其制备方法

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Publication number: CN113489122A
Application number: CN202110750580.6A
Authority: CN
Inventors: 宋群梁; 董君; 朱丽丽
Original assignee: Southwest University
Current assignee: Southwest University
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2021-07-02
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2041-07-02
Also published as: CN113489122B

Abstract

本发明公开了一种直流液滴发电机及其制备方法，其特点是该直流液滴发电机具有全部电极均放置在固体表面上方的结构并且无需接地，因此可以在包括块体、薄膜和涂层在内的任意表面构建，所述液滴发电机结构包括：固体疏水表面、上电极、集电针、下电极、上电极引线和下电极引线；所述固体表面是任意人工或天然材料的疏水表面，上下电极距离一定间隔放置在固体表面上，其中集电针可以是一个独立的导电尖端结构，也可以直接在电极上加工出来，该发电机可以通过液滴撞击表面来收集电能。本发明与现有技术相比，可以在任意的固体表面上构建直流液滴发电机，并将收集的液体机械能转化成具有直流特征的电能，且具有制备工艺简单，成本低廉特点。该直流液滴发电机的开路电压高达上千伏，无需电源管理电路，可以直接驱动微小电子器件工作或为储能单元充电。该直流发电机的结构同时具有发电、整流和储能的功能，开辟了基于固‑液界面水能收集的新技术，大大加速了水能收集的实用化进程；同时也是一个传感器或探针。由于该器件实现了电荷的有效分离，在液滴能量收集和自驱动传感方面具有极高的应用价值。

Description

一种直流液滴发电机及其制备方法

技术领域

本发明涉及发电技术和传感领域，特别是一种基于固-液界面的普适性发电技术和发电装置。

背景技术

能源为人类社会发展提供了不竭的动力来源，将其它形式的能源转化成高效可控电能是能源领域发展的重要方向之一。目前的发电技术仍然以传统化石能源作为主导，带来了不可忽视的气候变化和环境污染问题。新能源技术应运而生并得到了大力发展，目前主要包括水能、核能、太阳能、风能等技术，具有广阔的应用前景。其中，水覆盖了71%地球表面，可谓是无处不在。水能是一个取之不尽、用之不竭的清洁能源。现代水力发电技术利用高水位落差，将水的位能转化成电能。但是大型水力发电机存在地域性限制，并且高水位落差会严重冲刷下游河床，影响鱼类洄游繁殖，对地理和生态环境带来一定程度上干扰，具有很大的局限性。开发新型水能收集技术具有巨大的应用场景。特别是进入21世纪以来，由于物联网、大数据和人工智能的大力发展，数以千亿计分布在的物联网中的传感器网络分散在地球各处需要进行供电，能源未来发展趋势向低碳化和清洁化、分散化、智能化发展。分布式清洁水能收集技术将在未来水能收集发展中成为主流。因此，开发分布式水能收集技术具有广阔的应用场景。

自然界中其它形式的水能，如雨滴能、溪流能、波浪能、蒸发能等，目前技术仍然无法有效利用。为了推动水能采集向更为实用和广泛的分布式应用方向发展，人们开始开发基于电动力学效应、接触起电效应、静电感应效应、水伏效应等一种或多种效应耦合的原理对低品位水能进行采集。其中最具代表性之一的基于接触起电与静电感应耦合原理构建的摩擦电纳米发电机(TENG)，典型结构是将电极排列在微米级厚度的介电薄膜材料背面。电能获取是通过水与介电材料之间的界面双电层屏蔽效应，在背部感应电极上产生。随后，还报道了基于类晶体管结构的液滴发电机（DEG），尽管获得了更高的输出性能，然而需要通过水滴的上万次的连续撞击后才可以在介电薄膜表面和背部电极之间存储足够多的电荷。上述的水能收集发电机需要制备高质量低厚度的介电薄膜和背部电极，结构工艺复杂，工作条件苛刻，稳定性和实用性均受到很大的限制。此外，上述发电机输出均具有交流的特性，无法驱动直流工作的元器件，仍然需要外置电源管理电路才能进行高效直流的电输出，从而适用于驱动电子设备。引入电源管理电路后必然会提升水能收集系统的复杂性，不仅会增加额外的电路能量损耗，降低便携性和稳定性，还会大大增加成本。因此，目前水能收集发电系统距离实际应用还具有非常大的挑战。

发明内容

本发明涉及一种具有通用性结构的高效液体机械能收集的直流液滴发电机及其制备方法。针对现有水能收集系统的显著不足而设计。该发电机仅需要一个任意疏水表面、两个电极、和两根引线，为了提高水能收集效率，导电电极上可以加工出一个导电尖端或直接增加一个外置的导电尖端作为集电针，两个导电电极仅需间隔一定距离简单的放置在疏水表面上即可。当液滴撞击疏水表面进行铺展并首先接触到上电极时，就会在两个电极之间产生一个电流脉冲信号，随着水滴的收缩和滑动，离开上电极后紧接着接触到下电极时，就会在两个电极之间产生另一个同向的电流脉冲信号。将两个电极之间接入负载时，就会输出脉冲直流电。该发电机可以在任何疏水材料表面进行固-液界面能量的收集，且制备工艺简单，尺寸可以调控，并且其输出特性与目前报道的摩擦纳米发电机和液滴发电机具有很大的不同，其开路电压可以达到上千伏，并且输出更易利用的直流电。该直流液滴发电机不仅输出性能高，而且无需整流模块，可直接为电容器进行充电，也可以直接驱动小型电子器件，在分布式能源、传感及微电子领域具有很好的应用前景。该直流液滴发电机通过一个极其简单然而非常精巧的结构设计，同时实现了具有发电、整流和储能一体化的功能。该直流液滴发电机与其它基于固-液界面的能量收集装置显著不同，无需任何电源管理电路和接地，实现了高电压、直流的电输出，大大加速了水能收集的实用化进程，开辟了基于固-液界面水能收集的新领域。

本发明设计了一种具有独特结构的直流液滴发电机，该直流液滴发电机包括：固体表面、两个电极、集电针和引线。所述固体表面为任意人工或天然材质的疏水表面；所述电极为导电材料；所述集电针可以是一个附加到上电极的独立的导电尖端，也可以由上电极上直接加工出一个导电尖端结构，下电极的集电针结构并不是必须的；所述引线为常见的金属或非金属的导线，与电极相连。

一种所述的直流液滴发电机的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：固体疏水表面的构建

根据选取不同带电特性所需固体表面（11）的材料，如果材料与工作液滴摩擦后具有接触带电特性，则无需预先充电；如果所需固体表面（11）的材料具有束缚电荷特性，则可以通过外电荷注入方式给固体表面（11）预先充上负电或正电；若固体表面（11）为疏水性的，则固体表面（11）无需处理；若固体表面（11）为亲水性的，则在固体表面（11）进行常规的疏水技术处理如刻蚀表面微结构、喷涂疏水涂层等，将亲水性的表面变为疏水性表面；

步骤2：布置电极和组装液滴发电机

上电极（12）需要加工出一个导电尖端或外附一根导电尖端作为集电针（14），下电极（13）可以包含同样集电针结构，也可以不包含；将上下两个电极距离一定间隔分别放置在固体疏水性表面，并将上下电极分别连上引线（15）和（16）；两个电极之间的间距一般在0.5-20厘米之间；此时就完成了该直流液滴发电机的组装；

步骤3：液滴选取及位置调整

液滴（17）根据该直流液滴发电机的工作环境来选取；该发电机要倾斜放置，倾斜角度一般在10-80度之间；液滴撞击位置需要根据发电机电极的位置进行相应调整，保证液滴下落撞击铺展时能够先后分别接触到集电针（14）和下电极（13），此时该直流液滴发电机就可以正常进行工作。

所述固体表面11为任意人工或天然材质的疏水表面，特别是可以接触起电（摩擦起电）的材料或驻极体等任何带有表面束缚电荷的材料，其非限制性实例包括常见的聚合物材料：聚四氟乙烯（PTFE）、全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）、聚偏氟乙烯（PVDF）等其它含氟聚合物、聚甲基硅氧烷（PDMS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、尼龙、聚甲醛（POM）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）等常见的聚合物材料、橡胶材料及其复合材料；也可以是天然材料：树叶、动物毛皮、羽毛、皮肤等；材料可以是块体、涂层或薄膜材料；材料表面可以未经处理直接使用，也可以经过物理、化学、生物等手段进行表面处理产生微结构后使用；由于接触起电（摩擦起电）是材料的一种通用属性，因此，任何可以接触起电的材料都是本专利覆盖的范围。

所述导电电极12和13形状不限，可以是矩形、圆形、椭圆等几何形状，可以是导电膜或导电平板，实现导电的电极功能即可；两个电极之间的距离一般在0-20厘米之间；其中，上电极12需要加工出一个导电尖端或外附一根导电尖端作为集电针；下电极13可以包含同样集电针结构，也可以不包含；电极材料可以是金、银、铜、铝、铂、钛或铁任意金属导电材质或其它碳、导电聚合物等任意非金属导电材料均可；可以采用直接商用导电材料，也可以通过蒸发、溅射、涂抹、滴铸或化学湿法沉积等工艺进行制备。

所述集电针14形状不限，只要与液滴接触时具有一个相对细小的结构，可以与液滴有效接触和分离即可；该集电针如果是细丝状，其长度尺寸一般在0-20厘米之间；如果集电针从导电电极加工而来，材料是相同的；如果集电针外附，材料可以与导电电极材质相同，也可以不同，集电针材料选取范围与上述电极材料选取范围相同。

所述上电极和下电极的引线15和16为常见的金属导线或其它导电材质的引线，与电极相连，起到电路连接作用。

本发明与现有技术相比，制备工艺简单，尺寸可以调控，可以有效提高当前水能利用率，并且其输出特性与目前报道的摩擦纳米发电机和液滴发电机具有很大的不同，其开路电压可以达到上千伏，并且输出更易利用的直流电。其中，如果外电路切换为开路状态，该直流发电机的上电极和下电极可以作为一个电容器来存储电荷，通过利用电荷泵浦效应，可以不断的在上下电极累积电荷并逐步抬升输出电压，直到电荷饱和或外电路接通，实现对外输出高压直流电。其输出性能在原有技术上有了很大提高，首次在液滴发电机上无需整流模块可以直接为电容器进行充电，无需电源管理电路可以直接驱动小型电子器件，例如一滴水可以直接点亮400个商用LED阵列，在分布式能源、传感及微电子领域具有很好的应用前景。

该直流液滴发电机通过一个极其简单然而非常精巧的结构设计，实现了具有发电、整流和储能一体化的功能，无需任何电源管理电路和接地，实现了高电压、直流的电输出，并且输出稳定、重复性好、工艺简便、成本低廉，实现了基于固-液界面水能收集的新突破，大大加速了水能收集的实用化进程。

附图说明

图1为本发明直流液滴发电机的结构示意图。

图2为本发明直流液滴发电机的输出电压。

图3为采用不同材料表面制备的直流液滴发电机的输出电流。

图4为直流液滴发电机的直流输出和只有下电极工作时的交流输出信号。

图5为直流液滴发电机直接驱动LED演示。

具体实施方式

本发明包含的设计思想、具体结构以及产生的技术效果是需要保护的内容，以下通过具体的实例来展示本发明的实施方式，以便更加清晰的理解本发明的设计理念、结构特征和发电效果。所描述实施例只是本发明的一部分实施实例，而不是全部实施实例。具体实施实例并未对本发明做任何形式的限制，凡是在没有背离本发明设计思想和技术实质下或本领域的技术人员在不付出创造性劳动前提下进行各种修饰或改变所获得的其它实施实例，均在本发明权利要求范围之内。

本发明的直流液滴发电机结构如图1所示，由固体表面11、上电极12、下电极13、集电针14、上电极引线15和下电极16引线组成，所述固体表面11为商用PTFE、FEP、PVDF等常见接触起电材料，所述上电极12和下电极13可以为铜、铝、钛金属条，所述液滴17为去离子水、雨水或自来水，所述集电针14为铜针、铂针或金针，所述引线15和16为常规金属导线；两根引线之间连接一个静电计或示波器进行性能测试。

本发明的直流液滴发电机的发电技术与其它现有技术不同，传统固-液界面能量收集技术中液滴发电机输出是交流电，而基于本发电技术的直流液滴发电机输出是直流高压电，下面将发电过程结合图1进行如下说明：首先，在外电路保持开路情况下向上述疏水性的固体表面11滴加液滴17，液滴17下落撞击在固体表面11，通过固-液接触起电效应液滴17上的负电荷会注入到固体表面11中，从而使固体表面11带上负电荷；随后，液滴17继续滴落，碰到固体表面11时首先进行铺展，当铺展开时会接触到上电极12（集电针14部位），此时，液滴17中的负电荷将会转移到上电极12，使上电极12上带上负电；随后液滴17在重力和疏液性的作用下发生收缩和滑落并接触到下电极13，将液滴17中剩余的相反极性的正电荷传输到下电极13；由于外电路是开路状态，随着液滴17的不断滴加，上电极12和下电极13上会不断累积电荷并抬升器件的输出电压（直到电荷达到饱和为止），当在滴加的过程中如果接通外电路，上下电极12和13中的电荷会过引线对负载做功，对外输出电能。

如果固-液接触起电时，固体表面带正电，则上述发电机的发电过程不变，仅是所述过程中的电荷极性会发生反转。

实施例1。

下面以直流液滴发电机的制备对本发明作进一步的详细说明，该方法包括如下步骤：

步骤1：固体疏水表面的构建

选取商用加工好的PTFE板做为所需固体表面（11）的材料，因为PTFE表面与液滴摩擦后具有接触带电特性，无需预先充电；因为PTFE表面为疏水性的，无需额外处理，利用乙醇和丙酮超声清洗各10分钟后烘干100℃备用；

步骤2：布置电极和组装液滴发电机

上电极（12）和下电极（13）采用铜片、铝片或钛片作为导电电极，外附一根导电铜丝、钛丝或铂丝作为集电针（14），下电极（13）在本实施例中没有包含集电针；将上下两个电极距离0.5-20厘米间隔分别放置在固体表面，并将上下电极分别连上铜导线作为引线（15）和（16）；此时就完成了该直流液滴发电机的组装；

步骤3：液滴选取及位置调整

液滴（17）选取去离子水、雨水、自来水、河水中的一种或多种均可；该发电机要倾斜放置，倾斜角度一般在10-80度之间；液滴滴落的位置需要根据发电机电极的位置进行相应调整，保证液滴下落撞击铺展时能够分别接触到集电针（14）和下电极（13），此时该直流液滴发电机调试完成，可以正常进行工作。

当外电路连通，有水滴滴加到发电机上时，就会在上电极和下电极上不断积累电荷，通过引线在外电路可以输出一个高电压（图2）。

实施例2。

为了展示本发明的直流液滴发电机发电效果，对本发明所述固体表面11为任意人工或天然材质的疏水表面，利用以下非限制性实施例作进一步的详细说明：利用PTFE、Nylon、PE、PEEK、POM、PPS六种材料制作了该发明的直流液滴发电机，分别测试了基于不同材料的直流液滴发电机的电流输出性能（图3），进一步证实了本发明装置的通用性。

实施例3。

本发明的直流液滴发电机具有直流和交流双重工作模式。

本发明直流液滴发电机不仅具有如上所述的一种直流工作模式，还具有另一种工作模式；参阅图4，当液滴滴落时既接触集电针14又接触下电极13，该直流液滴发电机的输出电流为直流；当对液滴滴落部位进行调整，使液滴不接触集电针14和上电极12，只接触下电极13时，在保持其它条件不变的情况下，该直流液滴发电机的输出电流变为交流，展示了本发明直流液滴发电机具有直流和交流双重工作模式。

实施例4。

本发明的直流液滴发电机直接驱动电子设备演示。

参阅图5，为该直流液滴发电机无需外接整流、储能和变压等电源管理电路，利用一滴80微升的水滴从15厘米高处滴落，撞击到直流液滴发电机表面，即可直接点亮超过400个串联的商用LED阵列，证实了本直流液滴发电机具有极佳的输出性能，可以直接驱动电子器件。

上述实施例仅例示性说明本发明的设计思想及其特征结构，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士在本发明覆盖的设计思想及特征结构之下对上述实施例进行的修饰或改变，并没有脱离本发明的技术实质。因此，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种直流液滴发电机，其特征在于，该直流液滴发电机包括：固体表面（11）、上电极（12）、下电极（13）、集电针（14）、上电极引线（15）和下电极引线（16），所述固体表面（11）为任意疏水固体表面；所述上电极（12）和下电极（13）为导电材料；所述集电针（14）可以是一个附加到上电极的独立的导电尖端，也可以由上电极上直接加工出一个导电尖端结构，下电极的集电针结构并不是必须的；所述引线（15和16）为常见的金属或非金属的导电线，与电极相连；该直流发电机在液滴（17）的撞击下收集机械能并产生直流电，液滴为去离子水、雨水、江河水、海水、自来水或常见的水溶液、有机溶液等。

2.根据权利要求1所述的直流液滴发电机，其特征在于，所述固体表面（11）为任意人工或天然材质的疏水表面，特别是可以接触起电（摩擦起电）的材料或驻极体等任何带有表面束缚电荷的材料，其非限制性实例包括常见的聚合物材料：聚四氟乙烯（PTFE）、全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）、聚偏氟乙烯（PVDF）等其它含氟聚合物、聚甲基硅氧烷（PDMS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、尼龙、聚甲醛（POM）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）等常见的聚合物材料、橡胶材料、涂料及其它复合材料；也可以是天然材料：树叶、动物毛皮、羽毛、皮肤、纺织品等；材料可以是块体、薄膜或涂层材料；材料表面可以未经处理直接使用，也可以经过物理、化学、生物等手段进行表面处理产生微结构后使用；由于接触起电（摩擦起电）是材料的一种通用属性，因此，任何可以接触起电的材料都是本专利覆盖的范围。

3.根据权利要求1所述的直流液滴发电机，其特征在于，所述上电极（12）和下电极（13）形状不限，可以是矩形、圆形、椭圆等几何形状，可以是导电膜、导电平板或导电块体，实现导电的电极功能即可；两个电极之间的距离一般在0.5-20厘米之间；其中，上电极（12）需要加工出一个导电尖端或外附一根导电尖端作为集电针；下电极（13）可以包含同样集电针结构，也可以不包含；上电极（12）和下电极（13）的位置并不限制在固体表面的上方或下方，指的是相对位置，即液滴首先接触的电极为上电极（12），后接触的电极为下电极（13）；电极材料可以是金、银、铜、铝、铂、钛或铁等任意金属导电材质或其它碳材料、导电聚合物等任意非金属导电材料均可，可以直接采用商用导电材料，也可以通过蒸发、溅射或化学湿法沉积工艺、涂抹、滴铸法等工艺进行制备。

4.根据权利要求1所述的直流液滴发电机，其特征在于，所述集电针（14）与电极相连，其形状不限，只要与液滴接触时具有一个相对细小的结构，可以与液滴有效接触和分离即可；该集电针的长度尺寸一般在0-20厘米之间；如果集电针（14）从上电极（12）和下电极（13）加工而来，材料是相同的；如果集电针外附，材料可以与导电电极材质相同，也可以不同，从上述电极材料中选取即可。

5.根据权利要求1所述的直流液滴发电机，其特征在于，所述上电极引线（15）和下电极引线（16）引线为常见的金属导线或其它导电材质的引线，与电极相连，起到电路连接作用。

6.一种权利要求1所述的直流液滴发电机的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：固体疏水表面的构建

步骤2：布置电极和组装液滴发电机

步骤3：液滴选取及位置调整

液滴（17）根据该直流液滴发电机的工作环境来选取；该发电机要倾斜放置，倾斜角度一般在10-80度之间；液滴的位置需要根据发电机电极的位置进行相应调整，保证液滴下落撞击铺展时能够先后分别接触到集电针（14）和下电极（13），此时该直流液滴发电机就可以正常进行工作。

7.根据权利要求1所述的直流液滴发电机，其特征在于，所述液滴发电机是一种高压直流的发电机，其输出电流为直流，输出电压高达上千伏，无需电源管理电路和接地，直接驱动电子器件，例如一滴水可以点亮400个商用LED灯，是一种基于固-液界面能量收集的新型发电技术。

8.根据权利要求1所述的直流液滴发电机，其特征在于，当调整滴液滴落的位置，使其不接触集电针14时，该直流液滴发电机还可以切换为交流工作模式。

9.根据权利要求1所述的直流液滴发电机，其特征在于，所述液滴发电机可以作为一种传感器或探针。