CN114337353A - 一种管状单电极结构摩擦纳米发电机及其制备方法、测试性能装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种管状单电极结构摩擦纳米发电机及其制备方法、测试性能装置及方法，包括管道以及设置在管道一端内壁的导电铜膜。导电铜膜的一端与管道一端平齐或位于管道内。本发明通过电极直接和摩擦层接触，实现了收集电能无需静电感应过程，避免了电荷损失。本发明所构建的LS‑TENG在610ml·min‑1的流量下可实现对1.5V商用LED灯珠供电，持续点亮至少40个LED灯珠。与同类型器件输出电压与负载实验结果相比，本发明所研制的器件输出性能优异，能量转化效率较高。相关研究成果为构建自供能流量传感器等提供了支持，具备应用于工业或生活中管道类液体流量的监测测量或作为微纳传感器电源等领域的潜力。
Description
技术领域
本发明属于发电机技术领域，特别涉及一种管状单电极结构摩擦纳米发电机及其制备方法、测试性能装置及方法。
背景技术
随着物联网技术的发展，分布式传感器广泛应用于在线监测、环境污染防控、智慧生活等诸多领域。传统针对分布式传感系统多采用电池供能，但物联网场景下微传感器的数量巨大且分布广泛，电池供能不仅会带来较大的安装维护成本，也会造成环境污染。由于微纳传感器工作功率为微瓦/毫瓦量级，环境中广泛存在的微小机械能成为其可能的能量来源。基于摩擦起电和静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机(Triboelectricnanogenerator,TENG)能够将机械能转化为电能，为微能量收集及转化提供了新的思路。
水能作为可再生能源在电力系统中获得了广泛应用。尽管传统的水力发电技术十分成熟，但由于电磁感应工作原理及结构限制，难以对低频水流、水波、水滴等形式的微水能及以振动形式的蓝色海洋能源进行收集。而TENG在收集环境中广泛存在的低频、宽频振动能等方面具有优势，同时对工作环境、能量形式也具有高适应性，被认为是一种极具潜力的微水能收集技术和理想方案。现阶段，多种形式的液-固接触摩擦纳米发电机被发明并应用于能源收集和自驱动传感器等领域。例如，中国专利公开号为CN 11555653A、公开日为2020年8月18日、发明名称为“一种超疏水液-固接触摩擦纳米发电机的制备方法及装置”的专利，该专利作为能量捕获器，可以成功地设计自发电功能雨伞实现雨滴量能的捕获。还有，中国专利公开号为CN 110318058A、公开日为2019年08月07日、发明名称为“一种利用波浪能发电防止海工平台海潮差腐蚀的方法”的专利，该专利利用海洋环境中海浪的低频机械能，产生电能，为海工平台的易腐蚀金属提供阴极保护的电源。
传统的液-固接触摩擦纳米发电机通过液体和固体表面接触摩擦起电产生电荷，并在固体绝缘材料背部通过金属电极导出感应电荷，其工作原理依赖摩擦起电和静电感应的耦合。但在实际应用之时，由于摩擦层材料的边缘效应，导致静电感应过程中存在电荷损失，限制了器件输出性能及能量转化效率。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种管状结构的液-固接触摩擦纳米发电机(liquid-solid triboelectric nanogenerator,LS-TENG)，实现了无需静电感应效应参与的液-固摩擦电荷直接提取与收集。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种管状单电极结构摩擦纳米发电机，其特征在于,包括管道以及设置在管道一端内壁的导电铜膜。
在上述的一种管状单电极结构摩擦纳米发电机，导电铜膜的一端与管道一端平齐或位于管道内。
在上述的一种管状单电极结构摩擦纳米发电机，所述管道采用聚四氟乙烯材质，长度为40cm，内径为6mm外径为8mm。
在上述的一种管状单电极结构摩擦纳米发电机，所述导电铜膜的外壁贴合于管道内壁。
在上述的一种管状单电极结构摩擦纳米发电机，导电铜膜为0.15mm厚，5cm长，宽度为管道的周长。
一种管状单电极结构摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于,包括：
制备管道：将商用水管分别截成30cm，40cm，…70cm，内径为2mm，4mm…12mm，管材为PTFE，PVC，PA，硅胶等中的一种
制备导电铜膜：采用5cm长，0.15mm厚导电胶带，宽度与管道周长相同。
将导电铜膜粘黏于管道内壁，使当水流流过时，铜膜直接与水流的摩擦层接触，从而实现无需静电感应过程直接由摩擦层导出摩擦电荷。
一种用于测试管状单电极结构摩擦纳米发电机性能的装置，其特征在于,包括：与发电机连接的可调速蠕动泵和测量及数据收集系统。
在上述的用于测试管状单电极结构摩擦纳米发电机性能的装置，所述测量及数据收集系统包括示波器、高阻表、导水管、收集电极、烧杯、铜电极、蠕动泵以及储水装置；
纳米发电机信号输出系统连接方式如下：所述导水管进水端与储水装置水源相连，所述导水管与所述蠕动泵入水端相连，所述蠕动泵出水端与所述单电极摩擦纳米发电机入水端相连，所述摩擦纳米发电机出水端对准所述烧杯中的收集电极，通过所述摩擦纳米发电机水流与收集电极接触，随后流入烧杯内。初始不带电的水滴经过与管壁的摩擦在其摩擦层表面会带有电荷，随后通过与所述的铜电极或者收集电极接触导出电荷，形成纳米发电机输出信号。
所述纳米发电机输出信号可由所述铜电极或所述收集电极任意其一导出，二者导出的电荷均为水与管道摩擦产生的摩擦电荷，因此电荷量相等，但由于电极面积的差异因此输出电压电流信号存在差异。为使实验现象更加明显同时尽量减小环境干扰，测量电压时使用收集电极作为信号输出端口，测量电流时使用铜电极作为信号输出端口。
所述纳米发电机输出性能测试系统连接方式如下：将所述纳米发电机的信号输出端口与高阻表信号输入端口相连；所述高阻表输出端口与模拟信号采集卡输入端口相连；所述模拟信号采集卡输出端口与示波器或计算机相连从而实现纳米发电机输出波形实时显示。
具体的，所述蠕动泵的采用步进电机(型号PC03)，可调流量范围为0.15-610ml·min-1，控制精度为1ml·min-1。所述高阻表采用吉利时6517B高阻表(Keithley6517B)，测量时将探头与LS-TENG电极相连，并根据信号输出情况选择合适量程。所述示波器选用泰克示波器(型号:Tektronix MDO3054)，探头为无源电压探头(TPP0101)，内阻为10MΩ，探头为10倍衰减。
一种测试管状单电极结构摩擦纳米发电机性能的方法，采用上述装置，其特征在于，包括：
步骤1，按所述连接方式完成测试系统连线，接通蠕动泵、高阻表、示波器或计算机的电源，设置蠕动泵处于暂停状态，读取此时示波器所显示的信号，此信号为环境噪声信号，使用高阻表所带有的“zerocheck”功能对数据进行校零；
步骤2，设置所述蠕动泵的流速、流体状态等参数；开启所述蠕动泵驱动水流流过所述液固接触摩擦纳米发电机，所述液固接触摩擦纳米发电机通过水流与管壁的摩擦起电产生电荷，该电荷通过所述铜电极或所述收集电极导入所述高阻表，使用所述高阻表的模数转换功能将模拟信号转换为数字信号，将该数字信号导入计算机得到原始输出信号序列；
以电压信号为例，步骤3所得原始信号序列Z0可表示为：
Z0＝(U1,U2,...,UK)
式中Z0为为原始输出信号序列，Ui表示原始输出信号序列第i个输出信号；i∈[1,K]，K表示原始输出信号的数量
步骤3，直接收集环境能量的纳米发电机将无可避免的产生大量干扰信号，而摩擦纳米发电机的输出频率相对较低，因此需要进行低通滤波从而提取真实的输出信号；具体的，将步骤2所得原始输出信号导入计算机滤波程序，设计低通滤波器过滤输出信号的高频噪声，从而得到相对精确的摩擦纳米发电机输出信号序列。
步骤3所得摩擦纳米发电机输出信号序列Zoutput可表示为
Zoutput＝f(Z0)＝(Uoutput1,Uoutput2,...,UoutputK)
式中Zoutput为摩擦纳米发电机输出信号序列，Ui表示摩擦纳米发电机输出信号序列第i个输出信号；i∈[1,K]，K表示摩擦纳米发电机输出信号的数量。
步骤4，将步骤4所得摩擦纳米发电机输出信号导入显示软件，并通过分析图形特征解析摩擦纳米发电机的输出特性。
现有技术相比，本发明的优点和有益效果：本发明摩擦纳米发电机通过电极直接和摩擦层接触，实现了收集电能无需静电感应过程，避免了电荷损失。本发明所构建的LS-TENG在610ml·min-1的流量下可实现对1.5V商用LED灯珠供电，持续点亮至少40个LED灯珠。与同类型器件输出电压与负载实验结果相比，本发明所研制的器件输出性能优异，能量转化效率较高。相关研究成果为构建自供能流量传感器等提供了支持，具备应用于工业或生活中管道类液体流量的监测测量或作为微纳传感器电源等领域的潜力。
附图说明
图1管状单电极摩擦纳米发电机的结构图。
图2摩擦纳米发电机测试平台示意图。
图3流量对输出电压的影响结果示意图(流量从左至右依次是：100-500，单位：ml/min)。
图4长度对输出电压的影响结果示意图(长度从左至右依次是：70-170，单位：cm)。
图5内径对输出电压的影响结果示意图(内径从左至右依次是：2-12，单位：mm)。
图6a是管道材料对LS-TENG输出电压的影响结果示意图。(PVC材料输出电压特性)(内径从左至右依次是：2-12，单位：mm)。
图6b是管道材料对LS-TENG输出电压的影响结果示意图。(硅胶材料输出电压特性)(内径从左至右依次是：2-12，单位：mm)。
图6c是管道材料对LS-TENG输出电压的影响结果示意图。(尼龙材料对输出电压的影响)(内径从左至右依次是：2-12，单位：mm)。
具体实施方式
下面通过实施例进一步阐述本发明。
实施例1
1)将导电铜膜(2)粘黏于管道(1)内壁，保证当水流(3)流过时，铜膜直接与水流的摩擦层接触，
2)将导水管(4)插入储水装置(5)水面以下，并在抽水时保证导水管管口低于水面，将导水管(4)与蠕动泵(6)入水口紧密相连；
3)将拟开展性能测试的液固接触摩擦纳米发电机(7)与可调速的蠕动泵(6)的出水口紧密相连，调节蠕动泵的工作参数，包括流量，工作模式等；
4)将拟开展性能测试的液固接触摩擦纳米发电机(7)输出电极经导线L1与高阻表(8)输入端子相连接；
5)将高阻表(8)输出端子与数据采集卡(9)输入端子相连，将高阻表测量的模拟信号转化为数字信号导入数据采集卡；
6)将数据采集卡(9)的输出信号通过USB转换线L2连接至上位机(10)；或通过同轴电缆L3连接至示波器(11)；
7)开启高阻表电源，设置待测信号类型(电压、电流或电荷)，选择合适的量程，并对设备进行校零，启动上位机电源(或示波器)；
8)开启蠕动泵，蠕动泵产生水压驱动水流流过摩擦纳米发电机，实现水流与管壁的相对滑动，并通过滑动分离产生摩擦电荷，输出电信号；
9)通过上位机或示波器收集并记录相关输出信号，构建低通滤波器对相关信号进行低通滤波处理，对处理后的波形进行分析，最终得到器件的输出特性。
10)图3-6给出了经本实施例1测试得到的摩擦纳米发电机输出电压特性，可以看到相关输出信号在不同的影响因素下，输出特性随之变化；
11)本发明通过调节蠕动泵转速测量了100ml·min-1-500ml·min-1流量条件下LS-TENG的输出性能。如图3所示，LS-TENG的输出电压波形可分解为连续的电压脉冲信号，脉冲的持续时间与流量近似成反比，脉冲的频率与流量近似成正比；
12)本发明选用了四种生活中常见材料的水管，分别是PTFE、PVC(聚氯乙烯,Polyvinyl chloride)、硅胶和尼龙，管道长度均为90cm。在500ml·min-1的流量下，测试了不同管道材料所构成的LS-ETNG在2mm-12mm内径的输出电压，其实验结果如图5和图6所示。可以看到，在其他条件均相同时，LS-TENG的输出性能满足PTFE>PVC>尼龙>硅胶，该实验结果与摩擦序列相符；
13)本发明通过对纳米发电机输出电压特性的研究验证了本发明作为新型的微水能收集装置的可行性，具备应用于工业或生活中管道类液体流量的监测测量或作为微纳传感器电源等领域的潜力。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种管状单电极结构摩擦纳米发电机，其特征在于,包括管道以及设置在管道一端内壁的导电铜膜。
2.根据权利要求1所述的一种管状单电极结构摩擦纳米发电机，其特征在于,导电铜膜的一端与管道一端平齐或位于管道内。
3.根据权利要求1所述的一种管状单电极结构摩擦纳米发电机，其特征在于,所述管道采用聚四氟乙烯材质，长度为40cm，内径为6mm外径为8mm。
4.根据权利要求1所述的一种管状单电极结构摩擦纳米发电机，其特征在于,所述导电铜膜的外壁贴合于管道内壁。
5.根据权利要求1所述的一种管状单电极结构摩擦纳米发电机，其特征在于,导电铜膜为0.15mm厚，5cm长，宽度为管道的周长。
6.一种权利要求1-5任意一项所述管状单电极结构摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于,包括：
制备管道：将商用水管分别截成30cm，40cm，…70cm，内径为2mm，4mm…12mm，管材为PTFE，PVC，PA，硅胶等中的一种；
制备导电铜膜：采用铜导电胶带作为导电铜膜，5cm长，0.15mm厚，宽度与管道周长相同；
将导电铜膜粘黏于管道内壁，使当水流流过时，铜膜直接与水流的摩擦层接触，从而实现无需静电感应过程直接由摩擦层导出摩擦电荷。
7.一种用于测试权利要求1-5任意一项所述管状单电极结构摩擦纳米发电机的性能的装置，其特征在于,包括：与发电机连接的可调速蠕动泵和测量及数据收集系统；
所述测量及数据收集系统包括示波器、高阻表、导水管、收集电极、烧杯、铜电极、蠕动泵以及储水装置；所述导水管进水端与储水装置水源相连，所述导水管与所述蠕动泵入水端相连，所述蠕动泵出水端与所述单电极摩擦纳米发电机入水端相连，所述摩擦纳米发电机出水端对准所述烧杯中的收集电极，通过所述摩擦纳米发电机水流与收集电极接触，随后流入烧杯内，初始不带电的水滴经过与管壁的摩擦在其摩擦层表面会带有电荷，随后通过与所述的铜电极或者收集电极接触导出电荷，形成纳米发电机输出信号。
8.根据权利要求7所述的的装置，其特征在于,的装置所述纳米发电机输出信号可由所述铜电极或所述收集电极任意其一导出，二者导出的电荷均为水与管道摩擦产生的摩擦电荷，因此电荷量相等，但由于电极面积的差异因此输出电压电流信号存在差异，为使实验现象更加明显同时尽量减小环境干扰，测量电压时使用收集电极作为信号输出端口，测量电流时使用铜电极作为信号输出端口；
所述纳米发电机输出性能测试系统连接方式如下：将所述纳米发电机的信号输出端口与高阻表信号输入端口相连；所述高阻表输出端口与模拟信号采集卡输入端口相连；所述模拟信号采集卡输出端口与示波器或计算机相连从而实现纳米发电机输出波形实时显示。
9.根据权利要求7所述的的装置，其特征在于,所述蠕动泵的采用步进电机(型号PC03)，可调流量范围为0.15-610ml·min-1，控制精度为1ml·min-1，所述高阻表采用吉利时6517B高阻表Keithley 6517B，测量时将探头与LS-TENG电极相连，并根据信号输出情况选择合适量程，所述示波器选用泰克示波器Tektronix MDO3054，探头为无源电压探头TPP0101，内阻为10MΩ，探头为10倍衰减。
10.一种采用权利要求7所述测试管状单电极结构摩擦纳米发电机性能装置的性能测试方法，其特征在于，包括：
步骤1，完成测试系统连线，接通蠕动泵、高阻表、示波器或计算机的电源，设置蠕动泵处于暂停状态，读取此时示波器所显示的信号，此信号为环境噪声信号，使用高阻表所带有的“zerocheck”功能对数据进行校零；
步骤2，设置所述蠕动泵的流速、流体状态等参数；开启所述蠕动泵驱动水流流过所述液固接触摩擦纳米发电机，所述液固接触摩擦纳米发电机通过水流与管壁的摩擦起电产生电荷，该电荷通过所述铜电极或所述收集电极导入所述高阻表，使用所述高阻表的模数转换功能将模拟信号转换为数字信号，将该数字信号导入计算机得到原始输出信号序列；
以电压信号为例，步骤3所得原始信号序列Z0可表示为：
Z0＝(U1,U2,...,UK)
式中Z0为为原始输出信号序列，Ui表示原始输出信号序列第i个输出信号；i∈[1,K]，K表示原始输出信号的数量
步骤3，直接收集环境能量的纳米发电机将无可避免的产生大量干扰信号，而摩擦纳米发电机的输出频率相对较低，因此需要进行低通滤波从而提取真实的输出信号；具体的，将步骤2所得原始输出信号导入计算机滤波程序，设计低通滤波器过滤输出信号的高频噪声，从而得到相对精确的摩擦纳米发电机输出信号序列；
步骤3所得摩擦纳米发电机输出信号序列Zoutput可表示为
Zoutput＝f(Z0)＝(Uoutput1,Uoutput2,...,UoutputK)
式中Zoutput为摩擦纳米发电机输出信号序列，Ui表示摩擦纳米发电机输出信号序列第i个输出信号；i∈[1,K]，K表示摩擦纳米发电机输出信号的数量；
步骤4，将步骤4所得摩擦纳米发电机输出信号导入显示软件，并通过分析图形特征解析摩擦纳米发电机的输出特性。
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Citations (7)
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- 2021-12-31 CN CN202111664666.3A patent/CN114337353A/zh active Pending
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