CN212543673U - 一种液滴发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种液滴发电装置。所述液滴发电装置包括液滴发电单元和蓄电单元;所述液滴发电单元包括从下至上依次设置的绝缘底板、第一电极、聚四氟乙烯薄膜和第二电极,其中第二电极部分铺覆于聚四氟乙烯薄膜;所述第一电极还设置有与地面接触的地线;所述蓄电单元包括整流器和蓄电池,其中整流器通过导线分别与第一电极、第二电极连接,所述蓄电池与所述整流器连接。本实用新型提供的液滴发电装置能够有效利用低频无序的水运动能量,收集液滴与平板表面接触时产生的电能,结合类场效应晶体管的结构设计与高表面电荷密度,具有较高的发电效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及新能源发电领域,更具体地,涉及一种液滴发电装置。
背景技术
随着经济建设的不断发展,我国对电力能源的需求越来越大。现阶段环保要求提高,大力开发清洁高效的新能源发电技术具有非常重要的现实意义。目前,水力发电、潮汐发电等技术已经趋于成熟,现有的水利发电机大多是大型水轮发电机,利用高频且大体积的液体推动大型水轮发电机发电。但这些技术只能利用液体的中高频运动,无法高效地收集低频无序的水滴能源和海浪能源,如雨水、滴落的废液以及小体积的海浪中所带的能量。如何将低频、无序的水运动的能量高效收集起来,是近年来能源领域的研究热点之一。
目前现有常用的收集低频无序的水运动能量的技术和方法主要有势差雨水发电和薄片雨水发电。势差雨水发电是指雨水从楼顶排入地下的时候,楼顶和地面的落差使雨水的势能转换为动能。但此发电方法为了利用楼房上的雨水,需要对楼房上的楼房雨水管进行改造,改造难度较大,导致这种雨水发电系统的应用难度较大。薄片雨水发电是指水滴从高处落在具有压电性质的微小薄片上,薄片受到外力的作用而发生变形,产生压电。中国专利申请CN110098765A公开了一种具有雨水收集功能的水循环振动发电装置,以超磁致伸缩材料薄片为核心元件,通过雨水拍打使超磁致伸缩薄片振动,雨水存储到水箱中,再通过叶轮的回转运动带动滑块作直线往复运动带动托水板上下运动,把雨水传递到漏斗中实现循环供水,缠有拾取线圈的超磁致伸缩材料薄片将振动能量收集起来并转换为电能输出。但此薄片具有韧性差,易断裂等缺点,发电效果难以满足需求。中国专利申请CN111585465A公开了一种基于水滴撞击摩擦的旋转式发电装置,包括发电机外壳、叶片、支撑肋、同心圆环电极、正极引出电极和负极引出电极,通过该装置可以由液滴的反复撞击或使用压电效应产生电场,实现高效的发电。但该装置结构复杂,包括同心圆环电极、支撑肋、叶片等部件,安装复杂,难以广泛使用。
因此,需要开发出一种高效利用低频无序水运动的能量的发电装置。
实用新型内容
本实用新型为克服上述现有技术所述的设备难以安装、发电效果不好的缺陷,提供一种液滴发电装置,该液滴发电装置能够有效利用低频无序的水运动能量,收集液滴与平板表面接触时产生的电能,具有较高的发电效率。
为解决上述技术问题,本实用新型采用的技术方案是:
一种液滴发电装置,包括液滴发电单元和蓄电单元;
所述液滴发电单元包括从下至上依次设置的绝缘底板、第一电极、聚四氟乙烯薄膜和第二电极,其中第二电极部分铺覆于聚四氟乙烯薄膜;
所述第一电极还设置有与地面接触的地线;
所述蓄电单元包括整流器和蓄电池,其中整流器通过导线分别与第一电极、第二电极连接,所述蓄电池与所述整流器连接。
聚四氟乙烯是一种具有高电荷存储能力和稳定性的驻极体材料。液滴滴落时,首先接触到没有铺覆第二电极的聚四氟乙烯薄膜表面。液滴对聚四氟乙烯的连续撞击和滑动会产生摩擦电,在聚四氟乙烯表面产生高电荷密度。此时,聚四氟乙烯表面基团的离子化使聚四氟乙烯带负电,而由于正负电荷吸引作用,液滴中与聚四氟乙烯薄膜接触的部分汇集大量正电荷,由此形成双电层,以保持电中性。此时,聚四氟乙烯层和液滴层相当于一个电容器C1。当液滴离开聚四氟乙烯薄膜表面时,由于聚四氟乙烯薄膜带有负电荷,使第一电极通过地线从地面静电感应相同数量的正电荷。此时,聚四氟乙烯层和第一电极层相当于电容器Cp。经过液滴持续地撞击,聚四氟乙烯薄膜表面将累积起很高的电荷密度直至饱和状态。
当液滴刚刚落到聚四氟乙烯薄膜表面时,并不与第二电极接触,整个系统处于开路状态,即电路没有接通。但随着撞击在聚四氟乙烯薄膜表面上的液滴铺展开来,液滴接触到第二电极,接通了原本不相连的聚四氟乙烯薄膜、第一电极和第二电极,形成了一个连通的电路,之前聚集在第一电极里的大量电荷,就会涌向第二电极。此时,第二电极和液滴相当于电容器C2,C1与CP和C2一起形成闭合电路。
随着液滴收缩离开聚四氟乙烯薄膜表面,正电荷回流至第一电极。通过液滴不断地滴落,此装置就能长时间、连续地发电。
液滴发电单元产生的电流被采集并储存于蓄电单元,蓄电单元再输出电能至用电设备。
发明人通过大量实验发现,使用此设备收集液滴的能量发电,在聚四氟乙烯薄膜表面电荷密度饱和后,一滴水能产生约50W/m2的电量,发电效率非常高。
优选地,所述第一电极为石墨烯导电薄膜、氧化铟锡导电薄膜、银纳米线导电薄膜中的一种。
更优选地,所述第一电极为石墨烯导电薄膜。
优选地,石墨烯导电薄膜和绝缘底片的总厚度为0.2~2mm。
优选地,所述第二电极为金属电极片。
更优选地,所述第二电极为铜电极片、铝电极片、银电极片或金电极片中的一种。
优选地,所述第二电极的厚度为20~60μm。
在撞击的液滴接触第二电极之前,在界面上没有形成电容器C2。此时,电路保持开路。当第二电极和聚四氟乙烯薄膜通过液滴连接时,电容器C2在界面处建立。因此,C1与CP和C2一起形成闭合电路。此时输出的电流比没有第二电极的液滴发电机大了约2600倍,使得发电效率大大提升。
优选地,所述聚四氟乙烯薄膜的上表面与水平面的夹角为10°~80°。
更优选地,所述聚四氟乙烯薄膜的上表面与水平面的夹角为45°~80°。
更优选地,所述液滴发电单元以与水平面45°的倾斜角度摆放。
液滴发电装置以一定的倾斜角度而不是水平摆放,促使滴落的液滴能够快速滑落,使后续滴落的液滴能够与聚四氟乙烯薄膜充分接触并产生摩擦电,液滴不断撞击与滑落,在聚四氟乙烯薄膜上储存大量的电荷。
优选地,所述聚四氟乙烯薄膜的厚度为5~20μm。
优选地,所述绝缘底板为玻璃板、橡胶板、塑料板或陶瓷板中的一种。
更优选地,所述绝缘底板为玻璃板。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明提供了一种液滴发电装置,该装置包括液滴发电单元和蓄电单元,液滴发电单元包括绝缘底板、第一电极、聚四氟乙烯薄膜和第二电极。该装置能够有效利用低频无序的水运动能量,收集液滴与平板表面接触时产生的电能,结合类场效应晶体管的结构设计与高表面电荷密度,具有较高的发电效率。
附图说明
图1为实施例1的液滴发电装置结构示意图。
图1中:1-液滴发电单元;2-整流器;3-蓄电池;4-液滴;5-地线;6-用电设备;11-绝缘底板;12-第一电极;13-聚四氟乙烯薄膜;14-第二电极。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。
本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本实用新型的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制。
此外,若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的,主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同),并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量,而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
实施例1
本实施例提供一种液滴发电装置,结构示意图如图1所示,包括液滴发电单元1和蓄电单元。
其中液滴发电单元1为层状结构,从下至上依次为:玻璃底板11、石墨烯导电薄膜12、聚四氟乙烯薄膜13和铝电极片14;
玻璃底板11尺寸为30mm×30mm,石墨烯导电薄膜12的尺寸为30mm×30mm,石墨烯导电薄膜12通过化学气相沉积于玻璃底板11上,沉积后玻璃底板11和石墨烯导电薄膜12的总厚度为0.4mm,聚四氟乙烯薄膜13厚度为16.9μm,铝电极片14尺寸为1mm×5mm,铝电极片14的厚度为50μm,聚四氟乙烯薄膜13 和铝电极片14使用滴铸法同时沉积于石墨烯导电薄膜12表面,铝电极片14铺覆于聚四氟乙烯薄膜13的远离石墨烯导电薄膜12的一面;
地线5一端与石墨烯导电薄膜12接触,另一端与地面接触。
蓄电单元包括整流器2和蓄电池3,整流器2通过导线分别与液滴发电单元的石墨烯导电薄膜12、铝电极片14连接,蓄电池3与整流器2连接,蓄电池3 的输入电压为12V,容量为7.2AH。
液滴发电单元以与水平面45°的倾斜角度摆放。
本实施例的液滴发电装置的具体使用步骤如下:
S1.调整液滴发电单元1的摆放倾斜角度a=45°;
S2.调整液滴发电单元1的摆放位置,使得液滴4的滴落位置为未被铝电极片14铺覆的聚四氟乙烯薄膜13表面,且液滴4被撞击铺展开时,能够同时与聚四氟乙烯薄膜14和铝电极片14接触;
S3.使用自来水作为液滴4原料,设置液滴4从15cm的高处以4.2Hz的频率落下,滴落于S2中的滴落位置,每滴液滴的体积为100μl;
S4.通过蓄电单元采集并储存液滴4发电装置产生的电流,并输出电能给用电设备6。
当液滴撞击次数达到16000次时,聚四氟乙烯薄膜表面电荷达到饱和状态,此时最大瞬时峰值功率密度可达50W/m2。
实施例2
本实施例提供一种液滴发电装置,与实施例1的区别在于,使用时调整液滴发电单元1的摆放倾斜角度a=10°。
当液滴撞击次数达到16000次时,聚四氟乙烯薄膜表面电荷达到饱和状态,此时最大瞬时峰值功率密度可达29.8W/m2。
实施例3
本实施例提供一种液滴发电装置,与实施例1的区别在于,使用时调整液滴发电单元1的摆放倾斜角度a=80°。
当液滴撞击次数达到18000次时,聚四氟乙烯薄膜表面电荷达到饱和状态,此时最大瞬时峰值功率密度可达43.2W/m2。
显然,本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例,而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种液滴发电装置,其特征在于,所述液滴发电装置包括液滴发电单元(1)和蓄电单元;
所述液滴发电单元(1)包括从下至上依次设置的绝缘底板(11)、第一电极(12)、聚四氟乙烯薄膜(13)和第二电极(14),其中第二电极(14)部分铺覆于聚四氟乙烯薄膜(13);
所述第一电极(12)还设置有与地面接触的地线(5);
所述蓄电单元包括整流器(2)和蓄电池(3),其中整流器(2)通过导线分别与第一电极(12)、第二电极(14)连接,所述蓄电池(3)与所述整流器(2)连接。
2.根据权利要求1所述的液滴发电装置,其特征在于,所述绝缘底板(11)为玻璃板、橡胶板、塑料板或陶瓷板中的一种。
3.根据权利要求1所述的液滴发电装置,其特征在于,所述第一电极(12)为石墨烯导电薄膜、氧化铟锡导电薄膜、银纳米线导电薄膜中的一种。
4.根据权利要求1所述的液滴发电装置,其特征在于,所述第一电极(12)和绝缘底板(11)的总厚度为0.2~2mm。
5.根据权利要求1所述的液滴发电装置,其特征在于,所述聚四氟乙烯薄膜(13)的上表面与水平面的夹角为10°~80°。
6.根据权利要求1所述的液滴发电装置,其特征在于,所述聚四氟乙烯薄膜(13)的上表面与水平面的夹角为45°~80°。
7.根据权利要求1所述的液滴发电装置,其特征在于,所述聚四氟乙烯薄膜(13)的厚度为5~20μm。
8.根据权利要求1所述的液滴发电装置,其特征在于,所述第二电极(14)为金属电极片。
9.根据权利要求8所述的液滴发电装置,其特征在于,所述第二电极(14)为铜电极片、铝电极片、银电极片或金电极片中的一种。
10.根据权利要求1所述的液滴发电装置,其特征在于,所述第二电极(14)的厚度为20~60μm。
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