CN104467515A - 一种多机组纳米水力发电机及其制造方法 - Google Patents

一种多机组纳米水力发电机及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多机组纳米水力发电机及其制造方法，多机组纳米水力发电机包括：摩擦层、电极层、基底，电极层设置于基底上表面，摩擦层设置于电极层上表面，摩擦层由表面具有微结构的疏水薄膜构成，电极层由若干电极阵列排布组成，其制造方法包括如下步骤：a.裁剪疏水薄膜b.在疏水薄膜上制备微结构c.清洗疏水薄膜和基底d.制作阵列化电极e.连接各组件，本发明通过电极的阵列化和疏水薄膜的使用实现了多机组水力发电机的制备，疏水薄膜可有效的提升发电机的输出，结构简单、成本低廉，相比于单一发电机具有很高的能量收集效率，且其中的一个单元的失效不会引起整个发电机的失效等特点，其可以收集生活中的水流能量，且可以进一步与管道、水槽集成进而大大拓展其应用领域，具有很大的应用前景。

Description

一种多机组纳米水力发电机及其制造方法
技术领域
本发明涉及水力发电、微纳能源领域，具体涉及一种多机组纳米水力发电机及其制造方法。
背景技术
随着经济快速发展，人民生活水平不断提高，对能源需求的增长速度也日益增大。而现如今的能源结构还是以石油和煤炭为主要组成部分，而传统化石燃料本身的不可再生性和其对环境的污染决定了这种能源结构是不可持续的。大力发展清洁能源用可再生能源全面取代生化资源是摆在人们面前的一个迫在眉睫的问题。这些可再生能源包括太阳能、风能、氢能源、水力发电等。其中水力发电具有发电效率高、发电成本低、机组启动快、调节容易等优点而成为能源供应的一大来源。传统的水力发电主要利用水位落差，配合水轮发电机产生电力，即利用水的位能转化为水的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。而生活中到处存在的水流，例如家用水龙头，输水管道中的水流，设备中的循环水等所蕴含的能量是无法使用这种发电机来俘获的。因为这种发电机具有一次投资大、设备昂贵、体积大等缺点，所以限制了其收集生活环境中各种水流形式的能量。
2013年，Zonghong Lin 等（Zong-Hong Lin, Gang Cheng, Long Lin, Sangmin Lee, and Zhong Lin Wang. Angew. Chem. Int. Ed.2013, 52(48), 12545.）报导了摩擦发电机利用水和固体界面形成接触带电而可能在收集立体能量方面具有巨大的应用前景。后来，原型单电极摩擦发电机被发展出来，（Advanced Materials, 2014, 26(27), 4690.）进一步说明了这种器件可以被用来有效的收集水流相关能量。而近年来，便携式电子产品的普及为驱动这些电子器件的电源提出了更高的要求。发展一种环境友好型、持续供能的技术变得迫在眉睫。因此，通过有效手段将环境中的水流相关的能量收集起来，并转化为可持续的电能来驱动小范围的电子器件，将有望成为纳米水力发电机一个巨大的应用领域。
然而，单个的纳米水力发电机收集水流能量的效率还不高，且其一旦遇到机械或者其他损伤将导致短路的发生，这样整个器件就会失效。这对纳米水力发电机在未来的实际生活中的应用是非常不利的。
发明内容
 本发明提出一种可高效收集水流能量且可靠性高、结构简单、成本低廉的多机组纳米水力发电机及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明提出如下技术方案：
一种多机组纳米水力发电机，包括摩擦层、电极层、基底，电极层设置于基底上表面，摩擦层设置于电极层上表面，所述摩擦层由表面具有微结构的疏水薄膜构成，所述电极层由若干电极阵列排布组成。
进一步的，所述电极阵列排布方式包括：矩形阵列排布、环形阵列排布、不规则阵列排布。
进一步的，所述疏水薄膜的材料包括：聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺（PI）、聚丙烯晴（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
进一步的，所述电极的材料包括：铝、铜、掺氟氧化锡（FTO）和氧化铟锡（ITO）。
一种多机组纳米水力发电机的制造方法，包括如下步骤：
a.         将厚度为80-150微米的聚四氟乙烯薄膜（PTFE）裁剪为长度为6-7厘米且宽度为3-4厘米的矩形；
b.        将裁剪好的薄膜和购置的筛网叠放与两片光整玻璃片之间，并连带玻璃片放置于压片机上，设置压力为10Mpa，保持10-15分钟，得到表面具有微结构的疏水薄膜；
c.         将经步骤b得到的疏水薄膜和使用的基底放置于超声波清洗机中，依次使用丙酮、异丙醇、乙醇清洗，各清洗十分钟，晾干待用；
d.        将长度为5厘米且宽度为3厘米的铝箔裁剪成相同大小的矩形块作为电极，将电极黏在基底上，阵列排列，得到阵列化电极；
e.         将步骤d中的疏水薄膜黏在阵列化电极上，并且在每一个电极上连接导线，得到多机组纳米水力发电机。
进一步的，所述疏水薄膜的材料包括：聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺（PI）、聚丙烯晴（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
进一步的，所述筛网包括：500、800、2000、2800目等孔径的筛网。
进一步的，所述电极的材料包括：铝、铜、掺氟氧化锡（FTO）和氧化铟锡（ITO）。
    进一步的，所述多机组纳米水力发电机的电极数量为8~100个。
本发明优势在于：本发明通过电极的阵列化和疏水薄膜的使用实现了多机组水力发电机的制备，疏水薄膜可有效的提升发电机的输出，多机组的设计使发电机在以后实际应用中具有很大的优势，因为各个工作单元之间互相独立，所以其中部分单元的由于各种原因引起的失效不会导致整个发电机的失效；这种多机组纳米水力发电机具备结构简单、成本低廉和相比于单一发电机高得多的能量收集效率且可以进一步与管道，水槽集成进而大大拓展其应用领域，具有很大的应用前景。
附图说明
图1多机组纳米水力发电机结构示意图；
图2为疏水薄膜表面微结构示意图；
图3为疏水薄膜表面微结构扫描电镜图；
图4为电极层电极阵列排布示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
 相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
 如图1所示，一种多机组纳米水力发电机，包括：摩擦层1、电极层2和基底3，所述电极层2设置于基底3上表面，摩擦层1设置于电极层2上表面，其中摩擦层1由表面具有微结构5的疏水薄膜4构成，电极层2由若干电极6阵列排布组成，当水流流过时，其施加的外力使所述摩擦层1的下表面和所述电极层2的上表面发生相对滑动摩擦，并且导致接触面积发生变化，通过电极层2向外电路输出电信号，将机械能转化为电能，达到发电的目的。
 如图2、图3所示，疏水薄膜4表面设置的微结构5增加了疏水薄膜4与水的接触角，从而增加了疏水薄膜4的疏水性，疏水薄膜4的疏水性越大，水滴越不容易留在薄膜上，如果水滴留在了薄膜上，水滴上所带的电荷会屏蔽掉水流在薄膜上流动所带来的电极6与地电极的电势差，会降低发电机的输出，另一方面，微结构5的制备可以使疏水薄膜4的比表面积增加，会增加疏水薄膜4与水的接触面积，从而有效的提高发电机的输出，疏水薄膜（4）的材料包括：聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺（PI）、聚丙烯晴（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
 如图4所示，电极层由若干电极6阵列排布组成，其排列方式包括：环形阵列，矩形阵列，不规则阵列，每个电极6之间互相独立，不会因为其中部分电极6失效导致发电机失效，提高了发电机的可靠性，电极（6）的材料包括：铝、铜、掺氟氧化锡（FTO）和氧化铟锡（ITO）。
一种多机组纳米水力发电机的制造方法，其步骤如下：
a.         将厚度为80-150微米的聚四氟乙烯薄膜（PTFE）裁剪为长度为6-7厘米且宽度为3-4厘米的矩形；
b.        将裁剪好的薄膜和购置的筛网（2800目）叠放与两片光整玻璃片之间，并连带玻璃片放置于压片机上，设置压力为10Mpa，保持10-15分钟，得到表面具有微结构5的疏水薄膜4；
c.         将经步骤b得到的疏水薄膜4和使用的基底放置于超声波清洗机中，依次使用丙酮、异丙醇、乙醇清洗，各清洗十分钟，晾干待用；
d.        将长度为5厘米且宽度为3厘米的铝箔裁剪成相同大小的矩形块作为电极6，将电极6黏在基底3上，阵列排列，得到阵列化电极；
e.         将步骤d中的疏水薄膜4黏在阵列化电极上，并且在每一个电极6上连接导线，得到多机组纳米水力发电机。
 制作疏水薄膜4的材料并不限于上述的聚四氟乙烯（PTFE），也可以使用其他材料的包括：聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺（PI）、聚丙烯晴（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。
 制备微结构5的筛网并不限于上述的2800目筛网，也可以是500、800、2000目等孔径的筛网。
 制作电极6的材料并不限于上述的铝，也可使用其他材料，包括：铜、掺氟氧化锡（FTO）和氧化铟锡（ITO）等。
 每个多机组纳米水力发电机包含的电极数量为8~100个。
本发明优势在于：本发明通过电极的阵列化和疏水薄膜的使用实现了多机组水力发电机的制备，疏水薄膜可有效的提升发电机的输出，多机组的设计使发电机在以后实际应用中具有很大的优势，因为各个工作单元之间互相独立，所以其中部分单元的由于各种原因引起的失效不会导致整个发电机的失效；这种多机组纳米水力发电机具备结构简单、成本低廉和相比于单一发电机高得多的能量收集效率且可以进一步与管道，水槽集成进而大大拓展其应用领域，具有很大的应用前景。

Claims (9)

1.一种多机组纳米水力发电机，包括：摩擦层（1）、电极层（2）、基底（3），电极层（2）设置于基底（3）上表面，摩擦层（1）设置于电极层（2）上表面，其特征在于：所述摩擦层（1）由表面具有微结构（5）的疏水薄膜（4）构成，所述电极层（2）由若干电极（6）阵列排布组成。
2.根据权利要求1所述的多机组纳米水力发电机，其特征在于，所述电极（6）阵列排布方式包括：矩形阵列排布、环形阵列排布、不规则阵列排布。
3.根据权利要求1所述的多机组纳米水力发电机，其特征在于，所述疏水薄膜（4）的材料包括：聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺（PI）、聚丙烯晴（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
4.根据权利要求1所述的多机组纳米水力发电机，其特征在于，所述电极（6）的材料包括：铝、铜、掺氟氧化锡（FTO）和氧化铟锡（ITO）。
5.一种多机组纳米水力发电机的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
a.将厚度为80-150微米的聚四氟乙烯薄膜（PTFE）裁剪为长度为6-7厘米且宽度为3-4厘米的矩形；
b.将裁剪好的薄膜和购置的筛网叠放与两片光整玻璃片之间，并连带玻璃片放置于压片机上，设置压力为10Mpa，保持10-15分钟，得到表面具有微结构（5）的疏水薄膜（4）；
c.将经步骤b得到的疏水薄膜（4）和使用的基底（3）放置于超声波清洗机中，依次使用丙酮、异丙醇、乙醇清洗，各清洗十分钟，晾干待用；
d.将长度为5厘米且宽度为3厘米的铝箔裁剪成相同大小的矩形块作为电极（6），将电极（6）黏在基底（3）上，阵列排列，得到阵列化电极；
e.将步骤d中的疏水薄膜（4）黏在阵列化电极上，并且在每一个电极（6）上连接导线，得到多机组纳米水力发电机。
6.根据权利要求5所述的多机组纳米水力发电机制造方法，其特征在于，所述疏水薄膜（4）的材料包括：聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺（PI）、聚丙烯晴（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
7.根据权利要求5所述的多机组纳米水力发电机制造方法，其特征在于，所述筛网包括：500、800、2000、2800目等孔径的筛网。
8. 根据权利要求5所述的多机组纳米水力发电机制造方法，其特征在于，所述电极（6）的材料包括：铝、铜、掺氟氧化锡（FTO）和氧化铟锡（ITO）。
9. 根据权利要求5所述的多机组纳米水力发电机制造方法，其特征在于，所述多机组纳米水力发电机的电极（6）数量为8~100个。
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