一种基于双电荷层的发电机及其发电方法技术

一种基于双电荷层的发电机及其发电方法。发电机设有第一、二部件，第一部件设第一薄膜层和第一导电层，第二部件设有第二薄膜层和第二层电层，第一薄膜层背面贴合第一导电层，第二薄膜层背面贴合第二导电层；第一薄膜层表面在工作环境中带有正、负电荷；当第一、二薄膜层分离的距离大于1μm时所带电荷与所吸附的异种电荷离子之间形成电荷平衡，总电荷保持中性；当第一、二薄膜层距离小于1μm时表面的溶液和溶液中的离子被排开，第一、二薄膜层表面所带有的正、负电荷无法被溶液中的异种电荷离子屏蔽；第一薄膜层背面的第一导电层和第二薄膜层背面的第二导电层中感应出电势差，驱动电子在第一、二导电层之间连接的外电路流动，形成电流。

A Generator Based on Double Charge Layer and Its Generation Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于双电荷层的发电机及其发电方法
本专利技术涉及将环境中机械能转化为电能的发电技术，尤其是涉及一种基于双电荷层的发电机及其发电方法。
技术介绍
能源是我国国民经济发展的支柱。随着我国石油和煤炭等传统能源的大量消耗，由此带来的能源短缺和环境问题日益严重。在此背景下，从周围环境中获取清洁能源对社会的可持续发展至关重要(SihongWang,LongLin,andZhongLinWang,NanoscaleTriboelectric-Effect-EnabledEnergyConversionforSustainablyPoweringPortableElectronics,NanoLett.,2012,12(12),6339–6346)。传统的基于空气中材料摩擦的纳米发电机，其发电效果受空气湿度影响较大，在空气湿度增大的情况下摩擦起电效应将大大减弱，摩擦纳米发电机的输出甚至会降为0，在海洋能的应用上受到极大的制约(GuoH,ChenJ,TianL,etal.Airflow-InducedTriboelectricNanogeneratorasaSelf-PoweredSensorforDetectingHumidityandAirflowRate[J].ACSAppliedMaterials&Interfaces,2014,6(19),17184-17189)。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供能够将机械能转换为电能的一种基于双电荷层的发电机及其发电方法。所述基于双电荷层的发电机设有第一部件和第二部件，第一部件设有第一薄膜层和第一导电层，第二部件设有第二薄膜层和第二层电层，所述第一薄膜层背面贴合第一导电层，第二薄膜层背面贴合第二导电层；第一薄膜层表面在工作环境中带有正电荷或负电荷；当第一薄膜层与第二薄膜层之间分离的距离大于1μm时，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面所带电荷与所吸附的异种电荷离子之间形成电荷平衡，总电荷保持中性；当第一薄膜层与第二薄膜层之间的距离小于1μm时，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面的溶液和溶液中的离子被排开，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面所带有的正电荷或负电荷无法被溶液中的异种电荷离子屏蔽；第一薄膜层背面贴合的第一导电层和第二薄膜层背面贴合的第二导电层中感应出电势差，驱动电子在第一导电层与第二导电层之间连接的外电路流动，形成电流。当撤去外力时，所述第一薄膜层的下表面和第二薄膜层的上表面能够恢复到距离大于1μm。所述第一薄膜层、第二薄膜层、第一导电层和第二导电层的尺寸和形状相同。所述第一薄膜层和第二薄膜层在水溶液中至少有一层带有正表面电荷或负表面电荷。所述第一薄膜层和第二薄膜层在水溶液中存在表面电荷密度差异。所述第一薄膜层和第二薄膜层的材料可相同或不同，第一薄膜层和第二薄膜层的材料包括但不限于聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氧化石墨烯、石墨烯、二硫化钼、石英、聚乙烯、聚氯乙烯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、聚氨酯弹性体、硬橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、液晶高分子聚合物、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、聚碳酸酯、丙烯腈、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、丁苯橡胶等表面可带电或者不带电的材料中的至少一种。所述第一薄膜层和第二薄膜层的厚度可均为5nm～1cm。所述第一导电层和第二导电层可分别与外电路电信号输出端连接，通过电信号输出端向外输送能量。所述第一导电层和第二导电层可选自金属、导电氧化物、掺杂的半导体、导电有机物等导电材料中的一种。所述金属可选自铝、银、镍、铜、铂、金、铬以及由上述金属形成的合金；所述导电氧化物可为铟锡氧化物等；所述导电有机物可选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等中的一种。所述第一部件和第二部件相对放置。所述工作环境可为水溶液，所述水溶液可直接放置于海洋、河流、湖泊等任意水体中。所述发电机工作的外力可包括潮汐、波浪等可提供动能的水体能量，或人体运动、风、环境震动等机械能。所述第一部件可设有第一衬底，第二部件可设有第二衬底；所述第一衬底和第二衬底可采用硬性材料或柔性材料，所述硬性材料可选自有机玻璃板材、聚乙烯板材、聚氯乙烯板材。所述基于双电荷层的发电方法包括以下步骤：1)提供分隔放置的第一部件和第二部件，并将第一导电层和第二导电层分别与电信号输出端的两端连接，所述电信号输出端连接外电路；2)使第一部件与第二部件交替接触；3)通过电能或电信号输出端向外输出电信号。在步骤2)中，所述交替接触可通过改变第一部件与第二部件的间距所造成的接触和分离实现；第一部件的第一薄膜层和第二部件的第二薄膜层两者的表面电荷极性不同或者带电量不同。本专利技术利用溶液双电荷层将工作环境中的机械能转化为电能，包括海洋、河流中的波浪能、潮汐能、人体运动的能量、工作环境中的震动能等，这些能源是清洁、可再生的能源，资源丰富，发展前景可观。本专利技术提供一种可用于在水下收集水体机械能的新型发电机，利用了静电感应和双电荷层的特性，创造性地提出利用排开双电荷层的方法来将江河湖海中所蕴含的包括波浪能、潮汐能等机械能转换为电能。工作时发电机可以直接置于水下，不受环境湿度的影响。输出的电能可用于直接驱动电子器件或者给能量储存设备充电，对实现蓝色能源的开发具有极其重要的意义。本专利技术提供了一种体积小、质量轻、成本低的发电机，而且对工作环境湿度不敏感，甚至能够在水环境中进行发电。本专利技术具有以下突出的技术效果：本专利技术提供的基于双电荷层的发电机最突出的优点是发电机的工作性能不随工作环境湿度变化，甚至可以直接在水溶液中工作，这使得其可以利用江河湖海中所蕴含的机械能，包括波浪能、潮汐能等，并将其转换为电能，这极大地提高了水力能源收集的简便性、通用性。附图说明图1为本专利技术所述基于双电荷层的发电机实施例的一种典型结构示意图。图2为图1所述基于双电荷层的发电机实施例的工作原理示意图。图3为本专利技术所述基于双电荷层的发电机实施例的另一种典型结构示意图。图4为本专利技术所述基于双电荷层的发电机实施例的电信号输出谱图。在图4中，a是电压输出图，b是输出电信号为电容充电图。图5为本专利技术所述基于双电荷层的发电机实施例用于点亮LED灯。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本专利技术所述“双电荷层”是指在两种不同物质的界面上，正负电荷分别排列成的面层。在水下因表面基团的解离或从溶液中吸附某种电荷从而使其表面呈正或负电性，带电表面和溶液中的异种电荷离子构成双电荷层。由于电中性的要求，带电表面附近的液体中必有与固体表面电荷数量相等但符号相反的多余的异种电荷离子。带电表面和异种电荷离子构成双电荷层。例如，高分子材料聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethyleneterephthalate)表面存在羧基，羧基在水中电离从而使表面带有负电性，带有负电的表面吸附溶液中电性相反的正离子形成双电荷层。图1给出本专利技术所述基于双电荷层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双电荷层的发电机，其特征在于设有第一部件和第二部件，第一部件设有第一薄膜层和第一导电层，第二部件设有第二薄膜层和第二层电层，所述第一薄膜层背面贴合第一导电层，第二薄膜层背面贴合第二导电层；第一薄膜层表面在工作环境中带有正电荷或负电荷；当第一薄膜层与第二薄膜层之间分离的距离大于1μm时，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面所带电荷与所吸附的异种电荷离子之间形成电荷平衡，总电荷保持中性；当第一薄膜层与第二薄膜层之间的距离小于1μm时，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面的溶液和溶液中的离子被排开，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面所带有的正电荷或负电荷无法被溶液中的异种电荷离子屏蔽；第一薄膜层背面贴合的第一导电层和第二薄膜层背面贴合的第二导电层中感应出电势差，驱动电子在第一导电层与第二导电层之间连接的外电路流动，形成电流。

【技术特征摘要】
1.一种基于双电荷层的发电机，其特征在于设有第一部件和第二部件，第一部件设有第一薄膜层和第一导电层，第二部件设有第二薄膜层和第二层电层，所述第一薄膜层背面贴合第一导电层，第二薄膜层背面贴合第二导电层；第一薄膜层表面在工作环境中带有正电荷或负电荷；当第一薄膜层与第二薄膜层之间分离的距离大于1μm时，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面所带电荷与所吸附的异种电荷离子之间形成电荷平衡，总电荷保持中性；当第一薄膜层与第二薄膜层之间的距离小于1μm时，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面的溶液和溶液中的离子被排开，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面所带有的正电荷或负电荷无法被溶液中的异种电荷离子屏蔽；第一薄膜层背面贴合的第一导电层和第二薄膜层背面贴合的第二导电层中感应出电势差，驱动电子在第一导电层与第二导电层之间连接的外电路流动，形成电流。2.如权利要求1所述一种基于双电荷层的发电机，其特征在于所述第一薄膜层、第二薄膜层、第一导电层和第二导电层的尺寸和形状相同；所述第一薄膜层和第二薄膜层在水溶液中至少有一层带有正表面电荷或负表面电荷；第一薄膜层和第二薄膜层在水溶液中存在表面电荷密度差异。3.如权利要求1所述一种基于双电荷层的发电机，其特征在于所述第一薄膜层和第二薄膜层的材料相同或不同，第一薄膜层和第二薄膜层的材料包括但不限于聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氧化石墨烯、石墨烯、二硫化钼、石英、聚乙烯、聚氯乙烯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、聚氨酯弹性体、硬橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、液晶高分子聚合物、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、聚碳酸酯、丙烯腈、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹留烜，李宁，毛朝武，林玲鑫，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35