一种基于体效应的水柱发电机及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于体效应的水柱发电机及其制备方法，其特点是该水柱发电机由发电单元和水柱产生单元组成，所述发电单元包括：内电极、外电极和介质层；所述介质层为驻极体特性材料制作的管道；所述外电极为缠绕在介质层管道外壁上的金属膜；所述内电极为设置在介质层管道内壁上的导电金属针；所述水柱产生单元包括：水速调节器和高位蓄水箱；所述高位蓄水箱由输水管与倾斜设置的介质层管道的上部连接；所述水速调节器设置在输水管上；水柱发电机的制备包括：介质层的清洗和内、外电极的设置。本发明专利技术专利与现有技术相比具有制备工艺简单且可重复，尺寸可调控；设备要求低，成本低，输出电能高，可以更好的驱动微小电子器件工作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于体效应的水柱发电机及其制备方法
本专利技术专利涉及固-液界面发电设备
，尤其是一种基于体效应的水柱发电机及其制备方法。
技术介绍
目前，使用的石化燃料，如煤炭、石油和天然气仍然是获取能量的主要途径，然而燃烧石化燃料带来的环境污染已经引起了世界的广泛关注。因此，为满足自然和经济的协调发展需要制定新的战略以应对巨大能源需求的挑战，人们越来越关注太阳能、风能、水能等可再生能源和清洁能源的开发和利用。其中，水占据了地球表面70％的面积，是地球上最大的能量载体。并且相比于太阳能和风能，水能的采集对天气、季节和昼夜节律的要求不高，因此对水能的开发和利用一直是能源领域的重要课题之一。水能量转化形式多种多样，传统方法是利用水的机械能驱动电磁发动机产生电能，整个过程是建立在经典电动力学基础上，这种在大尺度上的水能利用已经取得了巨大的成功，至今仍然在水电工业中被广泛使用，其中电磁发动机中使用复杂的液压和机械结构将水能转化为直线往复运动或回转运动。因此电磁发动机往往很笨重并且成本高昂，同时在大规模水波能量获取上受到了一定限制，特别是在低频率水波能的获取上。近几年来，人们越来越关注于其他形式水能的收集与利用，如通过电动效应、水蒸发产生的水伏效应、渗透压差效应、基于静电感应产生的摩擦起电效应来收集液滴能、潮汐能等等。其中基于摩擦起电效应和静电感应效应的摩擦纳米发电机(TriboelectricNanogenerator，TENG)在收集环境中的微小水能方面展现出很多优势。然而上述方法中电荷的产生与转移主要基于液-液界面和固-液界面，由于电荷屏蔽，表面电荷数量受到限制，从而影响能量转化效率，每平方米产生的最高能量少于1瓦，而且制造工艺复杂、成本高。现有技术的水能发电设备，以及基于液-固界面发电的摩擦纳米发电机的制造工艺复杂、成本高，而且输出功率低，大大影响了能量的转化效率。
技术实现思路
本专利技术专利的目的是针对现有技术的不足而设计的一种基于体效应的水柱发电机及其制备方法，采用水速调节器控制一定长度的水柱从介质层管道的上部依次滑落至管道的下部，利用管道的体效应发电，周期性下落的水柱经过介质层上的外电极覆盖区域，并与介质层上的内电极接触，产生的电流由连接内、外电极的引线将其输出。制备工艺简单且可重复，尺寸可调控，相比于传统的摩擦纳米发电机的静电感应和摩擦发电，其输出电能有了成百倍的增加，制备成本低，输出电能高，可以更好的驱动微小电子器件工作，在微电子领域具有很好的应用前景。本专利技术专利的目的是这样实现的：一种基于体效应的水柱发电机，其特点是该水柱发电机由发电单元和水柱产生单元组成，所述发电单元包括：内电极、外电极和介质层；所述介质层为驻极体特性材料制作的管道；所述外电极为缠绕在介质层管道外壁上的金属膜；所述内电极为设置在介质层管道内壁上的导电金属针；所述水柱产生单元包括：水速调节器和高位蓄水箱；所述高位蓄水箱由输水管与倾斜设置的介质层管道的上部连接，管道的下部由回水管与循环泵进水口连接，其出水口由循环水管接入高位蓄水箱；所述水速调节器设置在输水管上，控制一定长度的水柱周期性的从介质层管道的上部依次滑落至管道的下部，水柱经过外电极的覆盖区域并与内电极接触时产生的电流由连接内、外电极的引线将其输出；所述水柱长度为外电极的覆盖区域长度。一种基于体效应的水柱发电机的制备方法，其特点是该水柱发电机的制备包括如下步骤：步骤1：清洗介质层采用驻极体特性材料制作的管道为介质层，将其分别在丙酮和酒精溶液中浸泡10min，然后用去离子水超声清洗10min，并在氮气气氛中干。步骤2：设置外电极采用金、银、铜或铝材质的双面导电胶带，将其在上述清洗好的管道外壁中部缠绕一圈，形成100～1000μm厚度的金属膜为外电极，其覆盖区域的长度为水柱长度。步骤3：设置内电极采用金、银、铜、铝或铁材质的金属针或金属块为内电极，在外电极覆盖区域或覆盖区域外的管道外壁上钻一小孔，插入与小孔相吻合的内电极，并将内、外电极分别进行引线，制得一种基于体效应的水柱发电机，所述内电极的插入深度不限，可悬空在管内或触碰到管内壁。所述介质层采用具有保留负电荷能力及充电能力的PTFE、FEP、PA6或透明硅管，其管道内、外壁上设有增加转移电荷量的微结构。所述外电极采用蒸发、溅射或化学湿法沉积工艺制备厚度为100～1000μm的铝、铜或银金属膜。所述微结构为化学刻蚀工艺制备的具有1～200微米、1纳米～1微米或其两者复合的粗糙结构。本专利技术专利与现有技术相比具有制备工艺简单且可重复，尺寸可调控，利用管道的体效应发电，相比于传统的摩擦纳米发电机的静电感应和摩擦发电，其输出电能有了成百倍的增加，通过内电极的设计可以大大提升发电机的电能输出，对设备的要求低，可以产生较高且较为稳定的电信号输出，更好的驱动微小电子器件工作，而且生产成本低，输出电能高，在微电子领域具有很好的应用前景。附图说明图1为本专利技术水柱发电机的结构示意图；图2为水柱发电机工作示意图；图3为水柱发电机制作示意图。具体实施方式参阅附图1，本专利技术由发电单元1和水柱产生单元2组成，所述发电单元1包括：内电极11、外电极12和介质层13；所述介质层13为驻极体特性材料制作的管道；所述外电极12为缠绕在介质层13管道外壁上的金属膜；所述内电极11为设置在介质层13管道内壁上的导电金属针；所述水柱产生单元2包括：水速调节器21和高位蓄水箱21；所述高位蓄水箱21由输水管5与倾斜设置的介质层13的上部管道连接；所述水速调节器21设置在输水管5上，控制一定长度的水柱周期性的从介质层13管道的上部依次滑落至管道下部，其出水则由循环水管6通过回水管4经循环水管6接入高位蓄水箱21，水柱经过外电极12的覆盖区域并与内电极11接触时产生的电流由连接内、外电极11、12的引线将其输出。参阅附图2，本专利技术是这样发电的：介质层13为具有驻极体特性材料制作的管道，且为倾斜设置，将外电极12和内电极11分别进行引线后串接电压表V。参阅附图2a，控制一定长度的水柱7周期性的从介质层13管道的上部依次滑落，所述水柱7的长度与外电极12的覆盖区域长度一致。参阅附图2b，当水柱7从介质层13的管道上部滑至管道下部时，其下落过程中水柱7率先经过外电极12的覆盖区域，并在接触内电极11的一瞬间，外电极12和内电极11之间产生瞬时的交流电信号，当周期性下落的水柱7依次经过外电极12的覆盖区域并与内电极11接触时，就会产生源源不断的电流，其电能由连接内、外电极11、12的引线将其输出。下面以水柱发电单元的制备对本专利技术作进一步的详细说明。实施例1参阅附图3，水柱发电单元1的具体制备如下：步骤1：介质层的制备和清洗参阅附图3a，准备直径为0.5cm，长35cm的PTFE管道为介质层13，采用化学刻蚀工艺在管道内、外壁表面制备具有1～200微米的微结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于体效应的水柱发电机，其特征在于该水柱发电机由发电单元和水柱产生单元组成，所述发电单元包括：内电极、外电极和介质层；所述介质层为驻极体特性材料制作的管道；所述外电极为缠绕在介质层管道外壁上的金属膜；所述内电极为设置在介质层管道内壁上的导电金属针；所述水柱产生单元包括：水速调节器和高位蓄水箱；所述高位蓄水箱由输水管与倾斜设置的介质层管道的上部连接；所述水速调节器设置在输水管上，控制一定长度的水柱周期性的从介质层管道的上部依次滑落至管道的下部，水柱经过外电极的覆盖区域并与内电极接触时产生的电流由连接内、外电极的引线将其输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于体效应的水柱发电机，其特征在于该水柱发电机由发电单元和水柱产生单元组成，所述发电单元包括：内电极、外电极和介质层；所述介质层为驻极体特性材料制作的管道；所述外电极为缠绕在介质层管道外壁上的金属膜；所述内电极为设置在介质层管道内壁上的导电金属针；所述水柱产生单元包括：水速调节器和高位蓄水箱；所述高位蓄水箱由输水管与倾斜设置的介质层管道的上部连接；所述水速调节器设置在输水管上，控制一定长度的水柱周期性的从介质层管道的上部依次滑落至管道的下部，水柱经过外电极的覆盖区域并与内电极接触时产生的电流由连接内、外电极的引线将其输出。


2.根据权利要求1所述基于体效应的水柱发电机，其特征在于所述水柱长度为外电极的覆盖区域长度。


3.一种权利要求1所述基于体效应的水柱发电机的制备方法，其特征在于该水柱发电机的制备包括如下步骤：
步骤1：清洗介质层
采用驻极体特性材料制作的管道为介质层，将其分别在丙酮和酒精溶液中浸泡10min，然后用去离子水超声清洗10min，并在氮气气氛中干；
步骤2：设置外电极
采用金、银、铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：张楠，张健，周晓峰，苗倩倩，黄淳，康玲，顾豪杰，叶诗萌，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31