毛细水流为工作介质的碳基水伏发电机的制备方法技术

本发明专利技术提供毛细水流为工作介质的碳基水伏发电机的制备方法，将乙基纤维素、炭黑、玻璃纤维与乙醇的均匀浆料放入固定的氧化铝陶瓷模型中，在空气氛围中退火，在碳基水伏发电机功能区四周涂覆密封层，通过固定孔道将碳基水伏发电机功能区与固定层连接紧密，通过调整炭黑的尺寸及炭黑的质量占比调控毛细通道的大小多寡，从而调控水流量。本发明专利技术方法制备的碳基水伏发电机能够依靠水流定向移动产生电能，用以代替传统的水力发电机的功能与位置，为水能应用提供新的形式。

【技术实现步骤摘要】
毛细水流为工作介质的碳基水伏发电机的制备方法
本专利技术涉及碳基水伏发电机制备领域，尤其是毛细水流为工作介质的碳基水伏发电机的制备方法。
技术介绍
水力发电机组作用是将河川、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，经水轮机推动发电机发电。水力发电机组的能量转换过程分为两个阶段：首先由水轮机将水失去的位能转换为机械能，再由发电机将水轮机的机械能转换为电能。具体的过程为：在水流的冲击作用下，水轮机开始旋转，将水的位能转换为机械能；水轮机又带动同轴相连的发电机旋转，在励磁电流的作用下，旋转的转子带动励磁磁场旋转，发电机的定子绕组切割励磁磁力线在其中产生感应电动势，在输出电能的同时会在转子上产生一个与其旋转方向相反的电磁制动转矩。由于水流不间断地作用于水轮机，水轮机从水流中获得的旋转力矩用于克服电机转子上产生的电磁制动转矩，当两个力矩达到平衡时，水力发电机组将以某一恒定的转速运转，稳定地发出电力，实现能量的转换。水力发电机组一般由水轮机、发电机、调速器、励磁系统、冷却系统和电站控制设备等组成。常用的水轮机有冲击式和反击式两种，发电机大部分采用同步发电机，其转速较低，一般均在750r/min以下，磁极数较多，结构尺寸和重量都较大。小型水力发电机的冷却主要采用空气冷却，以通风系统向发电机定、转子以及铁心表面进行冷却。但随着单机容量的增长，定、转子的热负荷不断提高，为了在一定转速下提高发电机单位体积的输出功率，大容量水力发电机采用了定、转子绕组直接水冷的方式。传统的水能利用模式受自然条件的限制大，容易被地形、气候等外部因素所影响，大型设施设备的建造和使用容易导致生态破坏和成本提升。纳米材料具有显著的量子效应和表面效应，可与各种形式的水发生耦合而输出显著的电信号，如石墨烯可通过双电层的边界运动将拖动和下落水滴的能量直接转化为电能、也可将海水波动能转化为电能。碳黑等纳米结构材料可通过大气环境下无所不在的水的自然蒸发，持续产生伏级的电能。这类直接转化水能为电能的现象称为“水伏效应”。水伏效应为全链条式捕获地球水循环的水能开辟了全新的方向，提升了水能利用能力。水伏效应的研究刚刚起步，需要开发应用环境多样化、能量转化高效、发电成本低廉的新量，且仅能借助毛细力与蒸发腾出的空位驱动液体流动，导致发电效率难以进一步提升。
技术实现思路
本专利技术提出毛细水流为工作介质的碳基水伏发电机的制备方法，用以代替传统的水力发电机的功能与位置，为水能应用提供新的形式。碳基水伏发电机利用的能量形式是传统的水的重力势能，驱动力为重力与毛细力，发电原理为水伏效应，利用水的定向移动产生流动电势，并非传统水力发电机利用机械能带动磁感线的切割产生电能。本专利技术采用如下技术方案：毛细水流为工作介质的碳基水伏发电机的制备方法，包括如下步骤：(1)将乙基纤维素、炭黑和玻璃纤维放入无水乙醇中加热搅拌，获得均匀的浆料，通过调整炭黑的尺寸及炭黑的质量占比调控毛细通道的大小多寡，从而调控水流量；(2)将浆料放入固定的氧化铝陶瓷模型中，模型中存在横纵形式的圆柱，用于发电机功能区的安装与固定，在模型两端安置并固定好折叠电极；(3)将填满浆料的氧化铝陶瓷模型放入马弗炉中，在空气氛围中退火，自然冷却至室温；(4)除顶端及底端外，在碳基水伏发电机功能区四周涂覆密封层；(5)通过固定孔道将碳基水伏发电机功能区与固定层连接紧密；(6)在碳基水伏发电机功能区顶端与底端分别设置贮水区。步骤(1)中的炭黑纳米颗粒与玻璃纤维的质量比例为1∶0.01-1∶100，炭黑纳米颗粒与乙基纤维素的质量比例为1∶0.1-1∶20，炭黑纳米颗粒与无水乙醇的质量比例范围为1∶1-1∶200，炭黑纳米颗粒平均尺寸为5-200nm，玻璃纤维直径为10-1000nm，长度为10-500μm，加热温度为20-80℃，搅拌时间为0.5-12h。步骤(2)中的氧化铝陶瓷模型呈立方体状，顶端开口，折叠电极为石墨、石墨烯、碳纳米管或导电碳纤维材料构成的薄膜，薄膜厚度为10nm-1mm，电极呈折叠状，电极整体的长度与宽度对应于氧化铝陶瓷模型的内部长度与内部宽度，折叠电极相邻层间距为1mm-1cm，折叠电极具有引出端，用于电能输出。步骤(3)中的退火温度为150-450℃，退火时间在30min-24h。步骤(4)中的密封层采用硅酮密封胶或有机硅胶粘剂防止水分子从四周渗出。步骤(5)中的固定孔道密闭不透水且绝缘，材质为橡胶、塑料或镀有防水层的金属，固定孔道的设置是为了避免水伏发电机功能区过于庞大导致的结构不稳定，绳索或者硬质柱状物可通过固定孔道与固定层连接紧密。步骤(6)中的顶端与底端的贮水区采用常规材料与结构，其尺寸与容量视具体情况设定。本专利技术具有如下优势：(1)本专利技术方法制备的碳基水伏发电机能够依靠水流定向移动产生电能，用以代替传统的水力发电机的功能与位置，为水能应用提供新的形式。(2)碳基水伏发电机利用的能量形式是传统的水的重力势能，结构受限更少，发电通道可以做得更长，发电功能区可以做得更厚，在工业应用上具备更大优势。(3)水伏发电机的驱动力为重力与毛细力的叠加，水分子在水伏发电机功能区中的运行速度快于蒸发发电形式的水伏电池，发电效率大大提升。(4)折叠电极可以大大提高电荷收集效率。(5)纳米纤维与纳米颗粒的钢筋混凝土结构使得水伏发电机功能区的机械性能优良。(6)固定孔道的设置可避免水伏发电机功能区过于庞大导致的结构不稳定。(7)毛细通道有效利用了伯努利原理，微观上水流移速极快，狭窄的通道同样可以控制水流量，可以使定量的水在更长时间内工作发电，通过调整炭黑的尺寸及炭黑的质量占比调控毛细通道的大小多寡，从而调控水流量。(8)本专利技术所述方法制备工艺简单，所用材料易得，对设备的要求较低，易于工业化。附图说明图1为碳基水伏发电机截面示意图，1为顶端贮水区，2为水，3为底端集水区，4为上电极，5为下电极，6为甲苯炭黑，7为玻璃纤维，8为防水层，9为固定层，10为固定孔道。图2为折叠电极结构示意图。具体实施方式为便于理解本专利技术，本专利技术列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本专利技术，不应视为对本专利技术的具体限制。实施例1(1)将质量比为1∶10∶4∶20的乙基纤维素、炭黑、玻璃纤维与无水乙醇中混合并加热搅拌，温度为80℃，时间为2小时，获得均匀的浆料，炭黑纳米颗粒平均尺寸为100nm，氧玻璃纤维直径为20nm，长度为20-200μm。(2)将浆料放入顶端开口的立方体状的氧化铝陶瓷模型中，在两端安置并固定好石墨烯基折叠电极，石墨烯薄膜的厚度为100nm，电极呈折叠状，折叠电极相邻层间距为10mm，电极整体的长度与宽度对应于氧化铝陶瓷模型的内部长度与内部宽度，折叠电极具有引出端，用于电能输出。(3)将填满浆料的氧化铝陶瓷模型放入马弗炉中，在空气氛围中退火，温度为370℃，时间为2小时，自然本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.毛细水流为工作介质的碳基水伏发电机的制备方法，包括如下步骤：/n(1)将乙基纤维素、炭黑和玻璃纤维放入无水乙醇中加热搅拌，获得均匀的浆料，通过调整炭黑的尺寸及炭黑的质量占比调控毛细通道的大小多寡，从而调控水流量；/n(2)将浆料放入固定的氧化铝陶瓷模型中，模型中存在横纵形式的圆柱，用于发电机功能区的安装与固定，在模型两端安置并固定好折叠电极；/n(3)将填满浆料的氧化铝陶瓷模型放入马弗炉中，在空气氛围中退火，自然冷却至室温；/n(4)除顶端及底端外，在碳基水伏发电机功能区四周涂覆密封层；/n(5)通过固定孔道将碳基水伏发电机功能区与固定层连接紧密；/n(6)在碳基水伏发电机功能区顶端与底端分别设置贮水区。/n

【技术特征摘要】
1.毛细水流为工作介质的碳基水伏发电机的制备方法，包括如下步骤：
(1)将乙基纤维素、炭黑和玻璃纤维放入无水乙醇中加热搅拌，获得均匀的浆料，通过调整炭黑的尺寸及炭黑的质量占比调控毛细通道的大小多寡，从而调控水流量；
(2)将浆料放入固定的氧化铝陶瓷模型中，模型中存在横纵形式的圆柱，用于发电机功能区的安装与固定，在模型两端安置并固定好折叠电极；
(3)将填满浆料的氧化铝陶瓷模型放入马弗炉中，在空气氛围中退火，自然冷却至室温；
(4)除顶端及底端外，在碳基水伏发电机功能区四周涂覆密封层；
(5)通过固定孔道将碳基水伏发电机功能区与固定层连接紧密；
(6)在碳基水伏发电机功能区顶端与底端分别设置贮水区。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的的炭黑纳米颗粒与玻璃纤维的质量比例为1∶0.01-1∶100，炭黑纳米颗粒与乙基纤维素的质量比例为1∶0.1-1∶20，炭黑纳米颗粒与无水乙醇的质量比例范围为1∶1-1∶200，炭黑纳米颗粒平均尺寸为5-200nm，玻璃纤维直径为10-1000nm，长度为10-500μm，加热温度为20-80℃，搅拌时间为0.5-12h。...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗中正，
申请(专利权)人：盐城师范学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32