基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置及采集方法【掌桥专利】

技术领域

本发明涉及能量采集技术领域，尤其涉及超低速水流能量的采集，特别是涉及一种基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置及采集方法。

背景技术

随着社会经济的飞速发展与人们生活水平的不断提升，对电能的需求越来越大，电能短缺问题日益突出。节约能源以及提高能源的利用率已经成为关乎我国经济可持续发展的重要举措。在我们日常生活中，周围环境的机械能，如风能、海洋能、水流动能以及生物机械能分布广泛而且蕴含体量丰富，但是落后的能源采集技术以及过低的能源转换率极大地限制了对此类低频环境振动能的开发利用。

2012年，王中林院士团队发明的摩擦纳米发电机(TENG)为有效收集环境机械能提供了一种全新的模式。基于摩擦发电效应与静电感应效应的耦合，摩擦纳米发电机可以将机械能高效低成本地转化为电能输出。虽然摩擦纳米发电机在低频环境机械能采集领域展现出良好的应用前景，但现有技术中，实现高效收集超低速水流动能仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的是针对水流速度随机波动大，部分河水流速超低等条件限制，提出一种可以高效实现超低速水流动能采集的能量采集装置，该能量采集装置具有结构简单、输出电能大小不受水流速度限制等优势，在超低速水流动能采集方面显示出独特优势。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置，所述超低速水流能量采集装置包括水流动能转换模块及超低频能量采集模块，所述水流动能转换模块位于所述超低频能量采集模块的一侧，所述水流动能转换模块包括固定支架、水车车轮、中心轴及转动拨片，所述中心轴与所述固定支架相连接，所述水车车轮穿设在所述中心轴上且可绕所述中心轴转动，所述转动拨片一端与所述水车车轮的周向边缘相连接；所述超低频能量采集模块包括支撑架、弹性拨片及摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机位于所述支撑架上，所述摩擦纳米发电机包括上摩擦层及下摩擦层，上摩擦层及下摩擦层与输出导线电连接；所述弹性拨片位于所述摩擦纳米发电机的上方，且一端与所述支撑架相连接，另一端在初始状态下与摩擦纳米发电机表面接触；

当所述水车车轮在水流作用下转动时，位于水车车轮上的转动拨片拍打弹性拨片以使弹性拨片产生弹性变形，弹性拨片由于弹性势能的作用向下运动拍打摩擦纳米发电机，以使摩擦纳米发电机的上摩擦层和下摩擦层之间发生接触和分离循环，由此产生电能并输出。

可选地，所述固定支架高度可调，所述固定支架上设置有高度调节旋钮。

可选地，所述转动拨片为多个，多个转动拨片在所述水车车轮的周向边缘均匀间隔分布。

可选地，所述超低速水流能量采集装置还包括底座，所述支撑架及固定支架均固定于所述底座上。

可选地，上摩擦层和下摩擦层均包括导电材料层，且上摩擦层和下摩擦层中的至少一者还包括微纳结构薄膜层，所述微纳结构薄膜层为将蚕丝蛋白溶液喷涂在基底表面并经干燥而成，所述上摩擦层和下摩擦层之间通过间隔层相间隔。

可选地，所述导电材料层的材质包括金、银、铜、铝及ITO导电玻璃中的任意一种或多种。

可选地，所述基底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中的任意一种或多种，所述间隔层包括PDMS层。

可选地，所述摩擦纳米发电机的制备过程包括：

S1：将去离子水与蚕丝蛋白粉按预设比例混合并搅拌均匀以得到均匀稳定的蚕丝蛋白溶液；

S2：将得到的蚕丝蛋白溶液均匀喷涂到基底表面，基底另一表面固定有导电材料层；

S3：将喷涂有蚕丝蛋白溶液的基底放置于烘干箱中进行固化处理，并重复步骤S2和S3多次以得到导电材料层/基底/蚕丝蛋白薄膜；

S4：将得到的导电材料层/基底/蚕丝蛋白薄膜裁切成多个相同尺寸的导电材料层/基底/蚕丝蛋白薄片；

S5：将两片导电材料层/基底/蚕丝蛋白薄片和导电材料层/基底薄片以及间隔层组装成摩擦纳米发电机，其中，间隔层位于中间，间隔层的两个相对表面分别与导电材料层/基底/蚕丝蛋白薄片中的蚕丝蛋白和导电材料层/基底薄片中的基底固定。

可选地，去离子水和蚕丝蛋白粉的质量百分比为20：1～50:1，每次喷涂的时间为5～10秒，在烘干箱内固化的温度为70～100℃，导电材料层/基底薄片的厚度为100～150μm。

本发明还提供一种超低速水流能量采集方法，所述超低速水流能量采集方法基于上述任一方案中所述的基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置进行，当水车车轮在水流作用下转动时，位于水车车轮上的转动拨片拍打弹性拨片以使弹性拨片产生弹性变形，弹性拨片由于弹性势能的作用向下运动拍打摩擦纳米发电机，以使上摩擦层和下摩擦层之间发生接触和分离循环，由此产生电能并输出。

如上所述，本发明的基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置及采集方法，具有以下有益效果：本发明经改善的结构设计，利用水流带动水车车轮旋转，使得弹性拨片在向下运动中，按压并迫使摩擦纳米发电机的两个摩擦层发生接触摩擦产生电能输出，由此实现对任意超低速水流动能的能量采集。由于弹性拨片的上限位置与水流动能的频率无关，每次拍打的摩擦纳米发电机的力度固定，并且降低摩擦层接触-分离时间，能量采集装置的输出不再受到水流动能的超低频影响，故而可以产生高效稳定的电能输出。与现有的水流动能采集技术相比，本发明具有制作材料价格低廉且易获取、结构设计简单、能源转换效率高以及输出电能稳定不受水波频率影响等优势，能够有效采集溪流、水渠、园林等环境中的低频水流动能，并高效转化为电能输出。

附图说明

图1显示为本发明提供的基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置的结构示意图。

图2显示为图1中的摩擦纳米发电机的结构示意图。

元件标号说明

1 水流动能转换模块

11 固定支架

12 水车车轮

13 中心轴

14 转动拨片

2 超低频能量采集模块

21 支撑架

22 弹性拨片

23 摩擦纳米发电机

231 导电材料层

232 基底

233 蚕丝蛋白

234 间隔层

3 输出导线

4 底座

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容的变更下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1至图2所示，本发明提供一种基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置，所述超低速水流能量采集装置包括水流动能转换模块1及超低频能量采集模块2，所述水流动能转换模块1位于所述超低频能量采集模块2的一侧，所述水流动能转换模块1包括固定支架11、水车车轮12、中心轴13及转动拨片14，所述中心轴13与所述固定支架11相连接，所述水车车轮12穿设在所述中心轴13上且可绕所述中心轴13转动，所述转动拨片14一端与所述水车车轮12的周向边缘(即水车车轮12的旋转表面)相连接，所述水流动能转换模块1可以被低频的水流动能驱动工作，由此将水流动能直接转化为装置自身转动的机械能；所述超低频能量采集模块2包括支撑架21、弹性拨片22及摩擦纳米发电机23，所述支撑架21可以包括纵向支撑部和与纵向支撑部相连接的水平支撑部，所述摩擦纳米发电机23位于所述支撑架21的水平支撑部上，所述摩擦纳米发电机23包括上摩擦层及下摩擦层，上摩擦层及下摩擦层与输出导线3电连接；所述弹性拨片22位于所述摩擦纳米发电机23的上方，且一端与所述支撑架21的纵向支撑部相连接，另一端(自由端)在初始状态下与摩擦纳米发电机23表面接触；

使用时，将所述基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置放置于水流中且水车车轮12部分浸没在水中，当所述水车车轮12在水流作用下转动时，位于水车车轮12上的转动拨片14拍打弹性拨片22以使弹性拨片22产生弹性变形(转动拨片14通常是自下而上拍打弹性拨片22)，弹性拨片22由于弹性势能的作用向下运动拍打摩擦纳米发电机23，以使摩擦纳米发电机23的上摩擦层和下摩擦层之间发生接触和分离循环，由此产生电能并输出。具体地，由于转动拨片14拍打弹性拨片22，迫使弹性拨片22离开平衡位置，被拨动至高度上限位置后，在自身弹力作用下迅速向下运动，并在平衡位置附近做往复衰减运动，弹性拨片22在向下运动中，按压并迫使摩擦纳米发电机23的两个摩擦层发生接触摩擦产生电能输出，从而实现对任意超低速水流动能的能量采集。由于弹性拨片的上限位置与水流动能的频率无关，每次拍打摩擦纳米发电机的力度固定，并且降低摩擦层接触-分离时间，能量采集装置的输出不再受到水流动能的超低频影响，故而可以产生高效稳定的电能输出。与现有的水流动能采集技术相比，本发明具有制作材料价格低廉且易获取、结构设计简单、能源转换效率高以及输出电能稳定不受水波频率影响等优势，能够有效采集溪流、水渠、园林等环境中的低频水流动能，并高效转化为电能输出。

作为示例，所述固定支架11可以为至少包括两根立柱的结构，而中心轴13架设在两根立柱之间，或者固定支架11还可以为其他结构，具体不限。固定支架11可以安装固定在田埂或者水浅的溪流附近。在一示例中，所述固定支架11高度可调，所述固定支架11上设置有高度调节旋钮，故而可以根据水位情况灵活调整水车车轮12的高度。

为实现高效的能量采集，作为示例，所述转动拨片14为多个，多个转动拨片14在所述水车车轮12的周向边缘均匀间隔分布，所述转动拨片14可以通过螺丝等紧固件与所述水车车轮12的周向边缘相固定，转动拨片14可以为具有一定刚度的金属片，以使其有足够的硬度能够拍打弹性拨片22。所述弹性拨片22同样是具有一定刚度的条状金属片，支撑架21固定在转动拨片14能够接触弹性拨片22的正前方位置。

为便于各结构的固定，作为示例，所述超低速水流能量采集装置还包括底座4，所述支撑架21及固定支架11均固定于所述底座4上。所述底座4和所述支撑架21可以为一体结构，本实施例中只是出于描述的方便而将两部分分开描述。底座4和支撑架21、固定支架11也可以是可拆卸连接，以在需要时通过采用不同厚度的底座4，同样可以实现水车车轮12高度的调节。

所述摩擦纳米发电机23对能量采集效率影响非常大，其上下摩擦层通常包括两种摩擦电序列差异性较大的摩擦材料，比如两种摩擦材料可以是蚕丝蛋白—聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、铝—聚二甲基硅氧烷(PDMS)、铝—聚四氟乙烯(Teflon)等材料，即两个摩擦层中，相互摩擦接触的面为蚕丝蛋白所在表面和PET，或者为铝和PDMS，或者为铝和聚四氟乙烯，也可以为其他材质。在一示例中，上摩擦层和下摩擦层均包括导电材料层231，且上摩擦层和下摩擦层中的至少一者还包括微纳结构薄膜层，所述微纳结构薄膜层为将蚕丝蛋白233溶液喷涂在基底232表面并经干燥而成，即在基底232表面包括有蚕丝蛋白233颗粒，所述上摩擦层和下摩擦层之间通过间隔层234相间隔，以使上摩擦层和下摩擦层能实现垂直接触-分离模式的持续循环，具体结构可以参考图2所示。

作为示例，所述导电材料层231的材质包括金、银、铜、铝及ITO导电玻璃中的任意一种或多种。所述基底232包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和聚四氟乙烯中的任意一种或多种，所述间隔层234包括PDMS(聚二甲基硅氧烷)层。

在一较佳的示例中，图2所示的摩擦纳米发电机的制备过程包括：

S1：将去离子水与蚕丝蛋白粉按预设比例混合并搅拌均匀以得到均匀稳定的蚕丝蛋白溶液；较佳地，去离子水和蚕丝蛋白粉的质量百分比为20：1～50:1，更优地为40:1，比如利用量筒量取300ml的去离子水，根据去离子水与蚕丝蛋白粉40:1的比例，在烧杯中用玻璃棒将两者搅拌均匀，形成均一稳定的蚕丝蛋白溶液；

S2：将得到的蚕丝蛋白溶液均匀喷涂到基底表面，基底包括但不限于PET基底，基底另一表面固定有导电材料层，包括但不限于ITO薄膜；喷涂方式可以为气压式雾化喷涂或者静电喷涂方式，比如将得到的蚕丝蛋白溶液倒入喷壶中，在ITO/PET薄膜的PET层进行喷涂修饰，以将蚕丝蛋白液均匀喷涂在PET层表面，单次喷涂时间可以为5～10秒，较佳地为10秒；

S3：将喷涂有蚕丝蛋白溶液的基底放置于烘干箱中进行固化处理，并重复步骤S2和S3多次以得到导电材料层/基底/蚕丝蛋白薄膜；在烘干箱内固化的温度为70～100℃，较佳地为80℃，步骤S2和S3重复操作3次，前两次固化的时间为10分钟，最后一次加热固化时间提升到40分钟，最终得到ITO(导电材料层)/PET(基底)/SF(蚕丝蛋白)薄膜；

S4：将得到的导电材料层/基底/蚕丝蛋白薄膜裁切成多个相同尺寸的导电材料层/基底/蚕丝蛋白薄片，比如裁切成多个相同尺寸的6cm×6cm的长方形薄片；

S5：将两片导电材料层/基底/蚕丝蛋白薄片和导电材料层/基底薄片以及间隔层组装成摩擦纳米发电机，其中，间隔层位于中间，间隔层的两个相对表面分别与导电材料层/基底/蚕丝蛋白薄片中的蚕丝蛋白和导电材料层/基底薄片中的基底固定，即蚕丝蛋白所在面和另一薄片中的基底为相互摩擦面；比如将两片ITO/PET/SF薄片和ITO/PET薄片以及PDMS块组装成摩擦纳米发电机，PDMS块作为间隔层，两端分别与薄片的PET侧和SF侧粘贴固定，输出导线直接连接在ITO导电层，比如用双面胶将输出导线粘贴固定在ITO导电层。

作为示例，导电材料层/基底薄片的厚度为100～150μm，比如ITO/PET薄膜厚度为125μm。

当然，摩擦纳米发电机还可以有其他结构，亦可以基于其他方法制备而成，本实施例中不做严格限制，亦不再一一展开。

本发明的基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置可以放置于河流、乡间小溪中，不仅可以实现对任意超低速水流动能的能量采集，同时可与自然环境完美相融，具有较大的经济和社会价值。

本发明还提供一种超低速水流能量采集方法，所述超低速水流能量采集方法基于前述任一方案中所述的基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置进行，故前述对所述基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置的介绍可全文引用至此，出于简洁的目的不赘述。所述能量采集方法包括将前述的基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置放置于待采集能量的环境中，使水车车轮部分浸没于水流中，当水车车轮在水流作用下转动时，位于水车车轮上的转动拨片拍打弹性拨片以使弹性拨片产生弹性变形，弹性拨片由于弹性势能的作用向下运动拍打摩擦纳米发电机，以使的上摩擦层和下摩擦层之间发生接触和分离循环，由此产生电能并输出。由于弹性拨片的上限位置与水流动能的频率无关，每次拍打的摩擦纳米发电机的力度固定，并且降低摩擦层接触-分离时间，能量采集装置的输出不再受到水流动能的超低频影响，故而可以产生高效稳定的电能输出。与现有的水流动能采集技术相比，基于本发明的采集装置实现对任意超低速水流动能的能量采集，具有能源转换效率高以及输出电能稳定不受水波频率影响等优势，能够有效采集溪流、水渠、园林等环境中的低频水流动能，并高效转化为电能输出。

综上所述，本发明提供一种基于摩擦发电的超低速水流能量采集装置，包括水流动能转换模块及超低频能量采集模块，所述水流动能转换模块位于所述超低频能量采集模块的一侧，所述水流动能转换模块包括固定支架、水车车轮、中心轴及转动拨片，所述中心轴与所述固定支架相连接，所述水车车轮穿设在所述中心轴上且可绕所述中心轴转动，所述转动拨片一端与所述水车车轮的周向边缘相连接；所述超低频能量采集模块包括支撑架、弹性拨片及摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机位于所述支撑架上，所述摩擦纳米发电机包括上摩擦层及下摩擦层，上摩擦层及下摩擦层与输出导线电连接；所述弹性拨片位于所述摩擦纳米发电机的上方，且一端与所述支撑架相连接，另一端在初始状态下与摩擦纳米发电机表面接触；当所述水车车轮在水流作用下转动时，位于水车车轮上的转动拨片拍打弹性拨片以使弹性拨片产生弹性变形，弹性拨片由于弹性势能的作用向下运动拍打摩擦纳米发电机，以使摩擦纳米发电机的上摩擦层和下摩擦层之间发生接触和分离循环，由此产生电能并输出。相较于现有技术，本发明具有制作材料价格低廉且易获取、结构设计简单、能源转换效率高以及输出电能稳定不受水波频率影响等优势，能够有效采集溪流、水渠、园林等环境中的低频水流动能，并高效转化为电能输出。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。