一种可同时收集雨水能和太阳能的共极型发电装置的制作方法

本发明涉及静电摩擦、太阳能电池、能量转换领域，特指一种可同时收集雨水能和太阳能的共极型发电装置。

背景技术

能源问题是影响人类进步和可持续发展的重大问题之一，各种围绕新能源开发、可再生能源重复利用的研究正在世界各地如火如荼的进行；太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的环境友好型能源，是最有前途的新能源之一。太阳能电池利用光电效应或光化学效应将太阳能直接转化为电能，是太阳能利用的最有效形式；自2006年王中林首次实现纳米发电机收集机械能以来，以压电和摩擦电效应为基础的机械能收集技术深受科学界广泛关注，通过集成，成为自供能微电子元件与系统，为了提高效率，通常会同时使用两个或两个以上能源提取装置实现协同工作或互补；本发明所涉及的一种可同时收集雨水能和太阳能的共极型发电装置正好承接了以上理念；申请号为201410380160.3的中国专利申请公开了一种复合能源装置和发电方法，通过太阳能电池进行光伏发电，辅以摩擦发电机收集雨水能量进行摩擦发电，但该摩擦纳米发电机采用单电极模式，单位时间转移的电荷总量较少，输出的电流较低，摩擦纳米发电机和太阳能电池各自采用自己独立的电极，且摩擦纳米发电机还需要额外的接地端，增加了单元之间外部的电路连接和能量消耗，降低了发电效率；申请号为201710943534.1的中国专利申请公开了一种共享电极的能量收集装置及能源系统，将太阳能电池和摩擦纳米发电机集成在一起，摩擦纳米发电机和太阳能电池将银电极作为共享的一个电极，但摩擦纳米发电机采用单电极模式，单位时间转移的电荷总量较少，输出的电流较低，且需要额外的接地端。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对雨季或雨天夜间太阳能电池发电效率下降，以及在太阳能电池使用过程中表面容易被污染、堆积灰尘，严重影响发电效率需要经常清洗等问题。

本发明提出了一种可同时收集雨水能和太阳能的共极型发电装置，以弥补雨天太阳电池转化效率低的不足；在晴天时，太阳光透过透明摩擦纳米发电机后，太阳能电池照常收集太阳光能量进行光伏发电，在雨天，光伏发电效率大幅降低，摩擦纳米发电机收集雨水能量进行摩擦发电；透明摩擦纳米发电机一方面作为不影响光电转换效率的太阳能电池保护板，另一方面，又可以收集自然界中雨水的能量，该摩擦纳米发电机采用独立层模式，在单位时间内转移的电荷量较多，输出电流较大，不要额外的接地端；且摩擦纳米发电机和太阳能电池共享太阳能电池表面栅电极，减少了单元之间外部的电路连接和能量消耗，提高了发电效率。本发明通过共用太阳电池表面的栅电极，将光伏发电的太阳能电池板与摩擦纳米发电机进行有机结合，形成一种共极型复合发电装置，在可再生能源领域有着广泛的应用前景。

为实现上述目的，本发明提出以一种透明的独立层模式的摩擦纳米发电机覆盖在太阳能电池表面，代替传统太阳能电池表面最上层的保护板，并与太阳电池表面栅线一起，组成一种共极型复合发电装置。这种共极型复合发电装置，在晴天时，照常收集太阳光能量进行光伏发电，而在雨天光伏发电效率大幅降低时，同时收集雨水能量进行摩擦发电。该发明中的透明摩擦纳米发电机一方面可以作为太阳能电池的保护层，不影响太阳能电池的光伏效率，另一方面，又可以收集自然界中雨水的能量，是对光伏发电的一种有效的补充。

本发明提出的共极型复合发电装置，包括：太阳能电池、覆盖在太阳能电池表面的透明摩擦纳米发电机以及摩擦发电机的整流电路。其中：所述摩擦纳米发电机为独立层模式的摩擦纳米发电机，自下而上由栅状电极层和透明摩擦层组成，其中，栅状电极层由第一组栅状电极层和第二组栅状电极层构成，所述透明摩擦层的下表面印有第一组栅状电极层，太阳能电池板表面栅线电极同时作为第二组栅状电极层，第一组栅状电极与太阳能电池板表面栅线电极沿太阳能电池表面栅线电极排列方向间隔排列。所述整流电路由整流桥构成，整流桥任意一端通过导线与摩擦纳米发电机的第一组栅状电极层连接，另一端通过导线与储能装置的一端相连接，储能装置的一端再通过导线与摩擦纳米发电机的第二组栅状电极层连接。所述的太阳能电池制备在柔性衬底上方，自下而上由柔性衬底、太阳能电池底电极、太阳能电池pn结、太阳能电池板表面栅线电极组成。

优选的，所述透明摩擦层的材料为透明绝缘材料，可以为下列材料中的一种或者几种：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚对苯二甲酸乙二酯，且均为柔性材料。

优选的，所述透明摩擦层的表面为疏水结构，摩擦层的表面具有超疏水性。

优选的，所述透明摩擦层表面具有疏水结构，所述疏水结构为一维或二维微纳结构，是纳米柱、纳米锥、微米锥、纳米颗粒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽，纳米球和微米球状结构中的其中一种，以及由前述结构形成的阵列。

优选的，所述疏水结构通过模板法或光刻蚀方法在所述透明摩擦层的上表面制备而成。

优选的，所述透明摩擦层的厚度为100nm-0.5mm。

优选的，所述第一组栅状电极层的材料为透明导电膜tco、氧化铟锡透明导电膜ito、掺氟氧化锡透明导电膜fto、掺铝氧化锌透明导电膜azo、导电水凝胶或者采用银纳米线的分散液，通过工业用丝网印刷工艺在摩擦层下表面印刷而成，且均为柔性材料；第一组栅状电极层的栅线宽度为0.1mm-0.5mm。

优选的，所述摩擦纳米发电机采用太阳能电池生产中的封装工艺，紧密贴合封装并固定于太阳能电池上表面。

优选的，所述摩擦纳米发电机的透明摩擦层的表面与地面的夹角范围为20°至70°。

优选的，所述太阳能电池为柔性薄膜太阳能电池。

优选的，所述摩擦纳米发电机为柔性摩擦纳米发电机，封装于太阳能电池表面。

优选的，本发明提供了一种共享电极的能量收集装置，包括太阳能电池、摩擦纳米发电机和全桥整流电路，所述太阳能电池和所述摩擦纳米发电机共用第二组栅状电极(即太阳能电池表面栅线电极)。

优选的，本发明还提供一种发电方法，太阳光透过所述透明摩擦纳米发电机照射到所述太阳能电池进行光电转换；和/或，带电荷的雨滴或流动的雨水在所述摩擦纳米发电机的透明摩擦层表面进行滑动，在所述第一组栅状电极层和第二组栅状电极层之间产生感应电荷并形成电流。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是；

1、本发明提出了一种可同时收集雨水能和太阳能的共极型发电装置，用于同时或分别收集自然界中不同天气状况下的太阳能和雨水能量。该复合发电电池系统由两套独立的发电组件构成，下层是太阳能电池，通过光伏效应收集日照中透过摩擦纳米发电机的太阳光能量；上层是透明的摩擦纳米发电机，通过“摩擦生电”和“静电感应”效应收集雨天雨水的静电能，同时摩擦纳米发电机还可以作为太阳能电池表面保护板。

2、本发明提出的一种可同时收集雨水能和太阳能的共极型发电装置，晴天时能够保证太阳能的有效光电转换，雨天光伏发电效率大幅降低时，摩擦纳米发电机收集雨水能量进行发电输出，是对雨天太阳能电池转化效率不足的一种有益补充。本发明拓展了单一利用光伏发电的太阳能电池板的发电装置，是一种全新的复合型绿色发电装置，在雨水较多的地区和雨水较多的季节，具有广泛的实际应用价值。

3、所述摩擦纳米发电机采用独立层模式，在单位时间内转移的电荷量较多，输出电流较大，且不需要额外的接地端。

4、所述太阳能电池和所述摩擦纳米发电机包括一共同使用的第二组栅状电极层(即太阳能电池表面栅线电极层)，减少了单元之间外部的电路连接和能量消耗，提高了发电效率。

5、本发明中摩擦纳米发电机的各层材料，在太阳光波段是透明的，几乎无吸收，类似现有商用太阳能电池板的保护板，不影响太阳能电池对日光的吸收，即不影响太阳能电池板的光电转换效率。

6、摩擦纳米发电机的摩擦层表面疏水结构具有自清洁的功能，将有助于维持摩擦纳米发电机的摩擦层表面干净，保证了使用在户外环境中，太阳电池的有效输出，同时有效减少人工维护成本。

附图说明

通过附图，本发明的发明内容及其目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明共极型发电装置的结构示意图。

图2为本发明共极型发电装置中摩擦纳米发电机栅状电极示意图。

图3为本发明整流电路示意图。

图4为本发明共极型发电装置中摩擦纳米发电机在下雨时的工作原理图；(a)雨滴下落接触到摩擦纳米发电机时的工作原理图；(b)雨滴滑动过程的工作原理图。

下面为图中各代号的解释和说明：10、共极型发电装置11、摩擦纳米发电机12、太阳能电池；111、透明摩擦层，112、第一组栅状电极层，113、第二组栅状电极层(即太阳能电池板表面栅线电极)，121、太阳电池pn结，122、太阳能电池底电极层，123、柔性衬底

具体实施方式

本发明提供一种将单一光伏发电的太阳能电池与透明独立层模式的摩擦纳米发电机相结合的共极型发电装置。在晴天时，太阳光透过摩擦纳米发电机后，太阳能电池照常收集太阳光能量进行光伏发电，在雨天光伏发电效率大幅降低时，辅以摩擦纳米发电机收集雨水能量进行摩擦发电；透明摩擦纳米发电机一方面作为不影响光电转换效率的太阳能电池保护板，另一方面，又可以收集自然界中雨水的能量。

为了便于理解本发明的技术方案，下面结合附图详细介绍本发明的具体实施方法。

参见图1，是本发明提供的共极型发电装置10的一种典型结构的示意图，包括：太阳能电池11，覆盖在太阳能电池上的摩擦纳米发电机12以及摩擦纳米发电机整流电路组成，其中：所述摩擦发电机自下而上由栅状电极层和透明摩擦层111层叠组成，其中，栅状电极层由第一组栅状电极层112和第二组栅状电极层113(太阳能电池板表面栅线电极)组成，透明摩擦层111的下表面印有第一组栅状电极层112，第二组栅状电极层113位于太阳能电池pn结121表面；如图2所示，第一组栅状电极层112与第二组栅状电极层113沿太阳能电池表面栅线电极排列方向间隔排列并与整流电路和蓄电池等储能装置串联，整流电路如图3所示。所述太阳能电池以柔性薄膜太阳能电池为例，自下而上由柔性衬底123、太阳能电池底电极122、太阳电池pn结121、太阳能电池板表面栅线电极组成，其中太阳能电池板表面栅线电极是与摩擦纳米发电机的共享电极。摩擦纳米发电机被封装并固定在太阳能电池上表面。太阳能电池由太阳能电池板表面栅线电极作为正电极，太阳能底电极122作为负电极，光伏效应产生的电流通过太阳能电池底电极122和太阳能电池板表面栅线电极输入储能系统中，该储能系统与摩擦纳米发电机的储能装置不共用，是两个独立的储能设备。摩擦纳米发电机是独立层模式，雨水在摩擦纳米发电机的摩擦层表面滑动过程产生的电流是交流电，可以先通过整流电路变为直流电，然后再接入外电路或储能装置存储起来。该复合发电装置中摩擦纳米发电机和太阳能电池这两套发电组件相互独立，可以在不同的天气情况下向外输出电能。

图4是摩擦发电机的发电原理示意图。云层中产生的降雨在空中下落过程中，与空气以及空中的微小颗粒发生摩擦，产生并携带摩擦电荷。雨滴所携带摩擦电荷的极性由当时的云层带电性及下落过程中所摩擦的空气和空气中的细微颗粒决定，可以是正电荷，也可是负电荷。简单起见，在图4(a)中，假设雨滴中所携带的摩擦电荷是正电荷。当携带正电荷的雨滴降落到摩擦层聚四氟乙烯薄膜的表面上时，由于静电感应，在第一组栅状电极层112和第二组栅状电极层113之间，形成一个正的电势差值，此电势差将第一组栅状电极层112中的自由电子流向第二组栅状电极层113，从而产生一个时间段的正向电流直到第一组栅状电极层112和第二组栅状电极层113之间的电势差降为零。如图4(b)所示,当雨滴在摩擦层聚四氟乙烯薄膜上滑落后，由于静电感应，在第一组栅状电极层112和第二组栅状电极层113之间又产生一个负的电势差值，此电势差驱动电子从第二组栅状电极层113回流到第一组栅状电极层112，从而产生一个短时间的负向电流直到第一组栅状电极层112和第二组栅状电极层113之间的电势差降为零。由此，雨滴在摩擦层聚四氟乙烯薄膜滑动的过程中，第一组栅状电极层112和第二组栅状电极层113之间产生并连续输出正、负交替的周期性电流。需要说明的是，雨滴携带电荷量的大小以及大量雨滴与聚四氟乙烯薄膜之间的滑动速度，直接影响电能输出的大小。

本发明的一种可同时收集雨水能和太阳能的共极型发电装置主要应用在室外环境中，摩擦纳米发电机直接置于太阳能电池上表面，一方面作为太阳能电池的保护层，另一方面收集雨水能量进行摩擦发电，且共用太阳能电池表面栅电极，减少了单元之间外部的电路连接和能量消耗，提高了发电效率，是一种非常实用的绿色能源系统。

本发明还提供一种采用所述的共极型复合发电方法，太阳光透过所述摩擦纳米发电机照射到所述太阳能电池进行光电转换；和/或，带电荷的雨滴或流动的雨水在所述摩擦纳米发电机的透明摩擦层表面滑动，在栅状电极层之间产生感应电荷并形成电流。所述的发电方法，在晴天日照充足时，太阳能电池捕获太阳光进行光伏发电向外输出电信号；而在雨天或雨天的夜晚，在太阳能光电转换效率降低的情况下，辅以摩擦纳米发电机收集雨水能量进行发电，具有广泛的实用价值。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。