基于流动液体的复合式发电机、发电方法和传感方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发电技术领域，特别是涉及将流动液体中的多种形式的能量转化为电能的复合式发电机、发电方法和对于水中乙醇浓度的传感器和传感方法。
【背景技术】
[0002]自然界和人类生命存续过程中会不断产生各种能量，如何将能量转变为我们所需的电力来源，是人们在不断探寻的方向。摩擦发电机是最近发明的一种新型的将机械能转化为电能的方式，利用得失电子能力不同的两种材料之间的互相摩擦，发生表面电荷转移，能够将广泛存在的机械能，如海浪、风能、各种运动物体的动能、以及人体活动如步彳丁、跑动、跳动等形式的能量转变为电能，为小型电子器件如便携设备等提供电源。但是，自然界的许多运动，例如:水流、海浪等，不仅包括机械动能，还包括其他形式的能量。例如，水流不仅具有机械动能，同时，水在流动的过程中与周围的介质(如空气及输送管道等)发生摩擦，产生摩擦电荷，使其具有静电能。现有的摩擦发电机无法同时将水流中不同形式的能量转化为电能。
【发明内容】
[0003]本发明涉及一种基于流动液体的复合式发电机和发电方法，结合静电感应发电组件和接触摩擦发电组件，可以将流动液体中的静电能和机械动能同时转化为电能。
[0004]本发明提供的基于流动液体的复合式发电机，包括:
[0005]第一衬底；
[0006]所述第一衬底上表面设置的第一摩擦层；
[0007]所述第一衬底下表面设置的第一导电元件；所述第一导电元件连接至等电位；
[0008]所述第一导电元件下表面设置的第二摩擦层；
[0009]第二衬底；
[0010]所述第二衬底上设置的第二导电元件；所述第二导电元件连接至等电位；
[0011]所述第二导电元件上表面设置的第三摩擦层；
[0012]连接件，所述连接件使所述第二摩擦层与第三摩擦层面对面设置；
[0013]当带电荷的液滴或流动的液体至少部分接触所述第一摩擦层时，所述液体带有的电荷使所述第一导电元件上的电荷在等电位与第一导电元件之间流动；
[0014]所述带电荷的液滴或流动的液体的机械能使所述第二摩擦层与所述第三摩擦层表面接触，所述液体离开发电机时，所述连接件使所述第二摩擦层与第三摩擦层互相分离，使所述第一导电元件与等电位之间形成电流，所述第二导电元件与等电位之间形成电流。
[0015]优选的，所述第一摩擦层的上表面为电中性或带有电荷。
[0016]优选的，所述第一摩擦层的组成为绝缘体材料或半导体材料；
[0017]所述第二摩擦层和第三摩擦层组成为金属、绝缘体材料或半导体材料，并且所述第二摩擦层下表面和第三摩擦层上表面的材料存在摩擦电极序差异。
[0018]优选的，所述绝缘材料选择下列一种或几种: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、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚双酸A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6- 二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。
[0019]优选的，所述半导体材料选择下列一种或几种材料:硅、锗、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物，以及由II1- V族化合物和I1- VI族化合物组成的固溶体；
[0020]或者，所述半导体材料选择下列一种或几种材料:锰、铬、铁、铜的氧化物，或者氧化石圭、氧化钛、氧化锌、B12和Y2O3。
[0021]优选的，所述金属选自下列材料中的一种或者几种:金、银、钼、招、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。
[0022]优选的，所述第一摩擦层上表面、第二摩擦层下表面和/或第三摩擦层上表面的部分或全部表面包括微纳结构层，所述微纳结构层包括纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和/或微米球状结构，或者由前述结构形成的阵列。
[0023]优选的，所述第一摩擦层、第二摩擦层和/或第三摩擦层的材料与其表面的微纳结构层的材料相同。
[0024]优选的，所述微纳结构层为制备所述摩擦层时直接形成；
[0025]或者，所述微纳结构层为在所述摩擦层的表面点缀或涂覆纳米材料层形成；
[0026]或者，所述微纳结构层为通过光刻蚀、化学刻蚀和等离子刻蚀等方法在所述摩擦层的表面制备。
[0027]优选的，所述第一摩擦层上表面或者在其上的微纳结构层为亲水或者疏水结构。
[0028]优选的，所述第一摩擦层的上表面为疏水材料，所述液体为极性液体；或者，所述第一摩擦层的上表面为亲水材料，所述液体为非极性液体。
[0029]优选的，极性液体为水、甲酸、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙酸、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、乙腈或丙酮；
[0030]所述非极性液体为己烷、苯、甲苯、二乙醚、氯彷、乙酸乙酯、四氢呋喃或二氯甲烷。
[0031]优选的，所述第一摩擦层、第二摩擦层及第三摩擦层为硬质材料或柔性材料。
[0032]优选的，所述第一衬底的材料与所述第一摩擦层的材料相同，所述第一摩擦层代替所述第一衬底，并且所述第一摩擦层与第二摩擦层共同将所述第一导电元件完全覆盖。
[0033]优选的，所述第三摩擦层与第二衬底共同将所述第二导电元件完全覆盖。
[0034]优选的，所述第一摩擦层、第二摩擦层及第三摩擦层其厚度范围为50nm-2cm。
[0035]优选的，所述微纳结构层的厚度介于20nm_20 μ m之间。
[0036]优选的，所述第一衬底和/或第二衬底的材料为硬质材料或柔性材料。
[0037]优选的，所述第一导电元件为在所述第二摩擦层的上表面沉积形成的薄膜；
[0038]和/或，所述第二导电元件为在所述第三摩擦层的下表面沉积形成的薄膜。
[0039]优选的，所述第一导电元件和/或第二导电元件为硬质材料或柔性材料，厚度介于 10nm-500 μ m 之间。
[0040]优选的，所述连接件为弹性部件。
[0041 ] 优选的，所述等电位为地电位或者等电位源。
[0042]优选的，所述第一摩擦层的上表面或者表面的微纳结构层的材料为光催化材料。
[0043]优选的，所述第一衬底、第二衬底、第一导电元件、第二导电元件、第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层均为透明材料。
[0044]相应的，本发明还提供一种基于流动液体的发电方法，利用上述任一项所述发电机，所述液滴或流动的液体经过摩擦带电后与所述第一摩擦层的上表面至少部分接触后分离，在所述第一导电元件产生感应电荷，并在所述第一导电元件与等电位之间向外输出电信号。
[0045]优选的，所述的发电方法还包括，
[0046]所述液滴或流动的液体使所述第二摩擦层与第三摩擦层互相接触后分离，在第一导电部件与等电位之间和第二导电部件与等电位之间形成电信号输出。
[0047]相应的，本发明还提供一种液体中乙醇浓度传感器，其特征在于，采用上述任一项所述的发电机，所述第一摩擦层上表面为疏水或者超疏水结构，所述第一导电元件输出电信号强度随所述液体中所含乙醇浓度不同而变化。
[0048]相应的，本发明还提供一种液体中乙醇浓度的传感方法，应用上述的传感器，不同乙醇浓度的液体接触所述第一摩擦层后离开第一摩擦层，所述第一导电元件输出的电信号不同。
[0049]本发明提供的能够收集液体流动能量的复合式发电机以及发电方法具有以下有益效果:
[0050]1、本发明的复合式发电机由两发电组件组合而成，位于上方的静电感应发电组件负责收集流动液体中的静电能；位于下方的接触摩擦发电组件则负责收集流动液体中的机械动能。当流动液体冲击到位于上方的静电感应发电组件时，会促使位于下方的接触摩擦发电组件工作，故能同时收集流动液体中的静电能和机械动能。
[0051 ] 2、本发明中的静电感应发电组件及接触摩擦发电组件皆采取单电极工作模式，且静电感应发电组件的输出与接触摩擦发电组件的输出设计成同步的，当带电的水滴落在第一摩擦层的上表面及离开时，都会同时造成静电感应发电组件及接触摩擦发电组件的同步输出，故可将两个发电组件整合在一起，不仅简化了结构，更使得复合式发电机的输出端简化为两个，添加了使用的方便性。
[0052]3、本发明的复合式发电机，其主要部件的尺寸能配合环境中液体的面积及体积进行尺寸调整，且可制备成柔性或是硬性结构，能够广泛用于各种领域。并且发电机的结构简单，所有的材料价格低廉并且容易获得，因此，本发明的发电机制作方便，成本低，易于产业推广和应用。
[0053]4、本发明提出了用于收集流动液体静电能和机械动能的发电机，主要是利用自然界中摩擦的现象及静电传导的原理，利用简易的结构设计，实现了在环境中收集液体(特别是水)流动静电能和机械动能的可能性；而且本发明中发电机所提供的电信号输出将可被直接利用或与全桥整流器结合将输出的交流电信号转变为单向脉冲信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以为电容器或者锂离子电池充电，也可以为各种小型便携式电子器件提供所需的电源。
[0054]5、本发明中，将微纳结构层直接形成在摩擦层上表面，能够显著提高发电机的电信号输出性能，打破了以往需要先制备摩擦层再在摩擦层表面形成纳米结构的限制，大大简化了制备方法、降低了成本，同时还为电信号的优化输出提供了一条新的途径。
[0055]6、在摩擦层的上表面设计微纳结构层有两个重大意义，一个是若微纳结构层在第一摩擦层的上表面，当想收集极性较大液体的机械能，如水，此结构可增加摩擦层的疏水性，使水与摩擦层接触后能完全分开，提供静电感应发电机较大的电输出；另一个是若微纳结构层在第二摩擦层和/或第三摩擦层上表面，则会增加其接触后所造成的面电荷密度，即是增加接触摩擦发电机的电输出。
[0056]7、具超疏水性的微纳结构层同时具有自清洁的功能，在第一摩擦层的上表面形成超疏水性的微纳结构层，将有助于发电机第一摩擦层维持一干净表面，特别是对于使用在户外大自然环境中，确保可长时间提供有效输出。
[0057]本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0058]通过附图所示，本发明的上述及其它目的、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。
[0059]图1为本发明复合式发电机一个实施例的截面结构示意图；
[0060]图2中的(a)-(d)为发电机的静电感应发电组件收集单滴水的工作原理示意图；[0061 ] 图3中的(a) -(e)为发电机的接触摩擦发电组件收集连续水滴或流动水