技术领域
[0001] 本
发明涉及能够将环境中机械能转化为
电能的发电器件，尤其是涉及一种基于液体中双电荷层的独立感应式发电机及其发电方法。
背景技术
[0002] 人类社会的发展带来对
能源需求的快速增长。随着石油和
煤炭等化石能源的大量消耗，给人类带来严重能源短缺和环境问题。发展清洁、
可再生能源对人类社会的可持续发展至关重要。传统的
水力发电机是利用水流
动能推动
水轮机转化为机械能，再靠水轮机推动发电机发电，从而将机械能转化为电能。这种发电
机体积庞大，且需要的水位差较大，对于低品质动能的转化效率很低(Wang Z L,Jiang T,Xu L.Toward the blue energy dream by triboelectricnanogenerator networks.Nano Energy,2017,39:9-23)。传统的摩擦纳米发电机，其利用的摩擦起电效应受制于环境中的湿度影响，在湿度较大的情况下摩擦起电效应将大大减弱，摩擦纳米发电机的电功率输出甚至会降为0，极大限制了其应用(Guo H,Chen J,Tian L,et al.Airflow-Induced TriboelectricNanogenerator as a Self-Powered Sensor for Detecting Humidity and Airflow Rate.ACS Applied Materials&Interfaces,2014,6(19):17184-17189)。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供能够将机械能转换为电能的一种基于液体中双电荷层的独立感应式发电机及其发电方法。
[0004] 所述基于液体中双电荷层的独立感应式发电机包括第一部件、第二部件、电
信号输出端和液态环境；所述第二部件由独立放置的第一感应层和第二感应层组成，第一感应层由第一
薄膜层和其背后贴合的第一导电层组成，第二感应层由第二薄膜层和其背后贴合的第二导电层组成；第一导电层和第二导电层通过
导线连接到
电信号输出端；所述第一部件与第一薄膜层和第二薄膜层交替
接触，从而改变第一薄膜层和第二薄膜层表面的双电荷层状态，使第一导电层和第二导电层感应出电势差，驱使
电子在导线中定向运动，产生
电流，第一导电层和第二导电层通过电信号输出端向外输出电信号。
[0005] 所述第一部件可为硬质材料或软质材料，功能为在与第二部件靠近过程中能够排开第二部件表面的液体，优选为表面平整的材料，包括但不局限于亚克力板、
硅片、聚酰亚胺、聚对苯二
甲酸乙二醇酯、
石墨烯、
石英、聚乙烯、聚氯乙烯、苯胺甲
醛树脂、聚甲醛、乙基
纤维素、聚酰胺尼龙11、聚
氨酯弹性体、硬
橡胶、聚甲基
丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚二甲基硅
氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林、聚
己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生
纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、
棉及其织物、聚
碳酸酯、丙烯腈、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、丁苯橡胶等，目的是能够与第一薄膜层和第二薄膜层紧密接触。
[0006] 所述第一感应层与第二感应层可分隔放置；第一感应层与第二感应层可处于同一平面；第一感应层与第二感应层保持电学上的绝缘；第一感应层与第二感应层的形状可相同或不同。
[0007] 所述第一薄膜层、第二薄膜层、第一导电层和第二导电层在材料硬度上不做要求，可为软质材料或硬质材料。
[0008] 所述第一部件不能同时全部
覆盖第一感应层和第二感应层。
[0009] 所述第一薄膜层和第二薄膜层的表面在液态环境中带有正电荷或负电荷，第一薄膜层与第二薄膜层表面电荷
密度可相同或不同。
[0010] 所述第一薄膜层和第二薄膜层的材料相同或不同，可选自聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氧化
石墨烯、石墨烯、二硫化钼、石英、聚乙烯、聚氯乙烯、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、聚氨酯弹性体、硬橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、
液晶高分子
聚合物、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、聚碳酸酯、丙烯腈、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、丁苯橡胶等表面可带电或不带电的材料中的至少一种。
[0011] 所述第一薄膜层和第二薄膜层的厚度均可为5nm～10cm，优选微米级别。
[0012] 所述第一导电层和第二导电层的材料可选自金属、导电氧化物、掺杂的
半导体及导电有机物等导电材料；所述金属可选自
铝、
银、镍、
铜、铂、金、铬以及由以上金属形成的
合金；所述导电氧化物可为铟
锡氧化物等；所述导电有机物可选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等中的一种。
[0013] 所述液态环境可为含有阴阳离子的液体，也可直接将发电机置于江河湖海中。
[0014] 驱动第一部件运动的外力包括但不仅限于
潮汐能、波浪等可提供动能的
水体能量，或人体运动、
风能等机械能。
[0015] 所述基于液体中双电荷层的独立感应式的发电方法包括以下步骤：
[0016] 1)提供所述两个分隔放置的第二部件的第一薄膜层和第二薄膜层，第一薄膜层和第二薄膜层之间保持电绝缘；
[0017] 2)提供所述第一导电层和第二导电层使其粘合在所述第一薄膜层和第二薄膜层的下表面；
[0018] 3)将第一导电层和第二导电层分别与电信号输出端的两端连接，且电信号输出端与外
电路连接；
[0019] 4)使第一部件与第二部件交替接触；
[0020] 5)通过电信号输出端向外输出电信号。
[0021] 在步骤4)中，所述交替接触可通过第一部件在第二部件的第一感应层和第二感应层之间来回滑动实现，或改变第一部件分别与第一感应层和第二感应层之间的垂直间距所造成的接触和分离实现。
[0022] 本发明利用溶液中双电荷层将工作环境中的机械能转化为电能，包括海洋、河流中的
波浪能、潮汐能、人体运动的能量、工作环境中的震动能等，这些能源是清洁、可再生的能源，资源丰富，发展前景可观。
[0023] 本发明具有以下突出的技术效果：
[0024] 本发明提供的基于液体中双电荷层的独立感应式的发电机的优点在于，不同于传统水下发电机的笨重设计，无法利用低品位机械能的缺点，本发明设计的发电机运动部件可自由运动，水体中大部分的运动都能为其提供机械能；节省了发电机制造成本，极大地扩大了水体能量的利用范围。
附图说明
[0025] 图1为本发明所述基于液体中双电荷层的独立感应式发电机的一种典型结构示意图。
[0026] 图2为图1所述基于液体中双电荷层的独立感应式发电机的工作原理示意图。
[0027] 图3为本发明所述基于液体中双电荷层的独立感应式发电机的另一种典型结构示意图。
[0028] 图4为本发明所述基于液体中双电荷层的独立感应式发电机的
电压输出图。
具体实施方式
[0029] 下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0030] 本发明所述的“双电荷层”是指在固体在水中因表面基团的解离或从溶液中
吸附某种电荷从而使其表面呈正或负电性，由于带电表面和溶液中的
电解质离子的静电相互作用，造成异种电荷离子被吸引，同种电荷离子被排斥。带电表面和
电解质离子分布构成双电荷层。例如，高分子材料聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate)表面存在羧基，羧基在水中电离从而使表面带有负电性，带有负电的表面吸附溶液中电性相反的正离子形成双电荷层。
[0031] 图1为本发明所述基于液体中双电荷层的独立感应式发电机的一种典型结构示意图：包括第一部件10，第二部件和电信号输出端30，所述第二部件由第一感应层201和第二感应层202组成。第一感应层201由第一薄膜层2011和第一导电层2012组成。同样地，第二感应层202由第二薄膜层2021和第二导电层2022组成，第一感应层201与第二感应层202分隔放置，且第一导电层2012和第二导电层2022分别与电信号输出端30的两端电连接。第一部件10由于外界机械能作用在第一感应层201与第二感应层202之间移动，使得第一导电层2012和第二导电层2022通过电信号输出端30向外输出电信号。
[0032] 为了方便说明。以下将结合图1的典型结构来描述本发明的原理、各部件的选择原则以及材料范围。
[0033] 本发明的基于液体中双电荷层的独立感应式发电机工作原理参见图2进行说明：将发电机置于液态环境40中，由于第一薄膜层2011和第二薄膜层2021的表面带有电荷(此处以负电荷为例)，在表面形成双电荷层。当第一部件10在外力作用下运动至第二部件感应层表面时，第一薄膜层2011表面附近的溶液和其中的离子被排开。此时，第一薄膜层2011表面所带有的负电荷无法被溶液中的异种电荷屏蔽，而第二薄膜层2021表面所带有的负电荷被溶液中的正电荷屏蔽，因此两者在上下端感应出的电势存在差异，电子在第一导电层
2012和第二导电层2022之间移动，从而向外电路输送电信号。随着第一部件10由第一薄膜层2011向第二薄膜层2021运动时，第一薄膜层2011和第二薄膜层2021感应出的电势差越来越小，电信号逐渐减弱，直至第一薄膜层2011和第二薄膜层2021表面未被屏蔽的电荷量相同时，电信号最弱。当第一部件10继续向右运动，第一薄膜层2011与第二薄膜层2021表面的未被屏蔽的电荷数量差异又逐渐增大，第一导电层2012与第二导电层2022之间的感应出的电势差逐渐增大，通过导线连接的电信号输出端30向外反向输出电信号。当第一部件10运动至完全覆盖第二薄膜层2021时输出的电信号再次达到最大，且为反向电势差。而当第一部件10开始向左运动，可以得到与上述过程相反的电信号输出。
[0034] 根据上述的发电原理可以看出，第一薄膜层2011和第二薄膜层2021之间的表面未被屏蔽的电荷数目差异是造成电势差的主要原因，为电信号输出的关键。以下在溶液中表面可能带有电荷的材料均可用于本发明的第一薄膜层2011和第二薄膜层2012中，包括但不局限于聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氧化石墨烯、石墨烯、二硫化钼、石英、聚乙烯、聚氯乙烯、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、聚氨酯弹性体、硬橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、液晶高分子聚合物、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、聚碳酸酯、丙烯腈、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、丁苯橡胶等。由于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的材料供参考，但是这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制因素，因为在本发明的启发下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的不同表面带电量的特性很容易选择其他类似的材料。
[0035] 通过实验发现，当第二部件的第一薄膜层2011和第二薄膜层2021之间的表面未屏蔽电荷数的差异越大，发电机输出的电信号越强。因此通过实验对比可使用较佳的材料作为第二部件的第一薄膜层2011和第二薄膜层2021，以获得最佳的电信号输出性能。
[0036] 此外，也可以对第一薄膜层2011和第二薄膜层2021进行物理化学改性，进一步提高薄膜表面的电荷密度，从而提高转移的电荷量和发电机的输出功率。在第一薄膜层2011和第二薄膜层2021表面进行官能团的引入来使其带有正电荷或者负电荷。官能团的引入可以采用等离子表面改性和化学修饰等物理化学方法。例如，使氧气和氨气的混合气在一定功率下产生
等离子体，从而在第一薄膜层2011和第二薄膜层2021表面上引入氨基。用
次氯酸钠溶液对聚酰亚胺材料进行化学
刻蚀，从而在聚酰亚胺表面引入羧基。本领域的技术人员可以根据薄膜层的性质和表面化学键的种类，选择合适的处理方法，以达到本发明的目的，因此这样的
变形都在本发明的保护范围之内。
[0037] 本发明中的导电层(包括第一导电层2012和第二导电层2022)和薄膜层(包括第一薄膜层2011和第二薄膜层2021)可以是软质材料或硬质材料。导电层通过导线与外电路连接输出发电机的电信号。
[0038] 第一导电层2012和第二导电层2022作为发电机的两个
电极，需要具备导电特性，可以选择常用的导电材料。本领域常用的材料为：金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、
钛、铬或硒；由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒，以及由上述金属形成的合金；导电氧化物，例如氧化铟锡ITO；有机物导体一般为导电高分子，选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。具体导电层材料的选择不作为限定本发明保护范围的条件，优选地，第一导电层2012和第二导电层2022的材料为铜、金、银或铂。
[0039] 本发明的基于液体中双电荷层的独立感应式发电机中，为保证电荷的产生效率，也可以采用沉积的方法在第一薄膜层2011和第二薄膜层2021表面上制备导电层，例如
电子束蒸发、等离子体溅射或蒸
镀等方法。此外，还可以将如铝箔之类的导电材料直接贴合在薄膜层上来充当导电层。
[0040] 本发明的基于液体中双电荷层的独立感应式发电机，其中的液态环境40可以为各种含有不同离子的溶液，例如纯净水、
自来水、极性液体等。
[0041] 图3为本发明所棕基于液体中双电荷层的独立感应式发电机的另一种典型的实施方式。第一部件10不仅可以通过滑动的形式来改变第一感应层201和第二感应层202之间的电势差，还可以通过转动的方式来改变。例如图3所示的另一种实施方式，包括半圆形的第一部件10和同样大小两个半圆形的第一感应层201和第二感应层202以及电信号输出端30组成，其中第一感应层201由第一薄膜层2011和第一导电层2012组成，第二感应层202由第二薄膜层2021和第二导电层2022组成。第一感应层201和第二感应层202直径部分相对放置，第一薄膜层2011和第二薄膜层2021朝上放置，第一导电层2012和第二导电层2022分别贴合在第一薄膜层2011和第二薄膜层2021的背面，并通过导线接入电信号输出端30的两端，第一部件10与第一薄膜层2011和第二薄膜层2021相对放置。当第一部件10与第一感应层201完全重合时，第一导电层2012与第二导电层2022之间感应出的电势差最大，随着第一部件10的转动，两导电层之间的电势差逐渐减小，输出端的电信号逐渐减弱。直至第一薄膜层2011和第二薄膜层2021表面未被屏蔽的负电荷数目相同时，电信号最弱。第一部件10继续转动，直至转动至与第二感应层202完全重合，两者的电势差变为反向且为最大。继续转动，同理，反向电势差同样经历先减小后增大的过程，输出的电信号强度先减小后增大，如此便形成一个发电循环。
[0042] 上面给出了本发明所设计的多种发电机的典型结构，本领域的技术人员可以在这些结构的
基础上进行简单变形，从而获得不同工作环境下的发电机，但是这样的变形都是在本发明所公开的基本构思下完成的，都属于本发明所保护的范围。
[0043] 通过前面的描述，可以清楚的了解到本发明其实还公开了一种全新的发电方法，其特征在于使用本发明中公开的任何发电机，包括如下步骤：
[0044] 1)提供所述两个分隔放置的第一薄膜层2011和第二薄膜层2021；
[0045] 2)提供粘合在第一薄膜层2011背面的第一导电层2012和粘合在第二薄膜层2021背面的第二导电层2022；
[0046] 3)将第一导电层2012和第二导电层2022分别与电信号输出端30的两端电连接；
[0047] 4)使第一部件10与第二部件交替接触；
[0048] 5)通过电信号输出端30向外输出电信号。
[0049] 在步骤4)中，所述交替接触是通过第一部件在第一感应层和第二感应层之间来回滑动来实现，或改变第一部件分别与第一感应层和第二感应层之间的垂直间距所造成的接触和分离来实现。
[0050] 以下给出具体实施例。
[0051] 由于自然界中水体能量丰富，因此本发明的发电方法和基于液体中双电荷层的独立感应式发电机可以用于收集很多水体中的机械能，如潮汐能、波浪能等。在潮汐运动中，
海水做往复运动，可以为第一部件提供动力，使其在第二部件之间往复运动，产生电流。而在一些恒定水流的环境中，可以利用转动形式(如图3所示的形式)使第一部件转动，从而产生电流，甚至还可以根据转动产生的电流大小来测定水位的高低。
[0052] 利用
激光切割三个长3cm×宽3cm×厚5mm的有机玻璃板，在两片相同的聚酰亚胺薄膜层的背面沉积一层Al作为导电层，并通过导线引出电信号，然后将其贴合在两个有机玻璃板上使聚酰亚胺表面露出作为第二部件，并在第三个有机玻璃板上直接贴合一片聚酰亚胺薄膜层作为第一部件，用PDMS胶在聚酰亚胺薄膜层的四周密封进行防水。将封装完毕的第二部件进行
表面处理，增大表面电荷密度。将装置浸没在溶液中，并通过外力控制两个部件的接触和分离，检测电信号输出。图4给出本发明所述基于液体中双电荷层的独立感应式发电机的电压输出图。
[0053] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或
修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
