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【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及流体能量收集,更具体的说是涉及一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机及其工作方法。
技术介绍
1、为了克服分布式传感器在环境监测中的供能问题,从环境中收集能量尤其是分布极广的水能已成为实现能源清洁化的重要途径。传统的电磁发电机受限于启动阈值高、体积大、造价高等,只适用于收集大规模、规则的水波能;压电发电机输出小,供能不足;而摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,teng)基于摩擦起电和静电感应的耦合,可将环境中微弱机械能转化为电能,具有高电压输出,已在水力发电领域——尤其针对河流、小溪等低速流动的流体,展现出巨大的应用潜力。
2、现有用于收集流体能量的摩擦纳米发电机大多采用固体-固体摩擦起电的形式,通过流体驱动两固体摩擦材料的相互摩擦运动(接触-分离)来产生电能,存在磨损大、输出功率易受环境因素(如湿度)影响等弊端。与之相比,液-固型摩擦纳米发电机则直接利用流体与固体介电材料的相对流动产生摩擦起电,具有无磨损、工作寿命长等优点。然而,由于流体的无定形性,难以在连续水流与特定固体之间实现稳定的接触-分离运动形态,导致摩擦起电过程中电能输出性能的恶化。因此,迄今为止尚未有用于收集环境中低速连续水流能量的液-固型摩擦纳米发电机的报道。
3、维尔茨泵是一种无动力水泵,由h.andreas wirtz于1746年提出(参考文献:ahydrostatic model ofthe wirtz pump[j].proceedings ofthe royal society
4、因此,提出一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机及其工作方法,来解决现有技术存在的困难,是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
1、有鉴于此,本专利技术提供了一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机及其工作方法,利用维尔茨泵中因气锁效应形成的周期性分段液柱,与介电材料管道及所设电极形成一种管式液-固摩擦纳米发电机,同时实现了远距离无额外能耗的液体输运与低速流体能量的收集与转换,从而灌溉植物或为分布式传感器供电。
2、为了实现上述目的,本专利技术提供如下技术方案:
3、一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,包括:水轮机、液体增压-摩擦起电单元、旋转接头、液体输运-摩擦起电单元和电能管理单元;
4、其中,液体增压-摩擦起电单元固定在水轮机上,通过旋转接头与液体输运-摩擦起电单元连接,电能管理单元与液体增压-摩擦起电单元、液体输运-摩擦起电单元通过导线并联连接。
5、可选的,水轮机包括固定支架、中心主轴、转轮、辐条和水斗,用于将水流能转变为水轮旋转的机械能;
6、转轮与一卧式中心主轴同轴安装在固定支架上,水斗通过辐条安装在转轮外周,最下方的水斗置于水流中,在水流冲击下驱动水轮机转动,转轮具有内部贯穿流道,流道入口与液体增压-摩擦起电单元连接,流道出口经旋转接头与液体输运-摩擦起电单元连接。
7、可选的,液体增压-摩擦起电单元包括螺旋管道、电极和防护层,用于提升液体,并通过摩擦起电的方式输出电能;
8、螺旋管道整体固定在水轮机上,螺旋管道一端与水轮机中转轮的流道连接,螺旋管道另一端沿竖直平面螺线向外缠绕,直至伸出水轮机的最外缘,作为接水端口;
9、若干个电极设置于螺旋管道外壁面,沿管线呈周期性阵列,与管壁以及管内流动的液柱形成液-固摩擦纳米发电机;电极外设有防护层。
10、可选的,螺旋管道采用的平面螺线线型为费马螺旋、阿基米德螺旋、双曲螺旋、斐波那契螺旋、渐开线。
11、可选的,液体输运-摩擦起电单元包括平直管道、电极和防护层,同时实现液体输运和摩擦发电;
12、具有外电极层的平直管道作为液体输运管道,通过旋转接头连接转轮流道的出口,管内液柱在气锁压力的推动下持续流动,输运至陆地对植物进行灌溉,或用于远距离无额外耗能取水;另一方面,液体输运管道与管外电极和防护层构成了液-固摩擦纳米发电机,将水能转化为电能。
13、可选的,旋转接头用于连接可旋转的液体增压-摩擦起电单元和固定的液体输运-摩擦起电单元,使得旋转接头与水轮机的中心主轴、液体输送管道三者的轴线重合。
14、可选的,管道的材料为:聚全氟乙丙烯fep、聚四氟乙烯ptfe、聚偏二氟乙烯pvdf、聚丙烯pp、聚二甲基硅氧烷pdms、聚对苯二甲酸乙二酯pet、聚氨酯pu和聚乳酸pla。
15、可选的,电能管理单元对电能或电信号进行处理,为各种分布式传感器供电。
16、一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机的工作方法,应用上述任一项的一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,包括以下步骤:
17、s1、环境水流驱动水轮机及螺旋管道持续转动:环境中的水流冲击被浸没的水斗,使水轮机及固定在水轮机上的液体增压-摩擦起电单元中的平面螺线管道随之旋转;
18、s2、螺旋管道旋转过程中,外侧端口从水流中舀取液体,液体在管中以分段液柱形式向螺旋中心运动,与管壁摩擦起电:位于水轮机最外圈的管道端口从底部水流中舀出v体积的水,在管内底部形成一段水柱,并随着螺旋管道转动不断向内圈运动;管道入口再一次浸入水流并舀出v体积的液体后,形成一段新的液柱,于是管道的最外圈和次外圈分别有一段液柱,两柱间具有一段空气,形成气锁效应;
19、s3、液柱经过旋转接头进入液体输送管道并继续运动,与管壁摩擦起电,当螺旋管道内的液柱运动至螺旋线中心时,经过水轮机中转轮的内部流道和旋转接头进入液体输送平直管道,从而使液体的竖直平面运动转至水平运动,输送至陆地,同时,液柱与管道摩擦起电产生电能;
20、s4、电能的管理与输出:摩擦纳米发电机输出的电能均被接入电能管理电路,根据预设的电能管理策略进行整流、滤波、储能或供电。
21、可选的,s2中的液体包括河水、海水、地下水和工业废水。
22、经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本专利技术公开提供了一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机及其工作方法,其有益效果为:
23、1)利用气锁效应形成的气、液间隔输运模式,使得液体与已设置本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,其特征在于,包括:水轮机(1)、液体增压-摩擦起电单元(2)、旋转接头(3)、液体输运-摩擦起电单元(4)和电能管理单元(5);
2.根据权利要求1所述的一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,其特征在于,水轮机(1)包括固定支架(101)、中心主轴(102)、转轮(103)、辐条(104)和水斗(105),用于将水流能转变为水轮旋转的机械能;
3.根据权利要求1所述的一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,其特征在于,液体增压-摩擦起电单元(2)包括螺旋管道、电极和防护层,用于提升液体,并通过摩擦起电的方式输出电能;
4.根据权利要求3所述的一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,其特征在于,螺旋管道采用的平面螺线线型为费马螺旋、阿基米德螺旋、双曲螺旋、斐波那契螺旋、渐开线。
5.根据权利要求1所述的一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,其特征在于,液体输运-摩擦起电单元(4)包括平直管道、电极和防护层,同时实现液体输运和摩擦发电;
6.根据权利要求1所述的一种基于维尔茨泵
7.根据权利要求6所述的一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,其特征在于,管道的材料为:聚全氟乙丙烯FEP、聚四氟乙烯PTFE、聚偏二氟乙烯PVDF、聚丙烯PP、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚对苯二甲酸乙二酯PET、聚氨酯PU和聚乳酸PLA。
8.根据权利要求1所述的一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,其特征在于,电能管理单元(5)对电能或电信号进行处理,为各种分布式传感器供电。
9.一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机的工作方法,其特征在于应用权利要求1-8任一项所述的一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,包括以下步骤:
10.根据权利要求9所述的一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机的工作方法,其特征在于,S2中的液体包括河水、海水、地下水和工业废水。
...【技术特征摘要】
1.一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,其特征在于,包括:水轮机(1)、液体增压-摩擦起电单元(2)、旋转接头(3)、液体输运-摩擦起电单元(4)和电能管理单元(5);
2.根据权利要求1所述的一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,其特征在于,水轮机(1)包括固定支架(101)、中心主轴(102)、转轮(103)、辐条(104)和水斗(105),用于将水流能转变为水轮旋转的机械能;
3.根据权利要求1所述的一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,其特征在于,液体增压-摩擦起电单元(2)包括螺旋管道、电极和防护层,用于提升液体,并通过摩擦起电的方式输出电能;
4.根据权利要求3所述的一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,其特征在于,螺旋管道采用的平面螺线线型为费马螺旋、阿基米德螺旋、双曲螺旋、斐波那契螺旋、渐开线。
5.根据权利要求1所述的一种基于维尔茨泵的液-固摩擦纳米发电机,其特征在于,液体输运-摩擦起电单元(4)包括平直管道、电极和防护层,同时实现液体输运和摩擦发电;
6.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员:张颖,张恒飞,陈思源,何茂刚,
申请(专利权)人:西安交通大学,
类型:发明
国别省市:
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