一种摩擦电-压离子协同雨光复合发电系统及其封装方法

本发明属于雨光复合发电系统，具体涉及一种摩擦电-压离子协同雨光复合发电系统及其封装方法。

背景技术：

1、随着微电子与智能传感技术的快速发展，能够实现全天候供能的复合微能源采集系统已成为低功耗物联网设备的迫切需求。其中，将太阳能与雨滴能相结合的雨光复合能量采集技术，可有效克服单一能源受天气环境和昼夜更替限制的问题。

2、目前，相关复合能源系统大多仅关注光单元与雨滴（水）单元在前端的简单物理层叠，普遍存在功能层叠加遮挡光线、异质发电单元电信号相互干扰、阻抗及输出不匹配等问题。一方面，现有技术多采用单一的液-固接触起电（摩擦电）机制进行雨能捕获，在雨滴持续撞击的交变机械应力下，无法有效捕获雨滴瞬时冲击造成的重力机械能，导致综合能量转换效率低下；另一方面，传统的聚离子型凝胶骨架内部阴阳离子静电束缚过强，缺乏对局部应变梯度的敏感性，无法形成高效的离子非对称定向迁移。此外，行业内普遍缺乏针对高阻抗、交变脉冲式的雨滴（水）能量与低阻抗、直流式的太阳能的高效后端整合、协同收集与稳定输出策略。两种异质能源在后端的汇集、阻抗匹配、稳压及全天候协同控制等关键技术瓶颈尚未突破，导致输出电信号波动大、发电单元间存在反向充能风险，难以实现对低功耗电子器件的高效、连续、可靠供电。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种摩擦电-压离子协同雨光复合发电系统及其封装方法。本发明通过精确构筑无阴离子单体参与的非对称离子导电网络，获得了高透光率与优异应变敏感性的离子凝胶功能层；在器件原理上，通过耦合液-固接触摩擦起电与瞬时重力冲击引发的压离子效应（piezo-ionic effect），实现了雨滴能量的双机理协同高效捕获；并结合自适应雨光双能充电系统完成了异质能源的智能流向控制与稳定输出，为低功耗电子物联网设备提供全天候自供电方案。

2、为实现上述发明的目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种摩擦电-压离子协同雨光复合发电系统，包括集成式能源收集器件和雨光双能充电系统；

4、集成式能源收集器件包括雨水能收集器和太阳能电池板；

5、雨水能收集器包括离子凝胶功能层、透明薄膜封装层和导电电极；

6、离子凝胶功能层贴附于太阳能电池板表面，透明薄膜封装层覆盖于离子凝胶功能层和太阳能电池板上方；导电电极贴附于透明薄膜封装层表面上方，且导电电极的垂直投影位置不与离子凝胶功能层重合；

7、离子凝胶功能层、导电电极和太阳能电池板连接有雨光双能充电系统。

8、根据本发明优选的，雨光双能充电系统包括直流高效降压调理模块、整流-分压-滤波-过压保护模块、主控微处理器模块、电流放大与功率驱动芯片、光耦继电器开关和超级电容储能模块；

9、直流高效降压调理模块的输入端连接有太阳能电池板，整流-分压-滤波-过压保护模块的输入端连接有雨水能收集器的离子凝胶功能层和导电电极，直流高效降压调理模块的输出端和整流-分压-滤波-过压保护模块的输出端均连接有光耦继电器开关和主控微处理器模块；

10、主控微处理器模块、电流放大与功率驱动芯片、光耦继电器开关和超级电容储能模块依次连接；超级电容储能模块连接有主控微处理器模块；

11、直流高效降压调理模块用于将太阳能电池板输出宽压直流电降至适配电压的稳定直流电；

12、整流-分压-滤波-过压保护模块用于将雨水能收集器输出的雨水能转换为脉动直流电能，并降低至安全电压；

13、光耦继电器开关用于控制直流高效降压调理模块输出的稳定直流电和整流-分压-滤波-过压保护模块输出的安全电能进行通路控制及光电隔离；

14、超级电容储能模块用于将输入的电能进行存储；

15、主控微处理器模块用于采集直流高效降压调理模块的光伏电压信号、整流-分压-滤波-过压保护模块的雨水能电压信号、超级电容储能模块的电压信号，判断能源与储能状态，输出通断控制信号；

16、电流放大与功率驱动芯片将通断控制信号进行放大，输出至光耦继电器开关进行智能控制。

17、上述摩擦电-压离子协同雨光复合发电系统的封装方法，包括步骤如下：

18、（1）将深共熔溶剂、非离子型单体、阳离子型单体、交联剂与光引发剂混合，加热搅拌得到离子凝胶溶液；将离子凝胶溶液涂覆于由一种导电胶带作为边界构筑的模具空腔内，并用紫外光照射，固化形成离子凝胶功能层；

19、（2）将离子凝胶功能层贴附于太阳能电池板的入射光表面，在离子凝胶功能层和太阳能电池板的上方覆盖透明薄膜封装层，然后在透明薄膜封装层上表面粘附另一种导电胶带作为导电电极，控制导电胶带的空间投影位置与离子凝胶功能层的导电胶带的引出端无重叠；

20、（3）离子凝胶功能层作为第一电极，导电电极作为第二电极，第一电极、第二电极与雨光双能充电系统进行连接，同时太阳能电池板与雨光双能充电系统进行连接，完成封装。

21、根据本发明优选的，步骤（1）中，深共熔溶剂为尿素类深共熔溶剂、酰胺类深共熔溶剂、多元醇类深共熔溶剂、羧酸类深共熔溶剂中至少一种；

22、非离子型单体为4-丙烯酰吗啉、n,n-二甲基丙烯酰胺、n-乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯中至少一种；

23、阳离子型单体为3-（二甲胺基）丙基丙烯酰胺、n,n-二甲基氨基乙基丙烯酸酯、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵中至少一种；

24、交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、二乙二醇二丙烯酸酯中的至少一种；

25、光引发剂为苯基双（2,4,6-三甲基苯甲酰基）氧化膦、引发剂819、引发剂2959、（2,4,6-三甲基苯甲酰基）二苯基氧化膦中至少一种。

26、进一步优选的，深共熔溶剂为尿素-氯化胆碱des、硫脲-氯化胆碱des、乙二醇-氯化胆碱des、柠檬酸-氯化胆碱des中至少一种。

27、根据本发明优选的，步骤（1）中，加热温度为50~100 ℃，搅拌时间为20~60 min；固化时间为5~20 min。

28、进一步优选的，加热温度为70~90 ℃，搅拌时间为25~40 min；固化时间为10 min。

29、根据本发明优选的，离子凝胶功能层的厚度为50~500 μm，离子电导率≥1×10⁻³s/cm。

30、进一步优选的，离子凝胶功能层的厚度为250~400 μm。

31、根据本发明优选的，步骤（1）中，深共熔溶剂、非离子型单体、阳离子型单体、交联剂与光引发剂的质量比为0.5~5：0.2~2：0.2~2：0.0112~0.224：0.005~0.05；

32、进一步优选的，质量比为1~2：0.5~1：0.5~1：0.056~0.112：0.01~0.02。

33、根据本发明优选的，步骤（2）中，透明薄膜封装层为高电负性、高透明度的氟塑料薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜、改性硅胶薄膜中的至少一种；

34、氟塑料薄膜为氟化乙烯丙烯共聚物、过氟烷基化共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、非晶态氟树脂、四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物中的至少一种；

35、进一步优选的，透明薄膜为氟化乙烯丙烯共聚物；

36、根据本发明优选的，步骤（2）中，导电电极为金属电极、碳基复合电极、导电聚合物复合电极中的至少一种；

37、金属电极为铝电极、铜电极、铂电极、镊/铜电极、镊/铝电极中的至少一种；

38、碳基复合电极为碳纳米管复合电极、石墨烯/氧化还原石墨烯复合电极、碳纤维复合电极中的至少一种。

39、进一步优选的，导电电极为铝电极。

40、本发明的有益效果在于：

41、1、本发明离子凝胶功能层通过主动摒弃阴离子单体，利用第一单体与第二阳离子单体共聚，在凝胶内部构建了“骨架束缚阳离子、通道解离阴离子”的非对称空间结构，该结构不仅避免了同型电荷过早中和以维持极高的光透过率，更赋予了凝胶对微弱机械机械冲击的敏感性。

42、2、本发明雨水能收集器成功耦合了摩擦电与压离子效应，使雨滴的电荷起电能与撞击重力能被同时捕获，显著提升了单水滴撞击下整体能量捕获的极限。

43、3、本发明离子凝胶功能层以深共熔溶剂为离子传导核心，不含易挥发水分，物理性能稳定；离子凝胶功能层整体质地柔软、可弹性弯曲并具优异的界面相容性，在雨滴的高频持续脉冲撞击下，能通过内部粘弹性骨架有效耗散应力，防止凝胶层与底层光伏、顶层fep层发生机械剥离，保证了户外复杂环境下的长期稳定性。

44、4、本发明雨光双能充电系统针对高阻抗脉冲式的雨滴交变电能与低阻抗直流式的太阳能，形成了“能源收集-电压适配-信号采集-通路驱动-电能储存”一体化双能充电链路，通过电阻分压网络配合双重过压保护，解决了微机电系统易被雨能瞬间高压击穿的痛点；利用主控微处理器模块自适应调理与光耦继电器的弱电控制及光电隔离，杜绝了异质单元反向充能风险，实现了能量的高效汇集与对低功耗物联网器件的连续可靠供电。

45、5、本发明系统全部采用标准化、小型化器件，结构紧凑、接线简洁，可灵活替换光伏功率、超级电容容量与雨水能采集结构，通用性与扩展性强。