一种具有狭缝效应高效收集风能的摩擦纳米发电机的制作方法

1.本发明涉及了一种摩擦纳米发电机，尤其涉及一种具有狭缝效应高效收集风能的摩擦纳米发电机。


背景技术：

2.风能资源丰富、可再生、分布广泛，在全球绿色能源中发挥着重要作用。由于风力涡轮机技术得到广泛研究，许多大型风电场建成。在优化条件下运行的单个风力涡轮机可以产生兆瓦的功率，但是这些机器只有在风速超过3m/s时才有效。然而，环境中可用的风是低速气流，低于涡轮机的阈值速度。无处不在的环境风能可以作为当前小型便携式电子设备和物联网的有效微能源。由于传统涡轮机无法有效地收集微风能量，部分能量被白白浪费了。同时，人们普遍认为对微风能量的收集是有限的，这可能是由于这些传统的能量收集装置在低速风下的工作效率不理想。因此，迫切需要一种在低速风下具有高效工作的装置，为目前的微风能量收集提出一种重要的方法。
3.最近，摩擦纳米发电机(teng)的发明提供了一种前所未有风能收集方法。teng可以有效地将环境中的微能量转化为电能输出，特别是低机械频率的能源，如风能、雨滴能和水波能。许多针对风能收集的teng已被报道，其中应用了各种新颖的架构和材料。然而，这些报告的重点是收集大于5m/s的高速风能，并且这些设备的微风能量收集是不可行的，因为这些设备的最低运行速度阈值仍然相当高。收集能量从温和风的低频激励来看，整个设备的材料和结构需要系统地优化以获得倍频输出。因此需要对现有的teng进行材料和结构的系统优化，以实现对环境中的低风速风能收集。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术中存在的问题和填补空白，本发明所提供一种利用狭缝效应和可拉伸羟乙基纤维素膜的倍频振动实现低风速风能高效收集的摩擦纳米发电机(se
‑
teng)。所设计的se
‑
teng可以实现0.5
‑
10m/s范围内风速的感知，表明se
‑
teng在低风速能量收集方面的优越性。
5.本发明se
‑
teng的感知范围比较广，可以收集低至0.5m/s的风能，可用于作为农业环境中摩擦纳米发电机，解决了传统风速传感器需要外接供能设备技术问题，对基于teng的农业环境中的自驱动风速感知具有重要的意义。
6.本发明采用的技术方案是：
7.一、一种具有狭缝效应的摩擦纳米发电机：
8.每个摩擦纳米发电机是包括了风舱、摩擦得电子层和羟乙基纤维素膜，风舱具有入口端和出口端，风舱的内壁上侧表面和下侧表面分别固定粘附有一层摩擦得电子层，风舱在靠近入口端的中间设有一个水平布置的、垂直于风向的支撑条，羟乙基纤维素膜的一端固定粘附在支撑条上，另一端向出口端自由延伸。
9.所述的风舱的入口端连接一个喇叭形状管道，风舱的出口端连接有一个弯曲向上
的管道。舱体的入口端设计成喇叭口，便于风能的进入，舱体中间部分相对于入口端变窄，可以利用狭缝效应使se
‑
teng的工作区间风速变大，提高风速检测的灵敏度。
10.所述的摩擦得电子层采用采用聚四氟乙烯(teflon)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚酰亚胺(kapton)、聚氯乙烯(pvc)、硅橡胶(ecoflex)、聚乳酸(pla)等材料中的一种。
11.所述的摩擦得电子层和风舱内壁之间粘附或镀上一层导电材料作为电极。
12.所述的导电材料采用氧化铟锡膜(ito)、银纳米线、铜、铝等导电材料种的一种。
13.二、一种摩擦纳米发电机的制备方法：
14.(1)通过3d打印加工出风舱；
15.(2)制备羟乙基纤维素薄膜：将纤维粉末加入到水或乙醇水溶液中，然后添加增塑剂，经过水浴加热使溶液混合均匀，然后蒸发溶剂干燥得到羟乙基纤维素膜；
16.(3)将羟乙基纤维素膜一端固定在风舱的支撑条上，在风舱内壁的上侧表面和下侧表面上先各粘附一层导电材料作为电极，在电极外再粘附一层摩擦得电子材料，且摩擦得电子材料完全覆盖住电极；
17.(4)从上下电极各引出导线接到整流桥交流端的两个引脚上，整流桥另一两个引脚与外部接收电能设备连接，组成一个完整的摩擦纳米发电机。
18.所述的增塑剂是由葡萄糖和尿素混合构成。葡萄糖和尿素同时共同起作用。
19.所述步骤(2)中，具体为：称取1
‑
5g羟乙基纤维素、0.3
‑
1.5g葡萄糖和0.1
‑
0.5g尿素加入到100ml去离子水中，经过50℃的水浴搅拌加热60min，将得到的溶液在10000r/min的条件下离心脱气5min，之后倒入到培养皿中烘6
‑
12h，最后在30
‑
80％的空气湿度下平衡3h得到羟乙基纤维素膜。
20.所述的羟乙基纤维素、葡萄糖、尿素和水的质量比是8:3:1:200，最优配比为在100ml中的去离子水中加入4g羟乙基纤维素、1.5g葡萄糖、0.5g尿素，采用本发明制备的羟乙基纤维素膜具有柔性、透明、可拉伸的特点。
21.与之前报道的用于风能收集的发电机不同，本发明的se
‑
teng利用可拉伸的羟乙基纤维素膜和管道的狭缝效应，在温和的气流驱动可以有效实现倍频振动。所设计的se
‑
teng可以实现0.5
‑
10m/s范围内风速的感知，表明se
‑
teng在低风速能量收集方面的优越性。本发明实现了一种有效的策略来收集无处不在但通常被忽视的低速气流和温和的间歇性风源，可以作为当前微能源结构的有效补充。
22.本发明与现有技术相比：本发明具有灵敏度高、效应范围高、制备简单的特性，且能保持长时间稳定工作，是环境中微弱风能的有效收集的良好替代品。
23.现有技术报告的摩擦纳米发电机的重点是收集大于5m/s的高速风能，并且这些设备的微风能量收集是不可行的，因为这些设备的最低运行速度阈值仍然相当高。收集能量从温和风的低频激励来看，整个设备的材料和结构需要系统地优化以获得倍频输出。因此需要对现有的teng进行材料和结构的系统优化，以实现对环境中的低风速风能收集
24.与之前报道的用于风能收集的发电机不同，se
‑
teng利用可拉伸的羟乙基纤维素膜和管道的狭缝效应，在温和的气流驱动可以有效实现倍频振动。所设计的se
‑
teng可以实现0.5
‑
10m/s范围内风速的感知，表明se
‑
teng在低风速能量收集方面的优越性。
附图说明
25.图1为本发明中所设计的摩擦纳米发电机se
‑
teng结构示意图。
26.图2为se
‑
teng的循环稳定性测试结果图。在图3为se
‑
teng的输出电压信号大小与夺电子层pdms厚度的关系。
27.图4为se
‑
teng的输出电压信号大小与给电子层hec膜厚度的关系结果图。
28.图5为se
‑
teng管道的高度优化示意图。
29.图6为se
‑
teng管道的长度优化示意图。
30.图7为se
‑
teng内hec膜的长度优化示意图。
31.图8为本发明设计的se
‑
teng的具体尺寸示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
33.如图1和图8所示，摩擦纳米发电机为基于狭缝效应和羟乙基纤维素膜的摩擦纳米发电机(se
‑
teng)。每个摩擦纳米发电机是包括了风舱、摩擦得电子层和羟乙基纤维素膜，风舱具有入口端和出口端，风舱的入口端和出口端之间的连线平行于、朝向风向布置，风舱的入口端连接一个喇叭形状管道，风舱的出口端连接有一个弯曲向上的管道。
34.风舱的内壁上侧表面和下侧表面分别固定粘附有一层摩擦得电子层，上下两层摩擦得电子层平行布置，风舱在靠近入口端的中间设有一个水平布置的、垂直于风向的支撑条，羟乙基纤维素膜的一端固定粘附在支撑条上，另一端向出口端自由延伸，摩擦得电子层和风舱内壁之间粘附或镀上一层导电材料作为电极；羟乙基纤维素膜作为摩擦给电子层，摩擦给电子层粘附在风舱中间。
35.上下两层摩擦得电子层之间的间距大于羟乙基纤维素膜的厚度，羟乙基纤维素膜在上下两层摩擦得电子层之间的间隙中随风被风拍打而振动摆动并往复接触摩擦得电子层，如同一块布被风吹地运动，这样羟乙基纤维素膜和摩擦得电子层相对平移运动，和接触运动，实现了摩擦纳米发电，在摩擦得电子层输出电能。
36.本发明的摩擦纳米发电机有四种工作模式，垂直接触
‑
分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立层模式。这四种模式均可工作。
37.或者摩擦得电子层和羟乙基纤维素膜位置相互替换，即摩擦得电子层粘附在风舱的支撑条上，羟乙基纤维素膜粘附在风舱内壁上下侧。
38.具体实施中，可通过3d打印制备摩擦纳米发电机的风舱，风舱入口处的喇叭形状管道口径大，内部比较狭小，这样可以利用狭缝效应将微小的风放大，实现风速的高灵敏度感知。羟乙基纤维素膜通过一侧固定在风舱的中间，另一侧时自由的。风舱的内壁上下均贴有pdms膜和ito电极，并且从上下电极上引出两根导线。
39.如图8所示，风舱内部工作区域的尺寸时7cm
×
5cm
×
1cm。所用的hec和pdms膜的厚度都是100μm。
40.本发明中，摩擦纳米发电机所产生的电信号和风速大小具有相关性，通过摩擦纳米发电机所产生的电信号强弱感知风速大小，摩擦纳米发电机所产生的电信号强度越强，风速则越大。
41.具体实施还可以通过多个摩擦纳米发电机在同一圆环圆周上间隔布置，同时通过
沿圆周布置的多个摩擦纳米发电机在不同的方位和朝向进行感知，综合多个摩擦纳米发电机的电信号强弱感知获得风向。
42.本发明通过浇铸法制备羟乙基纤维素膜用于构建摩擦纳米发电机，羟乙基纤维素膜可以剪成所需要的任意形状。
43.本发明的摩擦纳米发电机的制备过程如下：
44.(1)通过3d打印加工出风舱；
45.(2)制备羟乙基纤维素薄膜作为摩擦给电子材料：将纤维粉末加入到水或乙醇水溶液中，然后添加增塑剂，经过水浴加热使溶液混合均匀，然后蒸发溶剂干燥得到质地均匀、具有良好透明度的羟乙基纤维素膜；
46.步骤(2)中，具体为：称取4g羟乙基纤维素、1.5g葡萄糖和0.5g尿素加入到100ml去离子水中，经过50℃的水浴搅拌加热60min，将得到的溶液在10000r/min的条件下离心脱气5min，之后倒入到培养皿中烘12h，最后在50％的空气湿度下平衡3h得到羟乙基纤维素膜。
47.(3)将羟乙基纤维素膜一端固定在风舱的支撑条上，在风舱内壁的上侧表面和下侧表面上先各粘附一层导电材料作为电极，在电极外再粘附一层摩擦得电子材料，且摩擦得电子材料完全覆盖住电极；
48.(4)从上下电极各引出导线接到整流桥交流端的两个引脚上，整流桥另一两个引脚与外部接收电能设备连接，组成一个完整的摩擦纳米发电机；
49.本发明摩擦纳米发电机的工作原理是：
50.当刮风时，羟乙基纤维素膜在风的驱动振动与pdms接触分离，将风能转化为电能。此外，由于腔体的狭缝效应可以将微弱的风信号放大使摩擦纳米发电机对外部刺激具有超高的敏感性，速度低至0.5米/秒。农田中的风会引起相应方向腔体中的hec膜的振动，从腔体的上下电极可以得到感应电信号。
51.具体实施中，外部接收电能设备采用led灯。当刮风时，风吹向的风舱内会产生感应电压，驱动led灯亮起来，指向风吹来的方向。通过分析产生的电信号可以得知风速，从而实现风矢量信息的感知。
52.将上述摩擦纳米发电机hec
‑
teng用于风能感知。用鼓风装置对着某一风舱入口处吹风，hec膜在风的驱动下会振动与pdms膜接触分离形成感应电势，不同风速的感知的电信号结果如图4所示，通过图4可以看出所产生的电电压信号与风速大小正相关，说明摩擦纳米发电机可以用于风能感知。
53.由此实施可见，本发明具有灵敏度高、效应范围高、制备简单的特性，且能保持长时间稳定工作，是传统农业风速感知和供能系统的良好替代品。它不仅可以用于风速传感，还可以作为无线传感器的可持续电源，为构建智能农业提供可靠的基础。
54.以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
55.实施例2将se
‑
teng中的pdms和hec膜置于线性电机上，在线性电机的牵引下实现pdms和hec膜的接触分离，从实验结果可以看出输出的电压信号在1000s内可以实现稳定输出，说明se
‑
teng可以稳定工作。(对应图2)
56.实施例3为改变se
‑
teng内的pdms膜厚度分别为25，50，100，200，300μm，测试用不
同厚度pdms制备的se
‑
teng在5m/s风速下的电压信号输出。从图中可以看出，pdms厚度为100μm时输出的电压信号最大(对应图3)。
57.实施例4为为改变se
‑
teng内的hec膜厚度分别为50，100，150，200，250μm，测试用不同厚度hec膜制备的se
‑
teng在5m/s风速下的电压信号输出。从图中可以看出，hec膜厚度为100μm时输出的电压信号最大(对应图4)。
58.实施例5为se
‑
teng管道的高度优化。通过3d打印制备高度分别为5，10，15，20，25，30mm的管道，测试在5m/s的风速下具有不同管道高度的se
‑
teng的电信号输出，可以看出管道高度为10mm时的电信号输出最大(对应图5)。
59.实施例6为se
‑
teng管道的长度优化。通过3d打印制备长度分别为40，50，60，70，80mm的管道，测试在5m/s的风速下不同管道的se
‑
teng的电信号输出，可以看出管道高度长度为70mm时的电信号输出最大(对应图6)。
60.实施例7为se
‑
teng内hec膜的长度优化。通过浇筑法制备宽度为4.5mm,厚度为100μm，长度分别为10，20，30，40，50，60，70mm的hec膜，测试在5m/s的风速下具有不同长度hec膜的se
‑
teng的电信号输出，可以看出hec膜长度为60mm时的电信号输出最大(对应图7)。