一种雨滴驱动平板运动的能量收集机构及方法

1.本发明涉及能量收集技术领域，具体涉及一种下落液滴驱动具有非均匀润湿性表面的平板运动的能量收集方法。


背景技术：

2.液滴撞击物体表面是自然界、工业生产和日常生活中广泛存在的现象。通过合理设计表面的润湿性形态，可以实现对液滴运动行为的操控，从而应用于喷墨打印、消防传热、自清洁和防除冰等领域。对于装饰有不同形式亲水性图案的疏水性基底表面来说，撞击后的液滴在回弹的同时会伴随有旋转和侧向偏移等运动，这主要是由于液滴在收缩过程中受到非均匀润湿性表面施加的非对称力所导致的（专利cn 110082063 a和文献li h, et al. droplets gyrating via asymmetric self-splitting on heterogeneous surfaces. nat. commun., 2019, 10, 950）。在此过程中，液滴也会对物体施加相应的反作用力，因此可以作为动力源来驱动物体实现相应的移动或转动。目前已实现对液滴运动的精确控制（专利cn 111537398 b和文献zhang t, et al. lateral motion of a droplet impacting on a wettability-patterned surface: numerical and theoretical studies. soft matter, 2021, 17, 724-737），但对于驱动物体运动的研究较少，关于液滴尺寸、撞击速度以及表面润湿性布置形式对物体运动的影响也不清楚，因此实际应用还具有非常大的挑战。
3.清洁能源的开发和利用在近年受到广泛关注，主要包括太阳能、水能和风能等。其中，利用水位落差来建造大型水力发电站是目前水能收集的主要方式，受到地域性的限制，该方法主要适用于大规模集中化的供电系统。而随着物联网、人工智能和大数据等领域的不断发展，大量的低功耗传感器网络散布在各个角落。对于一些供电困难的偏远地区来说，通过定期更换电池的形式来维持设备的运行需要消耗大量的人力物力。因此，开发清洁化、智能化和持续化的环境能量收集系统具有广阔的应用场景。雨滴能具有分布广和周期性强等特点，对其进行合理利用可以很好地解决上述设备的能量供应问题，但是由于其品味低，且缺乏对应的能量收集方法，目前还难以进行有效地利用和储存。


技术实现要素：

4.本发明针对以上问题，提出了一种雨滴驱动平板运动的能量收集机构及方法，基于液滴撞击非均匀润湿性表面并驱动平板运动的原理，将雨滴能转化为物体的动能或进一步进行发电储存的能量采集方法，以期实现偏远地区低功耗设备的持续运行。
5.本发明的技术方案为：所述能量收集机构包括水源收集器、流量控制器、平板、平板载台以及电能发生机构；所述水源收集器包括雨水收集器2以及连通在雨水收集器2下方的存储盒4，所述流量控制器的顶部连通存储盒4，并且流量控制器的底部设有针管8，从而通过针管8形成向下滴落的液滴9；
所述平板载台上固定设置有绝缘的直线导轨12以及限位板13，所述直线导轨12处在两个限位板13之间，所述平板为设有亲水性条带的疏水平板，所述平板设于两个限位板13之间，并且架设在直线导轨12上，使得平板可自由、流畅的进行直线往复运动，并且可以防止平板在自然界的不确定外力下移动到液滴下落区以外；所述平板处在针管8的下方，通过向下滴落的液滴9驱动平板在直线滑轨12上往复运动；所述电能发生机构包括用于产生磁场14的磁铁以及固定连接在平板两端的电极17，所述平板处在磁场14中，从而在平板往复运动的过程中带动电极17切割磁感线产生电能。
6.进一步的，所述平板的表面为疏水性，其接触角大于140
°
；并且平板的表面上还布置有亲水性条带，其接触角小于50
°
；从而将平板的表面分为亲水性区域11及处于亲水性区域12两侧的疏水性区域10；所述针管8的正下方为液滴下落点，初始时亲水性区域11处在液滴下落点的一侧。这样，如图2所示，随着液滴的下落，其与平板的接触面积将不断变大，从而与液滴下落点的一侧亲水性区域11接触；此后，液滴将开始回弹，从而拉动亲水性区域11带动平板平移；随着液滴的再次下落及回弹，如图5所示，即可带动平板反向平移，实现对平板往复运动的驱动。
7.并且，在液滴驱动平板平移的过程中将给液滴施加一反作用力，使得液滴回弹时不再竖直向上，而是具有一定程度的水平运动，从而离开原来的滴落区域，不至于干扰下一液滴的下落。
8.进一步的，所述疏水性区域10由疏水材料构成或经过疏水修饰得到；亲水性区域11由亲水材料构成或经过亲水修饰得到。
9.进一步的，所述的疏水和亲水修饰方法选自等离子体刻蚀、紫外臭氧处理、电纺处理或喷涂处理中的一种或几种。
10.进一步的，所述直线导轨12为带有绝缘氧化层或绝缘介电层的金属或半导体，或是不导电的无机材料。
11.进一步的，所述平板两端的电极，通过直接涂布导电胶或标准丝网印刷工艺或真空镀膜工艺进行制备。
12.所述雨水收集器2呈漏斗状，并且其底口处还设有过滤网3，来阻止自然环境中的杂物进入系统；所述存储盒4的顶部开设有进水口，所述雨水收集器2的底部插入所述进水口中。这样，漏斗底部与下方的方形存储盒相连，存储盒上方有盖，以减少因蒸发带来的水源损耗。
13.所述的流量控制器为医用输液管，包括毛细管5、滴壶6、流速调节器7和针管8，所述毛细管5的顶端插入所述存储盒4的底部，并且其底端与针管8相连接，所述滴壶6及流速调节器7串接在毛细管5中。其中毛细管和滴壶为软聚氯乙烯材质，流速调节器为塑料件，针管为不锈钢材质。通过流速调节器控制针管出口处液滴的尺寸，控制在1mm~3mm；通过调节液滴与下方平板间的距离来控制其撞击时的速度，控制在1.25m/s~1.75m/s。
14.两个电极17通过导线15连接电器元件，比如用于消耗电能的led灯泡16或用于存储电能的电容18。
15.按以下方法进行能量收集：
先通过存储盒存储雨水收集器收集到的水，再通过流速调节器控制针管出口处液滴的尺寸，并通过调节液滴与下方平板间的距离来控制其撞击时的速度；在针管底口有液滴下落之后，带动平板往复运动，从而使得电极切割磁感线产生电能，最终送入电器元件中。
16.本发明中的水源收集器和流量控制器的位置是固定，液滴以合适的尺寸和速度撞击下方平板。首先，位于撞击中心点左侧的亲水性条带会在液滴收缩的过程中对平板施加向右的作用力，从而驱动平板向右运动。当平板越过撞击中心点并继续向右运动至对应位置时，第二个液滴下落，此时的亲水性条带位于撞击中心点的右侧，因此液滴会驱动平板向左运动，直至到达初始位置，完成一个循环。此后重复上述过程，实现液滴连续撞击下平板的往复运动，将雨滴的动能转化成平板的动能。
17.所述的亲水性条带与撞击中心点间的距离为a，亲水性条带位于撞击中心点左侧时记为-a，亲水性条带位于撞击中心点右侧时记为 a。导轨上的限位器安装位置取决于a的大小，以保证撞击后铺展的液滴可以接触到亲水性条带。
18.在上述技术方案中，通过在平板周围施加垂直方向的磁场，往复运动的平板则会产生电磁感性现象，将感应电流用导线输出，即可为负载供电，也可通过电容等元器件进行电能的存储。从而将雨滴的动能转化成电能。
19.本发明所提出的方法可以对低品位的雨滴能进行有效地收集，并将其转化成动能或电能。本发明可以为偏远地区低功耗设备的持续运行提供动力，在微型设备（如机器人，巡检设施）的驱动，水力发电等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
20.图1是本案的结构示意图；图2是平板单次直线运动时的状态参考图；图3a是不同液滴直径下，平板的运动距离随撞击速度的关系图；图3b是不同液滴直径下，平板的运动距离与液滴初始动能之间的关系图；图4是不同的撞击参数下，l随a的变化的关系图；图5是平板往复运动时的状态参考图；图6是本案第一种应用方式的结构示意图；图7是本案第二种应用方式的结构示意图；图中1是雨滴，2是水源收集器，3是过滤网，4是存储盒，5是毛细管，6是滴壶，7是流速调节器，8是针管，9是液滴，10是疏水性区域，11是亲水性区域，12 是直线导轨，13是限位器；14是磁场，15是导线，16是led灯泡，17是电极，18是电容元件。
具体实施方式
21.为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
22.本发明的雨滴驱动平板运动的能量收集方法的结构如图1所示。雨滴1通过水源收集器2汇聚至下方的方形存储盒4中，为防止自然界中的杂物进入系统，在管道中安放了过
滤网3。随后，存储盒4中的水源依次通过毛细管5、滴壶6、流速调节器7和针管8而形成下落的液滴9。其中，通过流速调节器7来调节针管8出口处液滴的直径d0，通过调节针管出口与下方平板间的距离来控制其撞击时的速度u0。平板表面的润湿性是非均匀分布的，包括疏水性区域10和亲水性区域11。平板位于直线导轨12上，可左右移动。为防止平板在自然界的不确定外力下移动到液滴下落区以外，通过限位器13对其进行限制。
23.下落液滴驱动平板运动当直径为d0的液滴以速度u0撞击非均匀润湿性平板时，液滴在收缩的过程中，在亲水性条带区域受到粘附力的作用而无法及时收缩，因此整体产生横向的非对称力，在最终回弹时伴随有横向的偏移运动。在此过程中，液滴也会对平板施加反作用力，从而驱动位于导轨上的可移动平板向相反的方向运动（图2）。平板的运动距离l与液滴的直径d0，撞击速度u0以及亲水性条带与撞击中心点间的距离a有关。图3(a)为不同液滴直径下，平板的运动距离l随撞击速度的变化，图3(b)是l与液滴初始动能之间的关系；图4是在不同的撞击参数下，l随a的变化。通过对上述参数的系统性研究，掌握了平板运动的规律，因此可以根据实际的运行环境和需求，来设置合理的运行参数，以驱动微型设备（如机器人）工作。
24.下落液滴驱动平板往复运动由于部件1~9的位置是固定的，液滴的下落位置也是不变的。平板在经历第一次液滴撞击后，其位置发生变化，这对后续液滴的撞击以及平板的运动带来影响。因此，需要平板在液滴的连续撞击下，做有规律的往复运动，从而实现对能量的稳定收集。参阅图5，初始时刻的平板上的亲水性条带位于液滴撞击中心的左侧，其距离记为-a，在第一个液滴的撞击下，平板向右运动至亲水性条带与液滴撞击中心距离为 a的位置。此时，第二个液滴下落，平板向左运动直至回到初始位置（水性条带与液滴撞击中心距离为-a）。以上是平板往复运动的一个循环，后续的液滴按照相同的方式下落，从而驱动平板持续地往复运动。本实施例可用于巡检设备的运动，以扩大其工作范围。
25.本案的第一种应用方式，磁场中往复运动的平板产生电能并点亮led灯泡。
26.在平板的周围施加竖直方向的磁场14，并在金属平板的两端制备电极17并引出导线15。通过磁场中平板的往复运动产生电磁感应现象，从而在电路中出现感应电流，来点亮led灯泡16，平板下方的导轨是绝缘的（图6）。
27.本案的第二种应用方式，磁场中往复运动的平板产生电能并在电容中存储。
28.与上一种应用方式不同的是，采用电容元件18对电磁感应所产生的电能进行存储，可以进一步为其他设备供电（图7）。
29.本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。