一种基于图案化表面的仿生睡莲结构雾水收集发电装置

1.本发明属于雾水收集技术领域，具体涉及一种基于图案化表面的仿生睡莲结构雾水收集发电装置。


背景技术：

2.针对淡水资源的匮乏这一难题，目前解决方案有海水淡化、废水回收再利用，海水淡化对能源和地理环境具有较高的依赖性，而废水回收再利用的成本和工艺等难题限制了该项技术的应用。
3.而空气中散布着地球上1/3左右的不含盐分的水，开发这些无法直接使用的水，已经被视作解决水资源问题的重要方法之一。而且从空气中获取雾水的方式，不会造成其他污染而且耗能较低。许多生物进化出了相应的结构，如沙漠中的仙人掌依靠簇状的锥状刺和毛状体形成分布良好的阵列，以此很好地进行雾水收集；蜘蛛丝表面的纺锤型结构可以在水汽凝结后实现液滴移动；肾蕨的叶子纹路可以在集水过程中降低集水的障碍使集水更加高效化；还有沙漠甲虫通过一层蜡层覆盖的超疏水表皮和间隔排布的无蜡层覆盖的亲水小突起表皮组成的背部，轻松实现水滴的快速成核、聚并和脱离过程。
4.公开号为cn206800513u的专利文件公开了一种适用于野外全地形的新型雾水收集装置，采用了导向尾翼结构，能够使雾水收集网总是垂直于风向以获得较好的集水效果，但收集网表面容易积累杂质降低集水效果。
5.公开号为cn107063781a的专利文件公开了一种利用半导体制冷芯片的雾水收集装置，但使用制冷片数量多，需要户外电源长时间稳定供电。
6.因此现有的集水装置不足以实现高效且自动的集水功能，首先，部分装置由于雾水收集膜展开体积过大而不适合多样性的工作环境；其次，收集膜还会受到粉尘或杂物等影响，进而导致效率降低；最后，有些具备加热与降温装置的雾水收集器需要外接动力源提供能量，不适合全地形多环境的工作。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于图案化表面的仿生睡莲结构雾水收集发电装置。本装置由水滴发电供电于冷凝装置和仿生花瓣结构的运动，冷凝装置为花瓣表面降温加快水汽冷凝成液滴，通过集水图案和仿生花瓣结构的运动加速液滴汇集以及脱落，将汇集的水滴进行水滴发电供电于冷凝装置和仿生花瓣结构，循环往复，实现高效的自动集水功能。
8.具体方案如下：一种基于图案化表面的仿生睡莲结构雾水收集发电装置，包括用于汇集凝结雾水的花瓣结构、水滴发电系统、蓄水容器，水滴发电系统设于蓄水容器上方，水滴发电系统包括至少一组水滴发电装置，花瓣结构包括花瓣和花蕊，花蕊设于水滴发电系统的上方，花瓣设于花蕊边部，花蕊上设有由水滴发电系统供电的半导体制冷片，且花蕊上开设有向水滴
发电系统提供水滴的第一开孔，第一开孔与水滴发电装置连通。
9.当水滴发电装置的数量为2-5组时，水滴发电装置与水滴发电装置之间叠加连通，水滴发电装置包括套筒、发电装置和水滴管，发电装置设于套筒内，花蕊上的第一开孔下接最上方一组水滴发电装置的水滴管，套筒与套筒之间叠加连接，套筒下端面开设有第二开孔，最下方的套筒的第二开孔与蓄水容器连通，其余第二开孔下接水滴管，所有水滴管下端分别向下延伸至对应的发电装置的正上方。
10.进一步地，花瓣结构由良好导热材质制成，花瓣结构的花瓣展开时花瓣与水平面夹角控制在120
°‑
150
°
之间，收拢时控制在90
°‑
100
°
，使得液滴重心偏移，提高相同位置垂直液滴高度以增大水滴接触角，使液滴更易脱落。花瓣数取决于花蕊的尺寸和花瓣面积大小，在尺寸允许条件下越多的花瓣数和越大的花瓣面积，集水效率就越高。
11.进一步地，花瓣的内表面均匀分布有等腰三角形状的亲水部分，其余部分为超疏水部分，等腰三角形的顶角朝外，顶角角度为10
°‑
30
°
，此时拉普拉斯压力作用效果明显，等腰三角形的高度为10-15mm，控制一个液滴在刚好脱离的尺寸范围边上，加快液滴脱离而不过度逗留于表面，花瓣的外表面为超疏水和亲水条纹相互交替，亲水条纹的宽度为5-15mm，使液滴的尺寸在可以刚好滑落的范围中，保证液滴不过度逗留于表面。
12.进一步地，半导体制冷片采用12706半导体制冷片，工作环境为-55～83℃。体积小，重量轻，大大节约使用面积，最大制冷功率7.8w，用于降低花瓣表面温度进一步地，发电装置包括铝电极和铟锡氧化物电极，铟锡氧化物电极上涂覆有聚四氟乙烯涂层，铝电极和铟锡氧化物电极的正上方分别设有水滴管，水滴撞击发电装置表面时摩擦产生电荷，而聚四氟乙烯能长期储存高密度电荷，当液滴同时滴落至铝电极和聚四氟乙烯表面时，铝电极和铟锡氧化物电极连通放电。
13.进一步地，水滴管与发电装置之间的距离差为100-200mm时，在考虑整体大小的限制下使得水滴势能利用率最大，水滴管采用内外双层管结构，可以二次使用液滴，提高发电效率。
14.进一步地，花瓣通过控制花瓣活动的电机设于花蕊边部，蓄水容器外设蓄电池，蓄电池包括整合储存发电装置产生的电流的整流模块和控制电机通电的计时模块，发电装置通过蓄电池分别与半导体制冷片和电机连接。
15.一种基于图案化表面的仿生睡莲结构雾水收集发电装置，使用方法如下：1） 打开蓄电池开关，连通电源，供电给半导体制冷片使花瓣表面温度低于环境温度，环境中的水汽便会慢慢冷凝于花瓣表面形成液滴，花瓣11内表面的亲水部分是三角形，受拉普拉斯压力及重力作用，液滴会移动到亲水三角形底边区域聚成大液滴，最后脱离亲水区，流入花蕊区，外表面集水图案将冷凝的液滴汇集于亲水部分，顺着下侧条状集水图案流入花蕊区；2）花蕊区的滴液通过水滴管流入上方套筒内，滴落至发电装置表面，发电装置表面的聚四氟乙烯开始储存高电荷，当液滴同时滴落至铝电极和聚四氟乙烯表面时，积累的电荷被释放，产生电流，经过整流模块存储于蓄电池中，供电于半导体制冷片和花瓣上的电机，计时模块计时结束时电机开始带动花瓣做合拢动作，增大接触角，使得花瓣上液滴更易流入花蕊区，提高集水效率，水滴完成一次撞击后落入下方套筒内进行二次撞击，然后通过下方套筒进入蓄水容器中进行收集；
3） 当电机完成一次合拢运动后便停止工作计时模块重新开始计时，花瓣被重新落下，环境中水汽重新慢慢冷凝于睡莲花瓣表面形成液滴，循环往复实现自驱动收集雾水。
16.本发明的有益效果在于：（1）本发明采用水滴发电技术为集水装置的自驱动提供了能量，通过滴管设计液滴控制积累电荷的时间以及放电的时间点，可以将水滴势能转化为电能，供电于雾水收集的冷却系统和仿生睡莲结构的运动，提高液滴冷凝以及脱落速率。由此间接提高了水滴汇集速度，进而提高了水滴发电的效率，再反作用于冷却系统和仿生睡莲结构，最终实现集水装置的自动化和高效化。
17.（2）本发明的仿生睡莲收拢与张开结构，由于当收拢时水滴的接触角变大，液滴更易滑落汇集到花蕊区，同时因为水滴的积累会在一定程度上降低花瓣表面换热系数，及时的对水滴进行彻底的清理能更大的增加表面换热速率，使得雾水更好的受到冷却而凝结成液滴，增强了凝水速率进而增强了集水速率。此外水滴滑落过程中可以将花瓣表面积累的灰尘等杂质一并带走，再加上花瓣闭合运动提高了清洁效果，实现集水表面的自清洁。
18.（3）本发明的集水图案结合多种生物集水结构，采用了等腰三角形亲水形状，一方面通过亲疏水性的不同实现液滴汇集，另一方面通过拉普拉斯压力提高了液滴在重力作用下往底边汇集的速率。根据上下侧面的不同曲面状况采用两种不同的集水图案样式，灵活的解决了下侧面积浪费问题。
附图说明
19.图1为本发明的立体结构示意图；图2为本发明的花瓣结构的结构示意图；图3为本发明的水滴发电系统的剖视图；图4为本发明的发电装置和水滴管的结构示意图；图5为本发明的发电装置的原理示意图；图6为花瓣内表面图案及水滴流向示意图；图7为花瓣外表面图案及水滴流向示意图。
20.图中：1、花瓣结构；11、花瓣；12、花蕊；121、半导体制冷片；122、第一开孔；13、电机；2、水滴发电系统；21、水滴发电装置；211、套筒；2111、第二开孔；212、发电装置；213、水滴管；3、蓄水容器；4、蓄电池。
具体实施方式
21.下面结合本发明实施例和说明书附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.如图1到图4所示，一种基于图案化表面的仿生睡莲结构雾水收集发电装置，包括花瓣结构1、水滴发电系统2、蓄水容器3和蓄电池4，花瓣结构1包括花瓣11和花蕊12，花瓣11
通过电机13安装在花蕊12的边部，花蕊12的上表面安装有多个半导体制冷片121，导体制冷片121采用12706半导体制冷片121，工作环境为-55～83℃，同时花蕊12上开设有多个第一开孔122，图中的水滴发电系统2包括两组水滴发电装置21，每组水滴发电装置21包括套筒211、发电装置212和多个水滴管213，发电装置212设于套筒211内，花蕊12安装在上方套筒211的上端，第一开孔122下接一组水滴管213， 水滴管213的下端延伸至发电装置212的正上方，上方套筒211的下端面开设有第二开孔2111，第二开孔2111下接另一组水滴管213，该组水滴管213下端延伸至下方套筒211内的发电装置212的正上方，水滴管213为双层管结构，发电装置212为环形deg发电设备，其中心处装有铝电极，铝电极上方的水滴管213的外管口径小于其它水滴管213的外管口径，铝电极上方的水滴管213保证每5-10s滴落一滴，保证每次间隔时间足够电荷基本饱和，其它水滴管213环状设于发电装置212上方，保证每秒1到2滴，目的使得每一滴水滴从发电装置212滑落后下一滴水滴才滴落至表面，实现水滴利用最大化。每滴水滴保持在100μl左右。水滴管213距离发电装置212的高度差为100-200mm，每片花瓣11的面积为400-600平方毫米，花瓣11展开时花瓣11与水平面夹角控制在120
°‑
150
°
之间，收拢时控制在90
°‑
100
°
，蓄水容器3外设蓄电池4，蓄电池4包括整合储存发电装置212产生的电流的整流模块和控制电机13通电的计时模块，发电装置212通过蓄电池分别与半导体制冷片121和电机13连接。
24.如图5所示，液滴撞击聚四氟乙烯（ptfe）表面时液滴摩擦起电，产生的电荷能够不断在ptfe膜中积累，直至饱和。ptfe表面带有一定电荷的情况时，由于静电感应，使得铟锡氧化物（ito）会带有等量的正电荷，此时电路是断开的；当水滴同时滴落到ptfe表面和铝电极时，水滴导通了铝电极和ito两个电极之间的通路，使ito的正电荷向铝极电转移，产生了电流；当水滴滑落后，电路再次断开，随着液滴继续撞击ptfe表面，继续积累电荷，等待下一滴水的导通。
25.如图6所示，花瓣内表面均匀分布有等腰三角形状的亲水部分，其余部分为超疏水部分，等腰三角形的顶角朝外，顶角角度为10-30
°
，等腰三角形的高度为10-15mm。如图所示，当重力作用不足以使液滴滑落时，亲水区边缘的超疏水区的水滴会往亲水区移动，亲水区的液滴会往三角形底边汇集，继而滑落，其余超疏水区的液滴继续积累至滑落，部分直接汇集到花蕊区，部分进入滑落方向上的亲水区内，与亲水区的液滴汇集，最终滑落到花蕊区。
26.如图7所示，花瓣11的外表面为超疏水和亲水条纹相互交替，亲水条纹的宽度为5-15mm。如图所示，当重力作用不足以使液滴滑落时，亲水区边缘的超疏水区的水滴会往亲水区移动，亲水区的液滴汇集足够大时将沿亲水条纹滑落至花蕊区，未进入亲水区的液滴继续积累到直接滑落至花蕊区。
27.一种基于图案化表面的仿生睡莲结构雾水收集发电装置，使用方法如下：1） 打开蓄电池4开关，连通电源，供电给半导体制冷片121使花瓣11表面温度低于环境温度，当温度达到露点温度时环境中的水汽便会慢慢冷凝于花瓣11表面形成液滴，花瓣11内表面的亲水部分是三角形，受拉普拉斯压力及重力作用，液滴会移动到亲水三角形底边区域聚成大液滴，最后脱离亲水区，流入花蕊12区，外表面集水图案将冷凝的液滴汇集于亲水部分，顺着下侧条状集水图案流入花蕊12区；2）花蕊12区的滴液通过水滴管213流入上方套筒211内，滴落至发电装置212表面，
发电装置212表面的聚四氟乙烯开始储存高电荷，当液滴同时滴落至铝电极和聚四氟乙烯表面时，积累的电荷被释放，产生电流，经过整流模块存储于蓄电池4中，供电于半导体制冷片121和花瓣11上的电机13，计时模块计时结束时电机13开始带动花瓣做合拢动作，增大接触角，使得花瓣11上液滴更易流入花蕊12区，提高集水效率，水滴完成一次撞击后落入下方套筒211内进行二次撞击，然后通过下方套筒211进入蓄水容器3中进行收集；3）当电机13完成一次合拢运动后便停止工作计时模块重新开始计时，花瓣11被重新落下，环境中水汽重新慢慢冷凝于睡莲花瓣11表面形成液滴，循环往复实现自驱动收集雾水。
28.对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。