[发明专利]一种直流液滴发电机及其制备方法

说明书

本发明公开了一种直流液滴发电机及其制备方法，其特点在于可以在任意的固体表面上构建直流液滴发电机，并将收集的液体机械能转化成具有直流特征的电能，且具有制备工艺简单，成本低廉特点。该直流液滴发电机的开路电压高达上千伏，无需电源管理电路，可以直接驱动微小电子器件工作或为储能单元充电。该直流发电机的结构同时具有发电、整流和储能的功能，开辟了基于固‑液界面水能收集的新技术，大大加速了水能收集的实用化进程；同时也是一个传感器或探针。由于该器件实现了电荷的有效分离，在液滴能量收集和自驱动传感方面具有极高的应用价值。

技术领域

本发明涉及发电技术和传感领域，特别是一种基于固-液界面的普适性发电技术和发电装置。

背景技术

能源为人类社会发展提供了不竭的动力来源，将其它形式的能源转化成高效可控电能是能源领域发展的重要方向之一。目前的发电技术仍然以传统化石能源作为主导，带来了不可忽视的气候变化和环境污染问题。新能源技术应运而生并得到了大力发展，目前主要包括水能、核能、太阳能、风能等技术，具有广阔的应用前景。其中，水覆盖了71%地球表面，可谓是无处不在。水能是一个取之不尽、用之不竭的清洁能源。现代水力发电技术利用高水位落差，将水的位能转化成电能。但是大型水力发电机存在地域性限制，并且高水位落差会严重冲刷下游河床，影响鱼类洄游繁殖，对地理和生态环境带来一定程度上干扰，具有很大的局限性。开发新型水能收集技术具有巨大的应用场景。特别是进入21世纪以来，由于物联网、大数据和人工智能的大力发展，数以千亿计分布在的物联网中的传感器网络分散在地球各处需要进行供电，能源未来发展趋势向低碳化和清洁化、分散化、智能化发展。分布式清洁水能收集技术将在未来水能收集发展中成为主流。因此，开发分布式水能收集技术具有广阔的应用场景。

自然界中其它形式的水能，如雨滴能、溪流能、波浪能、蒸发能等，目前技术仍然无法有效利用。为了推动水能采集向更为实用和广泛的分布式应用方向发展，人们开始开发基于电动力学效应、接触起电效应、静电感应效应、水伏效应等一种或多种效应耦合的原理对低品位水能进行采集。其中最具代表性之一的基于接触起电与静电感应耦合原理构建的摩擦电纳米发电机(TENG)，典型结构是将电极排列在微米级厚度的介电薄膜材料背面。电能获取是通过水与介电材料之间的界面双电层屏蔽效应，在背部感应电极上产生。随后，还报道了基于类晶体管结构的液滴发电机（DEG），尽管获得了更高的输出性能，然而需要通过水滴的上万次的连续撞击后才可以在介电薄膜表面和背部电极之间存储足够多的电荷。上述的水能收集发电机需要制备高质量低厚度的介电薄膜和背部电极，结构工艺复杂，工作条件苛刻，稳定性和实用性均受到很大的限制。此外，上述发电机输出均具有交流的特性，无法驱动直流工作的元器件，仍然需要外置电源管理电路才能进行高效直流的电输出，从而适用于驱动电子设备。引入电源管理电路后必然会提升水能收集系统的复杂性，不仅会增加额外的电路能量损耗，降低便携性和稳定性，还会大大增加成本。因此，目前水能收集发电系统距离实际应用还具有非常大的挑战。

发明内容