一种双驱水伏发电机的制备方法

技术领域

本发明涉及水伏发电机制备领域，尤其是一种双驱水伏发电机的制备方法。

背景技术

水力发电机组作用是将河川、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，经水轮机推动发电机发电，具体的过程为：在水流的冲击作用下，水轮机开始旋转，将水的位能转换为机械能；水轮机又带动同轴相连的发电机旋转，在励磁电流的作用下，旋转的转子带动励磁磁场旋转，发电机的定子绕组切割励磁磁力线在其中产生感应电动势，在输出电能的同时会在转子上产生一个与其旋转方向相反的电磁制动转矩。由于水流不间断地作用于水轮机，水轮机从水流中获得的旋转力矩用于克服电机转子上产生的电磁制动转矩，当两个力矩达到平衡时，水力发电机组将以某一恒定的转速运转，稳定地发出电力，实现能量的转换。水力发电机组一般由水轮机、发电机、调速器、励磁系统、冷却系统和电站控制设备等组成。常用的水轮机有冲击式和反击式两种，发电机大部分采用同步发电机，其转速较低，一般均在750r/min以下，磁极数较多，结构尺寸和重量都较大。小型水力发电机的冷却主要采用空气冷却，以通风系统向发电机定、转子以及铁心表面进行冷却。但随着单机容量的增长，定、转子的热负荷不断提高，为了在一定转速下提高发电机单位体积的输出功率，大容量水力发电机采用了定、转子绕组直接水冷的方式。传统的水能利用模式受自然条件的限制大，容易被地形、气候等外部因素所影响，大型设施设备的建造和使用容易导致生态破坏和成本提升。

纳米材料具有显著的量子效应和表面效应，可与各种形式的水发生耦合而输出显著的电信号，如石墨烯可通过双电层的边界运动将拖动和下落水滴的能量直接转化为电能、也可将海水波动能转化为电能。碳黑等纳米结构材料可通过大气环境下无所不在的水的自然蒸发，持续产生伏级的电能。这类直接转化水能为电能的现象称为“水伏效应”。水伏效应为全链条式捕获地球水循环的水能开辟了全新的方向，提升了水能利用能力。水伏效应的研究刚刚起步，需要开发应用环境多样化、能量转化高效、发电成本低廉的新材料、新器件与新系统。

发明内容

本发明提出一种双驱水伏发电机的制备方法，用以代替传统的水力发电机的功能与位置，为水能应用提供新的形式。水伏发电机利用的能量形式是传统的水的重力势能，驱动力为重力与毛细力，发电原理为水伏效应，利用水的定向移动产生流动电势，并非传统水力发电机利用机械能带动磁感线的切割产生电能。另外，利用水伏发电机特有的极性区别，可以构筑双驱水伏发电机。

本发明采用如下技术方案：

一种双驱水伏发电机的制备方法，包括如下步骤：

(1)将乙基纤维素、氧化铝纳米颗粒和氧化铝纳米纤维放入无水乙醇中加热搅拌，获得均匀的浆料，将浆料放入固定的氧化铝陶瓷模型中，在两端安置并固定好折叠电极；

(2)将填满浆料的氧化铝陶瓷模型放入马弗炉中，在空气氛围中退火，自然冷却至室温，得到氧化铝基水伏发电机功能区；

(3)将氧化铝基水伏发电机功能区取出，除顶端及底端外，在功能区四周涂覆密封层，并与固定层连接紧密，作为第一发电机；

(4)将乙基纤维素、二氧化硅纳米颗粒和二氧化硅纳米纤维放入无水乙醇中加热搅拌，获得均匀的浆料，将浆料放入固定的氧化铝陶瓷模型中，在两端安置并固定好折叠电极；

(5)将填满浆料的氧化铝陶瓷模型放入马弗炉中，在空气氛围中退火，自然冷却至室温，得到二氧化硅基水伏发电机功能区；

(6)将二氧化硅基水伏发电机功能区取出，除顶端及底端外，在功能区四周涂覆密封层，并与固定层连接紧密，作为第二发电机；

(7)第一发动机底端引出电极与第二发动机底端引出电极分别与主负载一端连接；

(8)第一发动机顶端引出电极与第二发动机顶端引出电极分别与副负载一端连接，或者直接以导线相连。

步骤(1)中的氧化铝纳米颗粒与氧化铝纳米纤维的质量比例为1∶0.01-1∶100，氧化铝纳米颗粒与乙基纤维素的质量比例为1∶0.1-1∶20，氧化铝纳米颗粒与无水乙醇的质量比例范围为1∶1-1∶200，氧化铝纳米颗粒平均尺寸为20nm-50μm，氧化铝纳米纤维直径为10-1000nm，长度为10-500μm，加热温度为20-80℃，搅拌时间为0.5-12h，氧化铝陶瓷模型呈立方体状，顶端开口，折叠电极为石墨、石墨烯、碳纳米管或导电碳纤维材料构成的薄膜，薄膜厚度为10nm-1mm，电极呈折叠状，电极整体的长度与宽度对应于氧化铝陶瓷模型的内部长度与内部宽度，折叠电极相邻顶点间距为1mm-1cm，折叠电极具有引出端，用于电能输出。

步骤(2)中退火温度为150-450℃，退火时间在30min-24h。

步骤(3)中密封层采用硅酮密封胶或有机硅胶粘剂防止水分子从四周渗出，顶部的去离子水在重力作用下通过氧化铝基水伏发电机功能区从底部流出。

步骤(4)中的二氧化硅纳米颗粒与二氧化硅纳米纤维的质量比例为1∶0.01-1∶100，二氧化硅纳米颗粒与乙基纤维素的质量比例为1∶0.1-1∶20，二氧化硅纳米颗粒与无水乙醇的质量比例范围为1∶1-1∶200，二氧化硅纳米颗粒平均尺寸为20nm-50μm，二氧化硅纳米纤维直径为10-1000nm，长度为10-500μm，加热温度为20-80℃，搅拌时间为0.5-12h，氧化铝陶瓷模型呈立方体状，顶端开口，折叠电极为石墨、石墨烯、碳纳米管或导电碳纤维材料构成的薄膜，薄膜厚度为10nm-1mm，电极呈折叠状，电极整体的长度与宽度对应于氧化铝陶瓷模型的内部长度与内部宽度，折叠电极相邻顶点间距为1mm-1cm，折叠电极具有引出端，用于电能输出。

步骤(5)中的退火温度为150-450℃，退火时间在30min-24h。

步骤(6)中的密封层采用硅酮密封胶或有机硅胶粘剂防止水分子从四周渗出，顶部的去离子水在重力作用下通过二氧化硅基水伏发电机功能区从底部流出。

步骤(7)中的第一发动机底端引出电极与第二发动机底端引出电极分别与主负载一端连接，原因为底端是水流经发电机的终端，是电荷的集中地，适合作为主要的电能输出端。

本发明具有如下优势：

(1)本发明方法制备的水伏发电机能够依靠水流定向移动产生电能，用以代替传统的水力发电机的功能与位置，为水能应用提供新的形式。

(2)纳米纤维与纳米颗粒的钢筋混凝土结构使得水伏发电机功能区的机械性能优良。

(3)水伏发电机自带水冷作用，不需要额外的冷却装置。

(4)双驱水伏发电机的第一发动机底端与第二发动机底端皆为电荷集中端，并且所属电荷正负相反，采用双驱水伏发电机形式能够形成串联叠加作用，增大输出功率。

(5)本发明所述方法制备工艺简单，所用材料易得，对设备的要求较低，易于工业化。

附图说明

图1为双驱水伏发电机结构示意图，1为第一发动机顶端引出电极，2为第一发动机底端引出电极，3为氧化铝纳米颗粒，4为氧化铝纳米纤维，5为防水层，6为固定层，7为入水口，8为出水口，9为第二发动机顶端引出电极，10为第二发动机底端引出电极，11为氧化硅纳米颗粒，12为氧化硅纳米纤维，13为主负载，14为副负载。

图2为双驱水伏发电机功能示意图。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

(1)将质量比为1∶10∶4∶20的乙基纤维素、氧化铝纳米颗粒、氧化铝纳米纤维与无水乙醇中混合并加热搅拌，温度为80℃，时间为2小时，获得均匀的浆料，氧化铝纳米颗粒平均尺寸为100nm，氧化铝纳米纤维直径为20nm，长度为20-200μm。

(2)将浆料放入顶端开口的立方体状的氧化铝陶瓷模型中，在两端安置并固定好石墨烯基折叠电极，石墨烯薄膜的厚度为100nm，电极呈折叠状，折叠电极相邻顶点间距为10mm，电极整体的长度与宽度对应于氧化铝陶瓷模型的内部长度与内部宽度，折叠电极具有引出端，用于电能输出。

(3)将填满浆料的氧化铝陶瓷模型放入马弗炉中，在空气氛围中退火，温度为370℃，时间为2小时，自然冷却至室温，得到氧化铝基水伏发电机功能区。

(4)将氧化铝基水伏发电机功能区取出，除顶端及底端外，在功能区四周涂覆硅酮密封胶，防止水分子从四周渗出，并与固定层连接紧密，作为第一发电机。

(5)将质量比为1∶10∶4∶20的乙基纤维素、二氧化硅纳米颗粒、二氧化硅纳米纤维与无水乙醇中混合并加热搅拌，温度为80℃，时间为2小时，获得均匀的浆料，二氧化硅纳米颗粒平均尺寸为100nm，二氧化硅纳米纤维直径为20nm，长度为20-200μm。

(6)将浆料放入顶端开口的立方体状的氧化铝陶瓷模型中，在两端安置并固定好石墨烯基折叠电极，石墨烯薄膜的厚度为100nm，电极呈折叠状，折叠电极相邻顶点间距为10mm，电极整体的长度与宽度对应于氧化铝陶瓷模型的内部长度与内部宽度，折叠电极具有引出端，用于电能输出。

(7)将填满浆料的氧化铝陶瓷模型放入马弗炉中，在空气氛围中退火，温度为370℃，时间为2小时，自然冷却至室温，得到二氧化硅基水伏发电机功能区。

(8)将二氧化硅基水伏发电机功能区取出，除顶端及底端外，在功能区四周涂覆硅酮密封胶，防止水分子从四周渗出，并与固定层连接紧密，作为第二发电机。

(9)第一发动机底端引出电极与第二发动机底端引出电极分别与主负载一端连接。

(10)第一发动机顶端引出电极与第二发动机顶端引出电极直接以导线相连。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。