基于水-离子液体混合物的海洋微功耗器件供电装置及方法

本发明涉及发电，特别涉及一种基于水-离子液体混合物的海洋微功耗器件供电装置及方法。

背景技术：

1、随着陆地资源的日益紧张，对海洋的探索和开发成为了大势所趋。为了加强对海洋环境的了解，智慧海洋战略应运而生。智慧海洋的发展需要大量分布式海洋传感器节点，由于这些传感器属于微功耗器件，且需要在极长时间内稳定工作，如何满足其能源需求成为了亟需解决的难题。

2、目前主要采用电池为海洋传感器供电，但传统电池的寿命制约了传感器的运行期限，而太阳能电池板在海洋环境中则会受到盐雾腐蚀等影响，大大降低其光电转换性能。摩擦纳米发电机最近也被应用于海洋传感器供能，但由于其低电流和高内阻的特点，依然难以被实际应用。

3、离子渗透发电是另一种可行的方式，其原理为在源动力驱动下，离子经纳米多孔离子选择膜定向迁移产生电流，具有装置简单、无污染、可长期运行等多种优点。近年来，有关离子液体渗透发电技术快速发展，为微功耗器件供电带来了新的可能。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出了一种基于水-离子液体混合物的海洋微功耗器件供电装置及方法，可实现长期稳定工作。

2、本发明的目的是通过以下技术方案予以实现：

3、一种基于水-离子液体混合物的海洋微功耗器件供电装置，包括渗透发电模块、充电及储能模块和数据监测及信号传输模块；

4、渗透发电模块，由多个渗透发电单元串联组成，每个渗透发电单元包括：

5、第一溶液腔室和第二溶液腔室，用于盛放水-离子液体混合物，常温下第一溶液腔室中为水富集相，第二溶液腔室中为离子液体富集相，两个腔室之间存在离子液体浓度梯度，腔室壁可以将太阳能转换为热能，热量经内壁流入混合物，使其温度上升，两相逐渐融合，促使离子液体离子从第二溶液腔室经过纳米通道向第一溶液腔室定向迁移；

6、纳米多孔离子选择膜，其位于第一溶液腔室与第二溶液腔室之间，纳米多孔离子选择膜上具有丰富的纳米通道；

7、第一电极和第二电极，分别置于第一溶液腔室与第二溶液腔室之中，其通过氧化还原反应，将离子通量转换为电子电流；

8、金属导线，其用于串联相邻的渗透发电单元；

9、充电及储能模块，包括，

10、正反接双作用充电电路，其与渗透发电单元及储能元件相连接，用于调节渗透发电模块输出的电流并对储能元件充电；

11、储能元件，其与数据监测及信号传输单元相连接，储存渗透发电模块所产生的电能，并为数据监测及信号传输单元进行供电；

12、数据监测及信号传输模块，包括，

13、监测传感器，用于监测环境参数；

14、无线传输器，其与监测传感器相连，通过无线电信号将测量数据向外传输。

15、所述的基于水-离子液体混合物的海洋微功耗器件供电装置，其中，所述的水-离子液体混合物具有上临界共溶温度，常温时上层为水相富集相，下层为离子液体富集相，两相之间具有离子液体浓度梯度，随着水-离子液体混合物温度升高，两相逐渐融合，浓度梯度逐渐减小，当超过上临界共溶温度时两相完全融合。

16、所述的基于水-离子液体混合物的海洋微功耗器件供电装置，其中，所述的第一溶液腔室和第二溶液腔室为双层壁，内层壁的外表面有太阳光吸收涂层，其光吸收率超过95％，热发射率低于10％，外层壁为高透光材料，两层之间为真空层，溶液腔室壁吸收太阳辐射，并将太阳能转换为热能。

17、所述的基于水-离子液体混合物的海洋微功耗器件供电装置，其中，所述的纳米多孔离子选择膜为阳离子选择膜，具有高度有序排列的大量纳米通道，同时具有超过100mpa的极限强度以及良好的刚性。

18、所述的基于水-离子液体混合物的海洋微功耗器件供电装置，其中，所述的纳米多孔离子选择膜上的纳米通道具有非均匀分布的表面官能团，靠近第一溶液腔室侧的官能团排布更密集，靠近第二溶液腔室侧的官能团排布更稀疏。

19、所述的基于水-离子液体混合物的海洋微功耗器件供电装置，其中，所述的第一电极和第二电极采用铁-亚铁氰化物电极、碳电极或ag/agcl电极。

20、所述的基于水-离子液体混合物的海洋微功耗器件供电装置，其中，所述的正反接双作用充电电路，可以对渗透发电模块输出电流进行调节，无论电流方向正反，均可调节为同一方向电流并输出。

21、所述的基于水-离子液体混合物的海洋微功耗器件供电装置，其中，所述的储能元件采用电容器、超级电容器或蓄电池。

22、所述的基于水-离子液体混合物的海洋微功耗器件供电装置，其中，所述的监测传感器可以测量海洋环境参数，并通过无线传输模块发射信号。

23、根据本发明的另一方面，一种基于水-离子液体混合物的海洋微功耗器件供电装置的使用方法包括以下步骤，

24、第一步，常温下，第一溶液腔室为水富集相，第二溶液腔室为离子液体富集相，两相之间具有离子液体浓度梯度；

25、第二步，日间，经太阳光照射，两个溶液腔室中水-离子液体混合物温度提升，两相逐渐融合，第二溶液腔室中的离子液体阳离子，经纳米多孔离子选择膜快速进入第一溶液腔室中，形成正向离子通量，第一电极和第二电极通过氧化还原反应，将正向离子通量转化为正向电流，渗透发电模块输出正向电流，经正反接双作用充电电路对储能元件充电；

26、第三步，夜间，光照消失，水-离子液体混合物温度降低至上临界温度之下，发生相分离，在此过程中，第一溶液腔室中的离子液体阳离子经纳米多孔离子选择膜返回第二溶液腔室，形成反向离子通量，第一电极和第二电极通过氧化还原反应，将反向离子通量转换为反向电流，渗透发电模块输出反向电流，经正反接双作用充电电路调节为正向电流后，对储能元件充电；

27、第四步，温度降至室温后，系统回归初始状态，第一溶液腔室中重新变为水富集相，第二溶液腔室重新变为离子液体富集相；

28、第五步，储能元件输出稳定的电流，对监测传感器和无线传输器供电，无线传输器对外发射监测传感器测得数据。

29、和现有技术相比，本发明具有以下优点：利用了部分水-离子液体混合物具有上临界共溶温度的特点，常温下水-离子液体混合物分为两相，具有不同的离子液体浓度，但随着混合物温度升高，两相逐渐融合，从而驱动离子液体迁移进行发电。当温度下降后，两相逐渐分离，又驱动阳离子反向迁移产生反向电流，并最终使系统返回初态。同时由于多孔纳米离子选择膜高度有序的通道分布，以及非均匀的官能团分布设计，离子导电能力和选择性远大于传统离子交换膜。由于引入正反接双作用充电电路，反向电流也被用于充电过程，增加了发电量。此外，由于离子液体杰出的稳定性，以及纳米多孔离子选择膜优良的机械强度和刚性，可实现长期稳定工作。

30、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。