一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件及其制备方法和应用

本发明属于能量转换功能器件领域，尤其涉及一种太阳能增强的水相变驱动混合发电器件及其制备方法和应用。

背景技术：

1、寻找新的发电技术对于满足全球日益增长的能源需求并减少对传统化石燃料的依赖至关重要。最近，由于其可再生性、可持续性、自发性和普遍存在性，水光伏发电效应已引起了广泛的研究关注。到目前为止，各种各样的基于水光伏的能量收集器已经应用于瞬时电源、传感器和自供电系统等关键领域。然而，仅仅通过蒸腾作用产生的水光伏效应并不能充分利用水中储存的潜能，特别是在蒸发和其他相变过程中释放的热能。虽然热电材料可以捕获通过热波动释放的能量，但由于水在常温环境下的蒸发速度较慢，其相变能量难以有效收集。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的这些缺点，本发明公开一种耦合水相变能收集功能的发电器件，能收集并转化水资源中的能量为电能，从而充分利用被浪费的能量，同时有效地提高发电器件的输出。本发明采用的技术方案是：

2、一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件，包括水伏发电/光热材料层、热释电发电材料层和供水层，所述热释电发电材料层位于所述水伏发电/光热材料层的下面，所述供水层的内段位于所述水伏发电/光热材料层和热释电发电材料层之间且抵接所述水伏发电/光热材料层的亲水端，所述供水层的外段超出所述热释电发电材料层没入水中。

3、进一步地，所述水伏发电/光热材料层包括亲水性的基层，基层的一面负载疏水性的ccb/pvdf层，所述基层被疏水化的部分和全部ccb/pvdf层为疏水端，所述基层未被疏水化的部分为所述亲水端。其目的在于始终保持所述水伏发电/光热材料层两端水的浓度差，如此所述水伏发电/光热材料层表现出双层不对称性的亲疏水性，从而实现优异的水汽产率和光热转换效率，实现持续发电。

4、进一步地，所述供水层和所述基层为亲水性竹纤维纸，所述供水层的宽度与水伏发电/光热材料层的宽度之比为1∶2。使用此宽度比值的竹纤维纸，其目的在于平衡蒸发速率与供水速率，为热释电发电材料层提供较大的温度波动。

5、进一步地，所述热释电发电材料层为极化后镀银的pvdf薄膜，厚度为52 μm并被防水胶带封装；所述热释电发电材料层的宽度与水伏发电/光热材料层的宽度之比为2∶3。

6、进一步地，还包括浮体，所述水伏发电/光热材料层和热释电发电材料层通过双面胶带固定在所述浮体的上表面，所述供水层的外段超出所述浮体没入水中。

7、本发明还公开一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件的制备方法，包括水伏发电/光热材料层的制备，包括如下步骤：

8、将ccb与pvdf在丙酮中搅拌并超声分散；

9、将步骤①的悬浮液通过雾化层积的方式在基层的一面上形成多层堆积的ccb/pvdf层；

10、将步骤②的复合材料在常温下干燥，随后将其靠近一端的一段置于疏水粘结剂中进行疏水化处理。

11、进一步地，在步骤①中，所述ccb与pvdf的质量比为1∶2。

12、进一步地，在步骤②中，所述ccb/pvdf层的表面负载密度为1 mg/cm2。

13、进一步地，在步骤③中，所述疏水粘结剂中为pvdf超声分散于丙酮后形成的悬浮液，pvdf与丙酮的质量比为1∶20。

14、本发明还要求保护这一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件在电能收集和制备中的应用。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、高效能量转换：本发明的混合发电器件能够同时收集太阳能和水相变过程中的能量，实现了对水相变能量的高效转换，提高了整体的能量利用效率。

17、结构创新：通过独特的双层不对称结构设计，本发明的水伏发电/光热材料层展现出优异的水汽产率和光热转换效率，同时保持了结构的简单性和易于工业化生产的特点。

18、材料选择与优化：选用卡博特碳黑与聚偏二氟乙烯（pvdf）作为水伏发电/光热材料，以及高度极化的pvdf薄膜作为热释电材料，这些材料的选择和优化提升了器件的性能和稳定性。

19、环境适应性：器件能够在不同的光照条件下工作，包括太阳光下和黑暗环境，显示了良好的环境适应性和稳定的电能输出。

20、易于组装与部署：通过简化的组装步骤和使用常见的材料，本发明的混合发电器件便于大规模生产和快速部署，有助于快速推广应用。

21、成本效益：利用商业可获得的材料和简单的制备工艺，本发明的器件具有较低的生产成本，有利于促进其在市场上的广泛应用。

22、可持续性：作为一种可再生能源技术，本发明的混合发电器件有助于减少对传统化石燃料的依赖，推动可持续能源技术的发展。

23、实用性：本发明不仅理论上可行，而且在实验测试中表现出了良好的发电性能，证明了其在实际应用中的潜力，如为小型电子设备供电。

24、扩展性：本发明的设计允许进一步的改进和优化，如通过改变材料组合、调整结构设计或引入新的制备技术，以适应不同的应用需求和提高性能。

25、环境友好：使用亲水性竹纤维纸作为供水层，本发明展现了对环境友好的设计考量，有助于推动绿色能源技术的发展。

技术特征：

1.一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件，其特征在于，包括水伏发电/光热材料层（1）、热释电发电材料层（2）和供水层（3），所述热释电发电材料层（2）位于所述水伏发电/光热材料层（1）的下面，所述供水层（3）的内段位于所述水伏发电/光热材料层（1）和热释电发电材料层（2）之间且抵接所述水伏发电/光热材料层（1）的亲水端（14），所述供水层（3）的外段超出所述热释电发电材料层（2）没入水中。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件，其特征在于，所述水伏发电/光热材料层（1）包括亲水性的基层（11），基层（11）的一面负载疏水性的ccb/pvdf层（12），所述基层（11）被疏水化的部分和全部ccb/pvdf层（12）为疏水端（13），所述基层（11）未被疏水化的部分为所述亲水端（14）。

3.根据权利要求2所述的一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件，其特征在于，所述供水层（3）和所述基层（11）为亲水性竹纤维纸，所述供水层（3）的宽度与水伏发电/光热材料层（1）的宽度之比为1∶2。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件，其特征在于，所述热释电发电材料层（2）为极化后镀银的pvdf薄膜，厚度为52 μm并被防水胶带封装；所述热释电发电材料层（2）的宽度与水伏发电/光热材料层（1）的宽度之比为2∶3。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件，其特征在于，还包括浮体（4），所述水伏发电/光热材料层（1）和热释电发电材料层（2）通过双面胶带固定在所述浮体（4）的上表面，所述供水层（3）的外段超出所述浮体（4）没入水中。

6.权利要求1-5任一项所述的一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件的制备方法，包括水伏发电/光热材料层（1）的制备，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件的制备方法，其特征在于，在步骤①中，所述ccb与pvdf的质量比为1∶2。

8.根据权利要求6所述的一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件的制备方法，其特征在于，在步骤②中，所述ccb/pvdf层（12）的表面负载密度为1 mg/cm2。

9.根据权利要求6所述的一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件的制备方法，其特征在于，在步骤③中，所述疏水粘结剂中为pvdf超声分散于丙酮后形成的悬浮液，pvdf与丙酮的质量比为1∶20。

10.一种太阳能强化的水相变驱动混合发电器件在电能收集和制备中的应用。

技术总结本发明属于能量转换功能器件领域，涉及一种太阳能增强的水相变驱动混合发电器件及其制备方法和应用。该器件由碳基水伏发电及光热材料和聚合物基热释电材料耦合构成。水伏发电及光热材料由卡博特碳黑与聚偏二氟乙烯雾化层积负载在亲水纤维纸上，形成单侧亲水且双层不对称结构；热释电材料则选用高度极化的PVDF薄膜。该混合发电器件能够收集太阳光照射下水的相变能量及水相变过程中引发的温度波动能量，实现能量的充分回收转换。本发明简单，易于工业化生产，可大规模推广，对水相变过程中的能量进行有效回收利用，具有高效、实用和稳定性的特点。技术研发人员：李海涛,程辉,肖富来,赵俊凤,戴菡受保护的技术使用者：烟台南山学院技术研发日：技术公布日：2024/11/14