一种利用周期性压力变化驱动器件往复运动来发电的方法

摘要

本发明公开了一种利用周期性压力变化驱动器件往复运动来发电的方法,该方法包括：a.将具有疏水性表面且具有一段导体的器件从空气中转移到位于磁场内的水中来使得在水中在该疏水性表面上产生一层气泡；或者，将具有疏水性表面的磁铁置于被导线线圈包围的水中，并使该疏水性表面产生一层气泡；并通过对所述器件或磁铁进行配重和/或通过调整所述气泡的多少来使得该器件刚好能浮在水面上；b.周期性地改变水面上的气压，来周期性地改变所述气泡的大小，实现该器件或磁铁在水中周期性上浮/下沉运动，使得所述导体切割磁力线或者使得导线线圈中的磁通量发生变化，从而产生感应电流。

说明书

技术领域

本发明属于发电方法领域。

背景技术

发电的方式有很多种，例如传统的火电、水电等用动力驱动发电机转子旋转切割磁力线 来进行发电。或者，利用太阳能进行光伏发电，利用化学能进行发电，例如各种电池，以及 利用压电材料的压电效应进行发电。然而，上述发电方法中，仅有电池和压电材料有可能适 合于给位于人体内的器件进行供电。

植入人体内的心脏起搏器需要电池驱动才能工作，然而，电池一般只能用3-4年，最多 使用5-6年便会耗尽电能。这使得病人不得不重新做手术以更换电池，给病人带来肉体痛苦 和经济负担。因此，人们正在研究很多能够通过人体自身的运动能量或化学能来给心脏起搏 器提供能量的方法。

一种方法是利用心脏跳动的动能来实现发电，例如王中林等人报道了将具有压电效应的 氧化锌材料纳米线粘贴到心脏表面上，随着心脏的跳动，该氧化锌材料纳米线反复地被弯曲/ 拉直，通过压电效应实现发电。

本发明则另辟蹊径，试图利用人体血压在舒张压和收缩压之间的往复变化来驱动器件实 现往复运动，进而实现发电。提出了一种全新的为心脏起搏器提供电能供应的方式。

发明内容

第一方面，本发明提供了一种利用周期性压力变化驱动器件往复运动来发电的方法，包 括以下步骤：

a.提供一个具有疏水性表面且具有一段导体的器件，并通过将该器件从空气中转移到位 于磁场内的水中来使得在水中在该器件的疏水性表面上产生一层气泡；通过对所述器件进行 配重和/或通过调整所述气泡的多少来使得该器件刚好能浮在水面上；

b.周期性地改变水面上的气压，来周期性地改变所述气泡的大小，进而周期性地改变所 述器件的浮力，实现该器件在水中周期性上浮/下沉运动，使得所述导体切割磁力线，以在所 述导体的两段产生电动势。

在本发明的第一方面的实施方案中，通过在所述水中或盛水容器的周围放置磁铁来提供 所述磁场。

在本发明的第一方面的实施方案中，“配重”是指将与器件密度不同的物质放在器件上以 调整该器件的整体比重的过程。当器件本身密度小于水的密度时，常使用密度大于水的物质 进行配重；当器件本身密度大于水时，常使用密度小于水的物质进行配重。“刚好能浮在水面 上”是指这样一种状态：器件整体在水中所受的浮力仅略微大于其重力，例如在重力的 99.5-100%的范围内，优选在重力的99.8-100%的范围内，更优选在重力的99.9-100%的范围内。 通过使用配重物和/或通过调整疏水性表面上的气泡数目和大小，能够实现对器件的重力和/ 或浮力的调整和控制，以实现器件“刚好能浮在水面上”，以及根据需要实现该器件的上浮/ 下沉运动。

在本发明的第一方面的优选实施方案中，通过以下方法来提供所述疏水性表面：在所述 器件表面上贴附一层铜箔，然后将该铜箔置于氯金酸溶液中，通过无电化学沉积法在该铜箔 表面沉积一层金颗粒，然后通过气相沉积法在该金颗粒表面沉积全氟硫醇，形成所述疏水性 表面。这些沉积方法都是已知方法，可查阅相关文献而得知，此处不再赘述，实施例中也给 出了一种示例性沉积方法，可供参考。当然，也可以使用别的方法来实现所述疏水性表面。

本发明中，当将该具有疏水性表面的器件从空气中转移到水中时，该疏水性表面会捕获 水中溶解的空气而在该疏水性表面上形成一层气泡，该气泡可为该器件另外提供一些浮力。

在本发明的第一方面的优选实施方案中，步骤a中通过用鼓泡器向水中引入额外的气泡来 调整所述疏水性表面上的气泡的多少和大小。鼓入的气泡中的一部分会被所述疏水性表面捕 获，增加该疏水性表面上的气泡的数目或尺寸。其中鼓泡器是任何能够向水中引入气泡的设 备，例如可以是常规的注射器针头或者是进气管，等等。

在本发明的第一方面的优选实施方案中，其中所述周期性压力变化是在人体血压的舒张 压和收缩压范围之内进行的周期性变化。其中人体血压的舒张压正常值一般在60～80mmHg范 围内，收缩压正常值一般在100～120mmHg范围内。在本发明的验证性实验中，通过挤压常规 血压计的橡皮气囊可实现压力在人体血压的舒张压和收缩压范围之内进行周期性变化。根据 理想气体定律PV=nRT，气泡体积会随着压力增大而减小，会随着压力减小而增大，因此，随 着压力的周期性变化，疏水性表面上的气泡的尺寸也会进行周期性变化，进而浮力也会周期 性变化，通过事先调整器件的配重和/或气泡数目，使得该周期性浮力变化恰好跨越器件重力 值，则可以实现该器件随着该压力的周期性变化而在水中周期性地上浮/下沉运动。

本发明的第二方面也提供了一种利用周期性压力变化驱动器件往复运动来发电的方法， 包括以下步骤：

a.提供一个具有疏水性表面的器件，该器件为一根磁铁，并通过将该磁铁从空气中转移 到位于水箱中来使得在水中在该磁铁的疏水性表面上产生一层气泡；通过对所述磁铁进行配 重和/或通过调整所述气泡的多少来使得该磁铁刚好能浮在水面上；所述水箱周围缠绕一圈或 多圈铜丝形成一个导线线圈或螺线管；

b.周期性地改变水面上的气压，来周期性地改变所述气泡的大小，进而周期性地改变所 述磁铁的浮力，实现该磁铁在水中周期性上浮/下沉运动，引起所述导线线圈或螺线管内的磁 通量发生变化，从而在该导线线圈或者螺线管中产生感应电流。

本发明的第二方面的方法中，关于疏水性表面的制备、配重、气泡数目与大小的调整、 周期性压力变化，都与本发明的第一方面的方法相同，不再赘述。不同之处在于，第一方面 中磁场固定而导体运动，导体切割磁力线来产生电动势；而第二方面中器件本身包含一根磁 铁，故是磁场运动而导线线圈或螺线管不动，因磁场运动带来的磁通量变化使得该导线线圈 或螺线管产生感应电流。

附图说明

图1是本发明的第一方面的发电方法示意图。

图2是本发明的第一方面中器件的疏水性表面的制备过程和气泡形成过程示意图。

图3是本发明中的疏水性表面的SEM图，其中图3a是未修饰铜箔表面形貌，图3b是无电化 学沉积金颗粒后表面形貌。

图4是本发明第一方面中，因周期性压力变化推动器件周期性上浮/下沉运动切割磁力线 产生的电流图。

实施例

通过以下实施例来进一步说明本发明。实施例仅仅是示例性的，而非限制性的。

实验装置如图1所示。其中，器件为一条用聚合物材料制成的鱼，以下简称“鱼”，该聚 合物材料的密度为0.965g/cm³。按照以下步骤进行实验：

1、在该“鱼”的上表面插入两根0.3-0.5g的直径为1.0mm的铜丝两根，其目的为对“鱼” 进行配重；

2、取干净的铜箔，用去离子水清洗表面，然后向该铜箔表面滴一滴铬酸，再用去离子水 冲洗，重复3次，用N₂吹干。将干净的铜箔贴在“鱼”的上表面凹槽中；

3、配制氯金酸溶液（4mg/ml）：将1g的氯金酸放入500ml的烧杯中，加入250ml的去离 子水，搅拌均匀，此时溶液呈现黄色；

4、将“鱼”浸入到氯金酸溶液中在室温条件下无电化学沉积20～30min，在上述铜箔表面 沉积一层Au颗粒。取出该鱼放入去离子水中1～2min后，再取出，用N₂吹干。

5、将“鱼”放入到表面皿中，表面皿中放入一个25*25的称量瓶，加入适量的全氟硫醇， 其分子式为HS(CH₂)₂(CF₂)₇CF₃，在40℃下气相沉积2h，在前述Au颗粒上沉积一层全氟硫醇， 即可得疏水性表面。

6、在“鱼”的下表面用三条细铜箔将直径0.023mm银丝固定好，银丝16～18cm，鱼的两 端银丝长度一样，用铜箔将银丝的两端与0.08mm的铜丝相连，放入到气密性良好的有机玻璃 水箱中，两端铜丝通过中间位置的两个孔穿出与电化学工作站连接，该电化学工作站能够检 测并记录所产生的电流。水箱两侧分别设置永磁铁以在水箱内建立磁场。

7、用粘有双面胶的玻璃片粘住上述两个孔，保证该水箱密封良好。向水箱中倒入水直至 接近水箱上部两个支口。上部两个支口连接到常规血压计中间，即一个支口连接到常规血压 计的橡皮气囊，一个支口连接至液柱型压力计。当“鱼”浸没在水中时，可以观测到疏水性 表面上附有一层气泡膜，另外在“鱼”的疏水性表面附近用细针管往超疏水表面附近注入气 泡，使得疏水性表面捕获更多的气泡，直至“鱼”刚好能够上浮运动。将有机玻璃水箱上口 用橡胶塞盖好，确保其气密性良好。

8、用手反复挤压橡皮气囊，同时观察液柱型压力计示出的压力读数，该读数即为密闭水 箱内的气压，控制该气压在人体血压的舒张压和收缩压范围内变化，以模拟人体血管内的压 力环境。实验中，通过周期性地挤压该橡皮气囊，能够实现压力在50～100mmHg范围内周期 性变化，较为稳定的变化区间为60～80mmHg。当然，如果需要的话，换用不同材质的气囊， 也能可以实现在其它范围内的压力变化。根据理想气体状态方程PV=nRT，在加大压力时，

“鱼”表面的气膜体积收缩，“鱼”的比重增大，使其做下沉运动；减小压力到常压时，气 膜体积膨胀，“鱼”的比重减小，“鱼”做上浮运动。运动过程中粘在“鱼”表面的导线切 割磁感线，产生电流发电，得到的电流如图4所示。可见，使用本发明的方法，能够得到周 期性的电流。