CN103868001A

CN103868001A - 路灯装置

Info

Publication number: CN103868001A
Application number: CN201210543512.3A
Authority: CN
Inventors: 徐传毅; 王中林
Original assignee: Nano New Energy Tangshan Co Ltd
Current assignee: Nano New Energy Tangshan Co Ltd
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: CN103868001B

Abstract

本发明公开了一种路灯装置，用以解决现有技术中由都市供电系统进行供电的路灯存在的电能消耗大、且路灯周边马路上行走的车辆和行人所产生的机械能被浪费的问题。该路灯装置包括：路灯本体、纳米摩擦发电机和蓄电装置，其中，所述纳米摩擦发电机设置于所述路灯本体相邻的路面上，与所述蓄电装置电连接，用于将机械能转化为电能；所述蓄电装置还与所述路灯本体电连接，用于将所述电能提供给路灯本体供电。

Description

路灯装置

技术领域

本发明涉及电路领域，特别涉及一种路灯装置。

背景技术

路灯是人们夜间行走时必不可少的照明工具。目前，路灯通常是由都市供电系统提供的市电电源进行供电的。

一方面，随着路灯的大量普及，路灯照明所消耗的电能非常大。具体地，由于路灯数量庞大（动辄数万座甚至数十万座），而且，路灯照明时间长，一般需要从傍晚一直照亮到黎明，因此，数量众多的路灯整晚整晚地持续照明需要消耗大量的电能。在我国城市电能本来就不富裕的前提下，大量路灯的持续照明所消耗的电量，在城市的总供电量中，占据了不容忽视的比例。

另一方面，路灯周边的马路上不时路过的车辆和行人会对路面形成挤压，从而产生机械能。每天，路灯周边的马路上都会路过形形色色的车辆和行人，这些车辆和行人在行走时所产生的机械能是非常可观的。但是，这部分机械能目前并没有得到合理的利用，而是白白损失掉了。

由此可见，目前常见的由都市供电系统进行供电的路灯存在着电能消耗大、且路灯周边马路上行走的车辆和行人所产生的机械能被浪费的问题。

发明内容

本发明提供了一种路灯装置，用以解决现有技术中由都市供电系统进行供电的路灯存在的电能消耗大、且路灯周边马路上行走的车辆和行人所产生的机械能被浪费的问题。

一种路灯装置，包括：路灯本体、纳米摩擦发电机和蓄电装置，其中，所述纳米摩擦发电机设置于所述路灯本体相邻的路面上，与所述蓄电装置电连接，用于将机械能转化为电能；所述蓄电装置还与所述路灯本体电连接，用于将所述电能提供给路灯本体供电。

本发明实施例中，通过设置在路面上的纳米摩擦发电机将行人或车辆行走时对地面的压力所产生的机械能转化为电能，并通过蓄电装置对纳米摩擦发电机所产生的电能进行必要的处理后提供给路灯，从而实现路灯的照明。因此，本发明实施例中的路灯无需浪费都市供电系统的电能，大大节约了能耗，而且，路灯周边马路上行走的车辆和行人所产生的机械能被路灯周边的纳米摩擦发电机转化为电能从而实现对路灯的供电，因此，既使得路灯周边马路上行走的车辆和行人所产生的机械能得到了合理的利用，又节约了路灯的能耗。

附图说明

图1示出了本发明实施例提供的路灯装置的结构示意图；

图2a示出了当路灯本体是位于十字路口的红绿灯时纳米摩擦发电机的位置示意图；

图2b示出了当路灯本体是位于马路两侧的路灯时纳米摩擦发电机的位置示意图；

图3示出了本发明实施例提供的路灯装置内部的蓄电装置的结构示意图；

图4示出了本发明实施例提供的路灯装置包含第一控制开关时的结构示意图；

图5示出了本发明实施例提供的路灯装置包含市电电源时的结构示意图；

图6示出了本发明实施例提供的路灯装置由电路控制器控制市电电源和蓄电装置时的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的路灯装置内部的纳米摩擦发电机一种具体实施方式的立体示意图；

图8为本发明图7纳米摩擦发电机的剖面示意图；

图9为本发明实施例提供的路灯装置内部的纳米摩擦发电机另一种具体实施方式的立体示意图；

图10为本发明图9纳米摩擦发电机的剖面示意图；

图11为本发明生长有氧化锌纳米线的硅基底示意图；

图12为本发明涂覆PVDF的硅基底示意图；

图13为本发明基底分离示意图；

图14为本发明实施例提供的路灯装置内部的纳米摩擦发电机又一种具体实施方式的立体示意图；

图15为本发明图14纳米摩擦发电机的剖面示意图；

图16为本发明实施例提供的路灯装置内部的纳米摩擦发电机再一种具体实施方式的立体示意图；

图17为本发明图16纳米摩擦发电机的剖面示意图。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明,但本发明并不仅仅限于此。

本发明提供了一种路灯装置，可以解决现有技术中由都市供电系统进行供电的路灯存在的电能消耗大、且路灯周边马路上行走的车辆和行人所产生的机械能被浪费的问题。

图1示出了本发明实施例提供的路灯装置，包括：路灯本体61、纳米摩擦发电机63和蓄电装置62，其中，纳米摩擦发电机63设置于路灯本体61相邻的路面上，与蓄电装置62电连接，用于将机械能转化为电能；蓄电装置62还与路灯本体61电连接，用于将纳米摩擦发电机63产生的电能提供给路灯本体61供电；路灯本体61通常包括路灯座、路灯杆和路灯，蓄电装置62主要是与路灯电连接。

其中，为了提高发电量，纳米摩擦发电机63可以设置为多个并联的纳米摩擦发电机，这多个并联的纳米摩擦发电机可以分别设置在位于路灯本体61不同方位的路面上，以便从各个方向过来的车辆或行人都可以触发纳米摩擦发电机发电。例如，当路灯本体61是位于十字路口的红绿灯时，可以在路灯本体61的东南西北四个方向上分别设置四个或四组纳米摩擦发电机63，如图2a所示；当路灯本体61是位于马路两侧的路灯时，可以在路灯本体61朝向马路的一侧设置一个或一组纳米摩擦发电机63，如图2b所示。

关于纳米摩擦发电机63的具体结构和工作原理将在后面给予详细的描述，下面先简单介绍一下本发明实施例中的蓄电装置62。

蓄电装置62可以设置在路灯本体的路灯座内部，蓄电装置62的输入端与纳米摩擦发电机63的输出端相连，蓄电装置62的输出端与路灯本体61内部的路灯相连。

由于纳米摩擦发电机63所产生的电能通常为不稳定的交流电，因此，蓄电装置62的主要作用在于将不稳定的交流电转变为恒定电压的电能，从而为路灯供电。图3示出了蓄电装置62的结构示意图，如图3所示，蓄电装置62通常包括：降压变压器621、交直流转换器622、储能元件623以及升压变压器624。其中，降压变压器621的输入端与纳米摩擦发电机63的输出端相连，用于对纳米摩擦发电机63产生的电能进行降压处理，由于纳米摩擦发电机63为高功率的纳米摩擦发电机，因此，产生的电能的电压通常比较高，因此，需要由降压变压器621进行降压，经降压变压器621处理后的电信号依然为交流电信号。降压变压器621的输出端与交直流转换器622相连，交直流转换器622主要用于将降压变压器621处理后的交流电转换为直流电，以便于储能元件623存储。储能元件623中存储的是直流电能，为了将该直流电能提供给外部电器供电，还需要由升压变压器624对储能元件中存储的电能进行升压处理。升压变压器输出的电压由路灯的额定电压决定。

上述的交直流转换器622进一步包括：整流电路6221、滤波电路6222以及稳压电路6223。其中，整流电路6221用于对降压变压器621输出的交流电能进行整流，从而把大小和方向都随时间变化的交流电转变为方向不随时间变化，大小随时间变化的单相脉动直流电。滤波电路6222，用于将整流电路6221输出的单相脉动直流电中剩余的交流分量滤除，从而得到相对比较稳定的直流电。稳压电路6223，用于对滤波电路6222输出的比较稳定的直流电进一步进行稳压处理，得到恒定的电压信号。具体地，整流电路6221、滤波电路6222和稳压电路6223的具体电路器件和参数可根据需要进行灵活地设计。

本领域技术人员还可以根据需要对上述的蓄电装置的结构进行调整，只要蓄电装置输出的电能与路灯的额定电流电压相匹配即可。

上述的储能元件623可以灵活选用锂电池、镍氢电池、超级电容等元件实现，只要能够实现储能的目的即可。

另外，为了控制路灯的亮灭，本发明实施例提供的路灯装置还可以进一步包括第一控制开关60，该第一控制开关60设置在蓄电装置62和路灯本体61之间，如图4所示。当希望路灯点亮时，开启第一控制开关，当希望路灯熄灭时，关闭第一控制开关。其中，第一控制开关可以是由用户手动操作的按钮开关，或者，也可以是定时开关，例如，由定时控制电路控制第一控制开关每天晚上八点开启，早晨六点关闭等。

另外，由于有些路段行人稀少，导致纳米摩擦发电机63产生的电量可能不足以持续供给路灯照明。为此，本发明实施例提供的路灯装置还可以进一步通过市电电源供电。如图5所示，路灯本体61进一步与市电电源64连接，用于通过市电电源64供电。为了控制市电电源64何时向路灯供电，还可以在市电电源64和路灯本体61之间设置第二控制开关65。

优选地，为了实现路灯由市电电源64或纳米发电机63供电的效果，也可以通过一个电路控制器来代替图4和图5中的第一控制开关及第二控制开关。如图6所示，电路控制器66具有两个输入端和一个输出端，两个输入端分别与蓄电装置62和市电电源64相连，输出端与路灯本体61相连。其中，两个输入端为二选一输入端，例如，可以通过一个单刀双掷开关来实现二选一的输入端。如图6所示，当单刀双掷开关扳向上方时，上面的输入端发挥作用，由市电电源进行供电；当单刀双掷开关扳向下方时，下面的输入端发挥作用，由蓄电装置进行供电。

或者，上述的电路控制器也可以通过检测蓄电装置的电量是否充足来决定供电方式。例如，当检测到蓄电装置电量充足时，由蓄电装置对路灯供电；当检测到蓄电装置电量不足时，由市电电源对路灯供电。具体地，可以通过软件的计算机程序或硬件的电路芯片来控制上述的检测过程，或者，也可以通过继电器来实现上述的电路控制器的功能。例如，如果希望纳米摩擦发电机优先供电，当纳米摩擦发电机产生的电能不足时再由市电电源供电，则可以将继电器的常开点与蓄电装置的输出端连接，常闭点与市电电源的输出端连接。这样，当蓄电装置的电量充足时，由蓄电装置进行供电；当蓄电装置电量不足而没有输出电压时，继电器失电转入常闭点从而由市电电源供电。

上面描述的电路控制器仅为示意性的，本领域技术人员还可以根据实际需求选取其他的电路器件实现对蓄电装置和市电电源的控制。或者，也可以设置为市电电源优先供电，当市电电源停电时由蓄电装置进行应急供电等。通过纳米摩擦发电机和市电电源为路灯供电提供了双重保障，避免了因停电等故障造成的路灯不亮的情况。而且，通过纳米摩擦发电机的使用，可以充分收集车辆或行人产生的机械能，将其转化为电能，从而实现了路灯的自给供电，既节约了能耗，又干净环保。

在发明本实施例提供的路灯装置中，纳米摩擦发电机是最核心的部件，正是由于本实施例中的纳米摩擦发电机采用了高功率的纳米摩擦发电机，才得以实现对路灯的供电。

下面详细介绍一下本发明实施例提供的纳米摩擦发电机的具体结构。

下面详细介绍一下本发明实施例提供的路灯装置中的纳米摩擦发电机的具体结构。

本发明实施例提供的路灯装置中的纳米摩擦发电机是一种高功率纳米摩擦发电机，当该摩擦发电机的各层向下弯曲时，摩擦发电机中的摩擦电极层与高分子聚合物层表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极和摩擦电极层之间的电容发生改变，从而导致第一电极和摩擦电极层之间出现电势差。由于第一电极层和摩擦电极层之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当该摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，这时形成在第一电极层和摩擦电极层之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层和摩擦电极层之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。

本发明的路灯装置中的纳米摩擦发电机采用具有多个纳米孔的高分子聚合物层与摩擦电极层进行摩擦，由于设置的纳米孔使得高分子聚合物层表面粗糙度增加，增加了摩擦电量；另外，每一个纳米孔相当于一个微型电容，能够起到存储电荷的作用，避免了摩擦电在瞬间释放，从而增加了第一电极层和摩擦电极层之间的电势差，电压和电流输出高，实现了摩擦发电机的高能量输出。

如图7和8所示，本发明一种具体实施方式的高功率纳米摩擦发电机，包括依次层叠设置的第一电极层1，高分子聚合物层2，以及摩擦电极层3；高分子聚合物层2的相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4；其中，摩擦电极层3包括摩擦薄膜层31和第二电极层32，所述摩擦薄膜层31相对高分子聚合物层2设置。所述高分子聚合物绝缘层2与摩擦薄膜层31的相对表面接触摩擦，并在第一电极层1和第二电极层32处感应出电荷；所述第一电极层1和第二电极层32为摩擦发电机的电压和电流输出电极，即摩擦发电机的输出端。

第一电极层1和第二电极层32对所用材料没有特殊规定，能够形成导电层的材料都在本发明的保护范围之内，例如是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。本发明优选的第一电极层1和第二电极层32材料是铜或铝，厚度为0.05-0.2mm。

在本实施方式中，高分子聚合物层2所用材料是聚偏氟乙烯（PVDF），其厚度为0.5-1.2mm（优选1mm），且其相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4。每个纳米孔4的尺寸，即宽度和深度，可以根据应用的需要进行选择，优选的纳米孔4的尺寸为：宽度为10-100nm以及深度为4-50μm。这些多个纳米孔4可以均匀也可以不均匀的分布在摩擦电极层3的面上，优选纳米孔4均匀的分布在摩擦电极层3的面上，纳米孔4的数量可以根据需要的输出电流值和电压值进行调整，优选的这些多个纳米孔4是孔间距为2-30μm的均匀分布，更优选的平均孔间距为9μm的均匀分布。

摩擦薄膜层31所用材料可以是纤维薄膜（纸）或聚氯乙烯（PVC）等，厚度为0.2-1.5mm。摩擦薄膜层31所用材料优选铜版纸或牛皮纸等，市售的各种规格的铜版纸或牛皮纸均可应用于本发明，更优选的是规格100-250g/m2的铜版纸和规格80～120g/m2的牛皮纸。采用纤维薄膜（纸）作为摩擦薄膜层31，使得整个摩擦发电机的成本得到了极大的降低。

根据发明人的研究发现，要提高纳米摩擦发电机的能量输出，相互接触的摩擦层的两种材料的配对是一种非常重要的影响因素。例如，纸与聚偏氟乙烯薄膜（PVDF）摩擦时，输出的功率和电压高。

如图9和10所示，本发明另一种具体实施方式的高功率纳米摩擦发电机，包括依次层叠设置的第一电极层1，高分子聚合物层2，以及摩擦电极层3；高分子聚合物层2的相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4。所述高分子聚合物绝缘层2与摩擦电极层3的相对表面接触摩擦，并在第一电极层1和摩擦电极层3处感应出电荷；所述第一电极层1和摩擦电极层3为摩擦发电机的电压和电流输出电极。

第一电极层1对所用材料没有特殊规定，能够形成导电层的材料都在本发明的保护范围之内，例如是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。本发明优选的第一电极层1材料是铜或铝，厚度为0.05-0.2mm。

在本实施方式中，高分子聚合物层2所用材料是聚偏氟乙烯（PVDF），其厚度为0.5-1.2mm（优选1.0mm），且其相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4。其中，每个纳米孔4的尺寸，即宽度和深度，可以根据应用的需要进行选择，优选的纳米孔4的尺寸为：宽度为10-100nm以及深度为4-50μm。这些多个纳米孔4可以均匀也可以不均匀的分布在摩擦电极层3的面上，优选纳米孔4均匀的分布在摩擦电极层3的面上，纳米孔4的数量可以根据需要的输出电流值和电压值进行调整，优选的这些多个纳米孔4是孔间距为2-30μm的均匀分布，更优选的平均孔间距为9μm的均匀分布。

根据发明人的研究发现，金属与高分子聚合物摩擦，金属更易失去电子，因此采用金属电极与高分子聚合物摩擦也能提高能量输出。因此，优选的摩擦电极层3所用材料是金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金，更优选的摩擦电极层3材料是铜或铝，厚度为0.05-0.2mm。

下面详细说明上述高功率纳米摩擦发电机的制备方法。该方法包括如下步骤：

（1）制备具有纳米线的基底

在基底的一个表面上垂直生长氧化锌纳米线，得到具有纳米线的基底。

本发明可以使用的基底可以是硅基底，镀金或镀铬的玻璃基底等。

本发明采用常规水热法生长氧化锌纳米线阵列，例如采用环六亚甲基四胺（HMTA）和硝酸锌六水合物（ZnNO3·6(H2O)）的混合物作为培养液，在适当的温度例如80-95℃下，在硅基底上生长氧化锌纳米线阵列。具体的，在一个具体实施方式中，采用常规喷射溅镀在硅基底的一个面上生成一个厚度30-50nm的氧化锌种子层。采用0.1mol/L浓度的由等摩尔的环六亚甲基四胺（HMTA）和硝酸锌六水合物（ZnNO3·6(H2O)）组成的培养液，将硅基底的生成有氧化锌种子层的面朝下，放在培养液顶部，在85℃下在机械对流加热炉（型号：Yama toDKN400，加利福尼亚，圣克拉拉）中生长，用去离子水冲洗生长有氧化锌纳米线的硅基底并在空气中干燥，得到氧化锌纳米线阵列。本发明对氧化锌纳米线的断面形状没有特殊要求，规则矩形、六边形、圆形或正方形等均可以应用于本发明。如图11所示，是生长有圆形断面的氧化锌纳米线的硅基底的示意图。应当理解的是，本领域技术人员容易根据需要的氧化锌纳米线的宽度，深度以及间距，调整纳米氧化锌线的生长工艺条件，例如培养液浓度，生长温度和时间，使得所得氧化锌纳米线阵列优选的均匀分布，且满足使用要求，例如延长生长时间改变氧化锌纳米线的宽度和长度。

（2）制备具有纳米孔的高分子聚合物薄膜

将聚合物材料的溶液涂覆于生长有氧化锌纳米线的基底上，固化成高分子聚合物膜，然后分离基底，去除氧化锌纳米线，得到具有纳米孔的高分子聚合物薄膜。

本发明所述固化是指：将聚合物材料溶液中的溶剂挥发掉，形成聚合物薄膜。常规干燥，加热蒸发（例如水浴加热）的方法均可以应用于本发明。

具体的，将PVDF用二甲基甲酰胺（DMF）溶解PVDF，然后超声处理，直至PVDF全部溶解；将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在步骤（1）制备的硅基底表面，涂覆完毕后真空干燥。图12所示是涂覆有聚合物材料的硅基底（生长有氧化锌纳米线）示意图。

干燥后，将硅基底移除，图13所示是基底分离示意图。然后采用酸蚀刻法将氧化锌纳米线酸蚀掉，具体的，采用稀盐酸、稀硫酸或稀硝酸等常规无机酸，将氧化锌纳米线腐蚀掉，得到具有多个纳米孔的高分子聚合物薄膜。

（3）制成纳米摩擦发电机

将步骤（2）所得的具有纳米孔的高分子聚合物薄膜作为高分子聚合物层，依次层叠设置第一电极层1，高分子聚合物层2，以及摩擦电极层3，得到纳米摩擦发电机。将该摩擦发电机的边缘用普通胶布密封。

可以采用常规现有技术在高分子聚合物层2上设置第一电极层1，例如在高分子聚合物层2上粘贴第一电极层1，或者通过化学沉积或物理沉积的方法（例如射频溅镀，蒸镀等方法）在高分子聚合物层2上沉积第一电极层1。

当摩擦电极层3包括层叠设置的摩擦薄膜层31和第二电极层32时，在摩擦薄膜层31上设置第二电极层32的方法也可以是粘贴，化学沉积或物理沉积等方法。

根据纳米摩擦发电机的工作原理,在发电机工作的过程中，两个摩擦面需要不断的接触摩擦和分离，而一直处于接触状态或者分离状态时，发电机则不能具有很好的输出性能。因此，为了能够制作出性能优异的发电机，发明人对发电机的结构进行了改进。如图14和15所示的拱形的高功率纳米摩擦发电机，包括依次层叠设置的第一电极层1，高分子聚合物层2，以及摩擦电极层3；高分子聚合物层2的相对摩擦电极层的面上设有多个纳米孔4；摩擦电极层3包括摩擦薄膜层31和第二电极层32，所述摩擦薄膜层31相对高分子聚合物层2设置。其中，所述摩擦电极层3作为一个整体相对高分子聚合物层2向外拱起形成凸面，并在摩擦电极层3与高分子聚合物层2之间形成间隙，使两个摩擦面在不受力的情况下能够自动弹起。除摩擦电极层3形成凸面外，图14和15所示的高功率纳米摩擦发电机的各层结构与图7所示的高功率纳米摩擦发电机相同，因此第一电极层1，高分子聚合物层2，摩擦电极层3以及纳米孔4各层的适用选择可以参考上文，这里不再赘述。

如图16和17所示的拱形结构高功率纳米摩擦发电机，其包括依次层叠设置的第一电极层1，高分子聚合物层2，以及摩擦电极层3；高分子聚合物层2的相对摩擦电极层的面上设有多个纳米孔4。其中，所述摩擦电极层3相对高分子聚合物层2向外拱起形成凸面，并在摩擦电极层3与高分子聚合物层2之间形成间隙，使两个摩擦面在不受力的情况下能够自动弹起。图16和17所示的高功率纳米摩擦发电机的各层结构与图9所示的高功率纳米摩擦发电机相同，因此第一电极层1，高分子聚合物层2，摩擦电极层3以及纳米孔4各层的适用选择可以参考上文，这里不再赘述。

虽然上文仅示例性描述了摩擦电极层3向外拱起的拱形的高功率纳米摩擦发电机，应当理解的是，基于本发明的优选实施方式，本领域技术人员根据很容易实现高分子聚合物层2相对摩擦电极层3向外拱起形成凸面，并在摩擦电极层3与高分子聚合物层2之间形成间隙，使两个摩擦面在不受力的情况下能够自动弹起。因此，本发明的保护范围是摩擦电极层和高分子聚合物层中的至少一个向外拱起形成凸面，使得摩擦电极层与高分子聚合物层之间形成间隙。在一个具体实施方式中，依照高分子聚合物层2与摩擦电极层3的长度比为21:20或20：21，得到了拱形的高功率纳米摩擦发电机。

下面详细说明拱形结构高功率纳米摩擦发电机的制备方法，步骤（1）制备具有纳米线的基底与步骤制备具有纳米孔的高分子聚合物薄膜（2）与上文所述相同，这里不再赘述，下面仅详细说明步骤（3）：

a.将第一电极层1设置到高分子聚合物层2上，形成第一电极层1-高分子聚合物层2的层叠体。

b.将摩擦电极层3放置到步骤a所得层叠体的高分子聚合物层2上，并且将所述层叠体与摩擦电极层3的一端固定。

具体的，例如所述层叠体与摩擦电极层3是矩形时，采用胶布粘贴或者热封的方法将层叠体与摩擦电极层3的短边端中的其中一个固定。

c.将摩擦电极层3拱起，然后将层叠体与摩擦电极层3的固定端的相对端进行固定。

具体的，例如所述层叠体与摩擦电极层3是矩形时，将层叠体与摩擦电极层3的另一个短边端固定。

下面通过具体的实施例来阐述本发明提供的路灯装置中的纳米摩擦发电机的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本发明权利要求范围的限制。

实施例1

如图7和8所示，本实施例高功率纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm（长度）×1.2cm（宽度），其包括依次层叠设置的第一电极层1（0.1mm厚的铝层），高分子聚合物层2（1mm厚的聚偏氟乙烯），以及摩擦电极层3。摩擦电极层3包括摩擦薄膜层31（1.0mm厚的铜版纸（规格200g/m²））和第二电极层32（0.1mm厚的铜层），所述摩擦薄膜层31相对高分子聚合物层2设置。高分子聚合物层2的相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4（宽度约为60nm，深度约为8μm，以及孔间距平均为9μm）。所述第一电极层1和第二电极层32为摩擦发电机的电压和电流输出电极。

下面详细说明该高功率纳米摩擦发电机的制备方法。

（1）制备具有纳米线的基底

采用常规喷射溅镀在硅基底的一个面上生成厚度40nm的氧化锌种子层。采用0.1mol/L浓度的由等摩尔的环六亚甲基四胺（HMTA）和硝酸锌六水合物（ZnNO₃·6(H₂O)）组成的培养液，将硅基底的生成有氧化锌种子层的面朝下，放在培养液顶部，在85℃下在机械对流加热炉（型号：Yama to DKN400，加利福尼亚，圣克拉拉）中生长6小时，用去离子水冲洗生长有氧化锌纳米线的硅基底并在空气中干燥，得到的氧化锌纳米线阵列。

（2）制备具有纳米孔的高分子聚合物薄膜

将PVDF放入烧杯中，然后将二甲基甲酰胺（DMF）加入到烧杯中溶解PVDF，得到浓度11.7wt%的PVDF溶液。然后将烧杯用保鲜膜封住，超声处理30min，PVDF全部溶解，然后待用。

将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在步骤（1）制备的硅基底的生长有纳米氧化锌线的表面，涂覆完毕后在80℃进行真空干燥。

干燥完成后，将硅基底移除。然后采用浓度3wt%的稀盐酸将氧化锌纳米线酸蚀掉，得到PVDF聚合物薄膜，其中该薄膜一个表面上具有的纳米孔为：宽度约为60nm，深度约为8μm，以及孔间距平均为9μm。

（3）制成纳米摩擦发电机

将步骤（2）所得的具有纳米孔的高分子聚合物薄膜作为高分子聚合物层，将0.1mm厚的铝层粘贴在高分子聚合物层2上，得到第一电极层1-高分子聚合物层2的层叠体；将0.1mm厚的铜层粘贴在铜版纸上，得到摩擦电极层3。按照高分子聚合物层2相对铜版纸，将摩擦电极层3放置到上述层叠体上，然后边缘用普通胶布密封，得到纳米摩擦发电机1#。

该摩擦发电机1#在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征。使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机1#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机1#的最大输出电压和电流信号分别达到了800V和750μA。

实施例2-3

实施例2和3采用与实施例1基本相同的方法进行制备，不同之处列于下表：

表1

使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机2#和3#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机2#的最大输出电压和电流信号分别达到了900V和850μA，摩擦发电机3#的最大输出电压和电流信号分别达到了680V和450μA。

实施例4聚合物与金属摩擦，非拱形

如图9和10所示，本实施例高功率纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm（长度）×1.2cm（宽度），其包括依次层叠设置的第一电极层1（0.1mm厚的铝层），高分子聚合物层2（1mm厚的聚偏氟乙烯），以及摩擦电极层3（0.1mm厚的铜层）。高分子聚合物层2的相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4（宽度约为60nm，深度约为8μm，以及平均孔间距为9μm）。所述第一电极层1和摩擦电极层3为摩擦发电机的电压和电流输出电极。

下面详细说明该高功率纳米摩擦发电机的制备方法。

（1）制备具有纳米线的基底

采用常规喷射溅镀在硅基底的一个面上生成厚度40nm的氧化锌种子层。采用0.1mol/L浓度的由等摩尔的环六亚甲基四胺（HMTA）和硝酸锌六水合物（ZnNO₃·6(H₂O)）组成的培养液，将硅基底的生成有氧化锌种子层的面朝下，放在培养液顶部，在85℃下在机械对流加热炉（型号：Yamato DKN400，加利福尼亚，圣克拉拉）中生长6小时，用去离子水冲洗生长有氧化锌纳米线的硅基底并在空气中干燥，得到的氧化锌纳米线阵列。

（2）制备具有纳米孔的高分子聚合物薄膜

干燥完成后，将硅基底移除。然后采用浓度3wt%的稀硫酸将氧化锌纳米线酸蚀掉，得到PVDF聚合物薄膜，其中该薄膜一个表面上具有的纳米孔为：宽度约为60nm，深度约为8μm，以及平均孔间距为9μm。

（3）制成纳米摩擦发电机

将步骤（2）所得的具有纳米孔的高分子聚合物薄膜作为高分子聚合物层，将0.1mm厚的铝层粘贴在高分子聚合物层2上，得到第一电极层1-高分子聚合物层2的层叠体。按照高分子聚合物层2相对摩擦电极层3，将摩擦电极层3放置到上述层叠体上，然后边缘用普通胶布密封，得到纳米摩擦发电机4#。

该摩擦发电机4#在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征。使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机4#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机4#的最大输出电压和电流信号分别达到了120V和90μA。

实施例5-6

实施例5和6采用与实施例4基本相同的方法进行制备，不同之处列于下表：

表2

使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机5#和6#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机5#的最大输出电压和电流信号分别达到了280V和1750μA，摩擦发电机6#的最大输出电压和电流信号分别达到了226V和162μA。

实施例7

如图14和15所示，本实施例高功率纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm（长度）×1.2cm（宽度），其包括依次层叠设置的第一电极层1（0.1mm厚的铝层），高分子聚合物层2（1mm厚的聚偏氟乙烯），以及摩擦电极层3。摩擦电极层3包括摩擦薄膜层31（1.0mm厚的铜版纸（规格200g/m²）和第二电极层32（0.1mm厚的铜层），所述摩擦薄膜层31相对高分子聚合物层2设置。高分子聚合物层2的相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4（宽度约为60nm，深度约为8μm，以及平均孔间距为9μm）。所述第一电极层1和第二电极层32为摩擦发电机的电压和电流输出电极。所述摩擦电极层3作为一个整体相对高分子聚合物层2向外拱起形成凸面，并在摩擦电极层3与高分子聚合物层2之间形成间隙，使两个摩擦面在不受力的情况下能够自动弹起。

下面详细说明该拱形结构高功率纳米摩擦发电机的制备方法。

（1）制备具有纳米线的基底

（2）制备具有纳米孔的高分子聚合物薄膜

干燥完成后，将硅基底移除。然后采用浓度3wt%的稀盐酸将氧化锌纳米线酸蚀掉，得到PVDF聚合物薄膜，其中该薄膜一个表面上具有的纳米孔为：宽度约为60nm，深度约为8μm，以及平均孔间距为9μm。

（3）制成纳米摩擦发电机

将步骤（2）所得的具有纳米孔的高分子聚合物薄膜作为高分子聚合物层，将0.1mm厚的铝层粘贴在高分子聚合物层2上，得到第一电极层1-高分子聚合物层2的层叠体；将0.1mm厚的铜层粘贴在铜版纸上，得到摩擦电极层3。

依照摩擦电极层3与高分子聚合物层2的长度比为21:20，将摩擦电极层3放置到层叠体的高分子聚合物层2上，并将它们的一个短边端对齐，采用常规热封的方法将该对齐的短边端固定。将摩擦电极层3拱起，然后将层叠体与摩擦电极层3的短边端中的另一个进行固定，得到纳米摩擦发电机7#。

该摩擦发电机7#在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征。使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机7#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机7#的最大输出电压和电流信号分别达到了1020V和840μA。

实施例8

如图9和10所示，本实施例高功率纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm（长度）×1.2cm（宽度），其包括依次层叠设置的第一电极层1（0.1mm厚的铝层），高分子聚合物层2（1mm厚的聚偏氟乙烯），以及摩擦电极层3（0.1mm厚的铜层）。高分子聚合物层2的相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4（宽度约为60nm，深度约为8μm，以及平均孔间距为9μm）。所述第一电极层1和摩擦电极层3为摩擦发电机的电压和电流输出电极。所述摩擦电极层3相对高分子聚合物层2向外拱起形成凸面，并在摩擦电极层3与高分子聚合物层2之间形成间隙，使两个摩擦面在不受力的情况下能够自动弹起。

下面详细说明该高功率纳米摩擦发电机的制备方法。

（1）制备具有纳米线的基底

（2）制备具有纳米孔的高分子聚合物薄膜

（3）制成纳米摩擦发电机

将步骤（2）所得的具有纳米孔的高分子聚合物薄膜作为高分子聚合物层，将0.1mm厚的铝层粘贴在高分子聚合物层2上，得到第一电极层1-高分子聚合物层2的层叠体。

依照摩擦电极层3与高分子聚合物层2的长度比为21:20，将摩擦电极层3放置到层叠体的高分子聚合物层2上，并将它们的一个短边端对齐，采用常规热封的方法将该对齐的短边端固定。将摩擦电极层3拱起，然后将层叠体与摩擦电极层3的另一个短边端固定，得到纳米摩擦发电机8#。

该摩擦发电机8#在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征。使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机8#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机8#的最大输出电压和电流信号分别达到了360V和205μA。为了提高发电功率，可以在同一平面内串联或并联五个上述的高功率纳米摩擦发电机，从而提供能量更高的电流或电压，充分保证对路灯的供电。除此之外，本发明中的纳米摩擦发电机可以采用两个、三个、四个甚至更多个串联或并联一起，从而增加电量。

本发明实施例中，通过设置在路面上的纳米摩擦发电机将行人或车辆行走时对地面的压力所产生的机械能转化为电能，并通过蓄电装置对纳米摩擦发电机所产生的电能进行必要的处理后提供给路灯，从而对行人或车辆行走时对地面的压力所产生的机械能进行了很好的利用，实现了路灯的照明。因此，本发明实施例中的路灯无需浪费都市供电系统的电能，大大节约了能耗，而且，由于每个路灯可以由设置在该路灯周边的纳米摩擦发电机进行供电，因此，不需要像市电供电时那样部署复杂的供电网络，从而也避免了维护供电网络的成本。

而且，以上述的实施例7中提到的尺寸为4.5cm（长度）×1.2cm（宽度）的纳米摩擦发电机为例来说，其最大输出电压和电流信号分别达到了1020V和840μA。由此可见，每一平方米的路面上所设置的纳米摩擦发电机的发电量就可以达到上千瓦，因此在路灯周边部署的纳米摩擦发电机完全可以满足路灯照明的需要，从而可以节约大量的电能。

本领域技术人员可以理解，虽然上述说明中，为便于理解，对方法的步骤采用了顺序性描述，但是应当指出，对于上述步骤的顺序并不作严格限制。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

还可以理解的是，附图或实施例中所示的装置结构仅仅是示意性的，表示逻辑结构。其中作为分离部件显示的模块可能是或者可能不是物理上分开的，作为模块显示的部件可能是或者可能不是物理模块。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种路灯装置，其特征在于，包括：路灯本体、纳米摩擦发电机和蓄电装置，其中，

所述纳米摩擦发电机设置于所述路灯本体相邻的路面上，与所述蓄电装置电连接，用于将机械能转化为电能；

所述蓄电装置还与所述路灯本体电连接，用于将所述电能提供给路灯本体供电。

2.如权利要求1所述的路灯装置，其特征在于，所述纳米摩擦发电机为多个并联的纳米摩擦发电机，所述多个并联的纳米摩擦发电机分别设置在位于路灯本体不同方位的路面上。

3.如权利要求1所述的路灯装置，其特征在于，所述蓄电装置包括：与所述纳米摩擦发电机的输出端相连的降压变压器；与所述降压变压器相连的交直流转换器；与所述交直流转换器相连的储能元件；以及与所述储能元件相连的升压变压器。

4.如权利要求1所述的路灯装置，其特征在于，还包括：连接在所述蓄电装置和所述路灯本体之间的第一控制开关。

5.如权利要求1所述的路灯装置，其特征在于，还包括：与所述路灯本体电连接的市电电源。

6.如权利要求5所述的路灯装置，其特征在于，还包括：连接在所述市电电源和所述路灯本体之间的第二控制开关。

7.如权利要求5所述的路灯装置，其特征在于，还包括：电路控制器，所述电路控制器具有两个输入端和一个输出端，所述两个输入端分别与所述蓄电装置和所述市电电源相连，所述输出端与所述路灯本体相连，其中，所述两个输入端为二选一输入端。

8.如权利要求7所述的路灯装置，其特征在于，所述电路控制器为继电器。

9.如权利要求1所述的路灯装置，其特征在于，所述纳米摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极层，高分子聚合物层，以及摩擦电极层；高分子聚合物层的相对摩擦电极层的面上设有多个纳米孔；所述第一电极层和摩擦电极层为摩擦发电机的电压和电流输出电极。

10.根据权利要求9所述的路灯装置，其特征在于，所述高分子聚合物层所用材料是聚偏氟乙烯。

11.根据权利要求10所述的路灯装置，其特征在于，所述高分子聚合物层表面上设置的纳米孔宽度为10-100nm以及深度为4-50μm。

12.根据权利要求9所述的路灯装置，其特征在于，所述摩擦电极层所用材料选自金属或合金，厚度为0.05-0.2mm；其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金；所述摩擦电极层所用材料优选铜或铝。

13.根据权利要求9-12任一项所述的路灯装置，其特征在于，所述摩擦电极层包括层叠设置的摩擦薄膜层和第二电极层，所述摩擦薄膜层相对高分子聚合物层设置。

14.根据权利要求13所述的路灯装置，其特征在于，所述摩擦薄膜层所用材料是纤维薄膜或聚氯乙烯，优选铜版纸或牛皮纸；所述第二电极层所用材料选自铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。

15.根据权利要求9所述的路灯装置，其特征在于，所述摩擦电极层和高分子聚合物层中的至少一个向外拱起形成凸面，使得摩擦电极层与高分子聚合物层之间形成间隙。

16.根据权利要求9所述的路灯装置，其特征在于，所述第一电极层所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。