CN104052327A - 基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微纳米科学技术领域，特别是一种基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机及其制作方法，包括胀缩管结构和层间柔性纳米发电机结构，其中，所述层间柔性纳米发电机结构包括上振动摩擦板和下振动摩擦板，所述胀缩管结构包括具有高弹性的第一振动管和第二振动管，其中，所述第二振动管的内径大于第一振动管的内径；所述下振动摩擦板设置在第一振动管的外壁；所述上振动摩擦板设置在第二振动管的内壁上，第一振动管和第二振动管套装在一起使得下振动摩擦板和上振动摩擦板之间保持静态距离。本发明将摩擦纳米发电机的应用推广到波浪能发电领域，通过新颖的结构设计和大面积的能量采集，提高了摩擦纳米发电机的输出功率和波浪能的采集效率。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米科学技术领域，特别是一种基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机及其制作方法。
背景技术
随着世界范围内能源短缺和环境恶化的不断加剧，人们迫切寻找一种绿色环保的可持续能源，环境中存在大量的机械振动、人体运动、水能、风能等能源，如何高效绿色地将这些环境能源转换为可利用的能源成为当前的研究热点，故而纳米发电机的问世将环境中存在的振动等形式的能量转化为电能成为现实。
摩擦纳米发电机基于摩擦发电效应，通过两种不同材料的接触和分离实现电荷转移，从而产生电能输出。工作中的摩擦纳米发电机可以点亮数百个商用LED灯，被广泛应用在无线网络、传感器和便携式器件等领域，促进能源结构的变革。
目前，摩擦纳米发电机的研究一般局限在实验室干燥环境下的振动能量采集，且对振动源的要求较高，从而导致摩擦纳米发电机一直不能从稳定振动能扩展到水能、风能等能源不稳定、条件变化无常的环境能量中。
实用新型CN202818150U公开了一种纳米摩擦发电机，该发电机包括依次层叠设置的第一电机，第一高分子聚合物绝缘层，以及摩擦电机，第一高分子聚合物绝缘层和摩擦电极相对设置的两个面中的至少一个面上设置有微纳凹凸结构，所述第一电机和摩擦电机为摩擦发电机电压和电流输出电极，该发电机在借助外界力的情况下，实现相对运动下的摩擦发电，而由于设计的不足，在借助外界力时，太被动，使用的领域也有一定限制，无法利用如波浪能之类的自然界中的太多能量。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机及其制作方法，该摩擦纳米发电机能替代原有涡轮发电机等大型机械发电装置，利用波浪能实现摩擦进而发电，增强能量采集能力，提高能量采集效率，有效采集各波段波浪能，工艺简单，成本低，为推动波浪能发电的市场化提供一种新的方案。
为解决上述的技术问题，本发明的包括胀缩管结构和层间柔性纳米发电机结构，其中，所述层间柔性纳米发电机结构包括上振动摩擦板和下振动摩擦板，所述胀缩管结构包括具有高弹性的第一振动管和第二振动管，其中，所述第二振动管的内径大于第一振动管的内径；所述上振动摩擦板包括柔性电极和绝缘基底，所述柔性电极位于绝缘基底上；所述下振动摩擦板包括柔性电极、表面带有微纳米凸起结构的摩擦柔性可塑性聚合物薄膜和绝缘基底，所述聚合物薄膜和绝缘基底分别位于所述绝缘基底的上下两面上；所述下振动摩擦板设置在第一振动管的外壁；所述上振动摩擦板设置在第二振动管的内壁上，第一振动管和第二振动管套装在一起使得下振动摩擦板和上振动摩擦板之间保持静态距离。
进一步的，所述第二振动管外部设有高弹性的薄振动带，所述薄振动带通过刚性棍状材料固定在所述第二振动管外部。
进一步的，所述聚合物薄膜为表面带有金字塔结构阵列的聚合物薄膜。
本发明的一种基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机的制作方法，其特征在于：所述方法包括：
1)将柔性电极粘合固定在绝缘基底上，制作成上振动摩擦板；
2)将柔性电极的一面粘合固定在表面带有微纳米凸起结构的摩擦柔性可塑性聚合物薄膜的不带有微纳米凸起结构的一面，将柔性电极的另一面粘合固定在绝缘基底上；
3)将第一振动管里填充一定量的液体，使得第一振动管膨胀到一定尺寸，并密封第一振动管；
4)将步骤(2)中的下振动摩擦板密排固定在步骤(3)中的第一振动管外表面，形成内层振动管；
5)将步骤(1)中的上振动摩擦板密排固定在第二振动管内表面，形成外层振动管；
6)将步骤(5)中的第二振动管套装在步骤(4)中的第一振动管外，使得下振动摩擦板和上振动摩擦板之间保持静态距离。
进一步的，所述步骤(4)中下振动摩擦板以环状或者鳞片状的方式密排固定在步骤(3)中的第一振动管外表面。
进一步的，所述步骤(5)中上振动摩擦板以环状或者鳞片状的方式密排固定在第二振动管内表面。
进一步的，所述步骤(6)中，将第二振动管套装在第一振动管外后，通过第一振动管和第二振动管之间充入氮气，使得下振动摩擦板和上振动摩擦板之间保持静态距离。
进一步的，所述下振动摩擦板和上振动摩擦板之间保持静态距离为1-100mm。
本发明采用的工作原理是：
1)基于激突波原理的膨缩发电
如图3，实心箭头表示流体的流向，空心箭头表示管壁的移动方向。在流体的正面冲击下，当水压低时，高弹性的第一振动管和第二振动管的管壁向外膨胀；当水压高时，第一振动管和第二振动管的管壁向内收缩，而弹性振动管的膨胀收缩产生激突波，流体波中的能量转移到管中，使得第一振动管和第二振动管之间的上振动摩擦板和下振动摩擦板相互摩擦，从而产生电能，并通过柔性电极向外输出；
2)基于卡门涡街原理的摆动发电
如图4所示，实心箭头表示流体的流向。利用卡门涡街原理，在水流经过第二振动管外高弹性的薄振动带，这里的薄振动带就相当于鱼类的“鳍”，而在“鳍”部产生卡门涡街，引起“鳍”的摆动，从而带动第一振动管和第二振动管的摆动，使得第一振动管和第二振动管之间的上振动摩擦板和下振动摩擦板相互摩擦，从而产生电能，并通过柔性电极向外输出。
采用上述结构的有益效果是：
(1)本发明将摩擦纳米发电机的应用推广到波浪能发电领域，通过新颖的结构设计和大面积的能量采集，提高了摩擦纳米发电机的输出功率和波浪能的采集效率；
(2)本发明采用仿生设计方法，在充分利用波浪能的情况下，不影响海洋的生态环境；
(3)本发明制作方法简单、成本低、生产周期短、容易量产，且便于推广应用到风能、车轮动能等能量采集领域。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为电鳗实物图；
图2为本发明基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机结构示意图；
图3为本发明基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机的局部示意图；
图4为本发明基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机中薄振动带的安装示意图；
图5为本发明的基于激突波原理的膨缩发电原理图；
图6为本发明的基于卡门涡街原理的摆动发电原理图；
图7为本发明的带有金字塔结构阵列的聚合物薄膜表面SEM图；
图8为本发明的基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机测试电压图。
图中：1、胀缩管结构，101、第一振动管，102、第二振动管，2、层间柔性纳米发电机结构，3、薄振动带，4、绝缘基底，5、柔性电极，6、聚合物薄膜，7、刚性棍状材料
具体实施方式
如图1所示为电鳗实物图，而如图2所示，本发明的一种基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机；
如图2及图3所示，本发明包括胀缩管结构1和层间柔性纳米发电机结构2，其中，所述层间柔性纳米发电机结构2包括上振动摩擦板和下振动摩擦板、所述胀缩管结构1包括具有高弹性的第一振动管101和第二振动管102，如橡胶管，本实施方式中，管长为1-50m，管径为0.1-5m，而所述第二振动管102的内径大于第一振动管的内径；所述上振动摩擦板201包括柔性电极5和绝缘基底4，所述柔性电极5位于绝缘基底4上；所述下振动摩擦板包括柔性电极5、表面带有微纳米凸起结构的摩擦柔性可塑性聚合物薄膜6和绝缘基底4，所述聚合物薄膜6和绝缘基底4分别位于所述绝缘基底4的上下两面上，其中，聚合物薄膜可为PDMS等；柔性电极为具有良好导电性的材料，如ITO等，绝缘基底为柔性的绝缘基板，如PET等；所述下振动摩擦板设置在第一振动管101的外壁；所述上振动摩擦板设置在第二振动管102的内壁上，第一振动管101和第二振动管102套装在一起使得下振动摩擦板和上振动摩擦板之间保持静态距离。
本实施例中，如图7所示，所述聚合物薄膜6为表面带有金字塔结构阵列的聚合物薄膜。而金字塔结构阵列聚合物薄膜的特征尺寸为10-20μm，即单个金字塔结构的正方形底座边长为10-20μm，而每个正方形底座之间的间距为5-10μm，这样的金字塔结构阵列比正方体阵列、槽型阵列的摩擦发电效果好，提高了发电效率。
胀缩管结构1和层间柔性纳米发电机结构2的结构设计，使得本发明能利用激突波原理的膨缩发电。将该装置放入流体中，如图2及图5所示，实心箭头表示流体的流向，空心箭头表示管壁的移动方向。在流体的正面冲击下，当水压低时，高弹性的第一振动管101和第二振动管102的管壁向外膨胀；当水压高时，第一振动管101和第二振动管102的管壁向内收缩，而弹性振动管的膨胀收缩产生激突波，流体波中的能量转移到管中，使得第一振动管101和第二振动管102之间的上振动摩擦板和下振动摩擦板相互摩擦，从而产生电能，并通过柔性电极向外输出。
本实施例中，如图2所示，所述第二振动管102外部设有高弹性的薄振动带3，所述薄振动带3通过刚性棍状材料固定在所述第二振动管102外部，这里的薄振动带3可以为高弹性的薄橡胶带等，带长尺寸为1-50m，带宽为0.1-5m。如图4所示，所述刚性棍状材料7固定在第二振动管102外部且与第二振动管102的轴线垂直，薄振动带3的一侧也固定在第二振动管102的外壁上且与第二振动管102的轴向平行，另外，薄振动带3与第二振动管102轴线垂直的一侧则固定在刚性棍状材料7上。
薄振动带3的设计，使得本发明能利用卡门涡街原理进行摆动发电。将该装置放入流体中，如图4及图6所示，实心箭头表示流体的流向。在水流经过第二振动管102外高弹性的薄振动带3，这里的薄振动带3就相当于鱼类的“鳍”，利用卡门涡街原理，在水流经过仿生电鳗“鳍”的刚性棍状材料前端时，在后面“鳍”部产生卡门涡街，引起“鳍”的摆动，从而带动第一振动管101和第二振动管102，即仿生电鳗身部摆动，使得第一振动管101和第二振动管102之间的上振动摩擦板和下振动摩擦板相互摩擦，从而产生电能，并通过柔性电极向外输出。
本发明的一种基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机的制作方法，所述方法包括：
1)将柔性电极5粘合固定在绝缘基底4上，制作成上振动摩擦板；
2)将柔性电极5的一面粘合固定在表面带有微纳米凸起结构的摩擦柔性可塑性聚合物薄膜6的不带有微纳米凸起结构的一面，将柔性电极5的另一面粘合固定在绝缘基底4上；
3)将第一振动管101里填充一定量的液体，使得第一振动管101膨胀到一定尺寸，并密封第一振动管101；
4)将步骤(2)中的下振动摩擦板密排固定在步骤(3)中的第一振动管101外表面，形成内层振动管；
5)将步骤(1)中的上振动摩擦板密排固定在第二振动管102内表面，形成外层振动管；
6)将步骤(5)中的第二振动管102套装在步骤(4)中的第一振动管101外，使得下振动摩擦板和上振动摩擦板之间保持静态距离。
本实施例中的，所述步骤(4)中下振动摩擦板以环状或者鳞片状的方式密排固定在步骤(3)中的第一振动管101外表面。
本实施例中的，所述步骤(5)中上振动摩擦板以环状或者鳞片状的方式密排固定在第二振动管102内表面。
本实施例中的，所述步骤(6)中，将第二振动管102套装在第一振动管101外后，通过第一振动管101和第二振动管102之间充入氮气，使得下振动摩擦板和上振动摩擦板之间保持静态距离，充入氮气，不仅保证了激突波原理膨缩发电效果的实现，而且成本不高，节能环保。
本实施例中的，所述下振动摩擦板和上振动摩擦板之间保持静态距离为1-100mm，这样的距离保证了摩擦发电高效率的实现。
通过测试，得到上振动摩擦板和下振动摩擦板上柔性电极之间的测试电压图，如图8所示，从图上的电压走势可以看出，摩擦纳米发电机产生的电压稳定，完全可以进行大批量使用，节约能源。
本发明的突出优点在于，利用了激突波原理和卡门涡街原理，完成相互摩擦的过程，成功将摩擦纳米发电机的应用推广到波浪能发电领域，通过新颖的结构设计和大面积的能量采集，提高了摩擦纳米发电机的输出功率和波浪能的采集效率；且本发明制作方法简单、成本低、生产周期短、容易量产，且便于推广应用到风能、车轮动能等能量采集领域。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机，其特征在于：包括胀缩管结构和层间柔性纳米发电机结构，其中，所述层间柔性纳米发电机结构包括上振动摩擦板和下振动摩擦板，所述胀缩管结构包括具有高弹性的第一振动管和第二振动管，其中，所述第二振动管的内径大于第一振动管的内径；
所述上振动摩擦板包括柔性电极和绝缘基底，所述柔性电极位于绝缘基底上；
所述下振动摩擦板包括柔性电极、表面带有微纳米凸起结构的摩擦柔性可塑性聚合物薄膜和绝缘基底，所述聚合物薄膜和绝缘基底分别位于所述绝缘基底的上下两面上；
所述下振动摩擦板设置在第一振动管的外壁；所述上振动摩擦板设置在第二振动管的内壁上，第一振动管和第二振动管套装在一起使得下振动摩擦板和上振动摩擦板之间保持静态距离。
2.根据权利要求1所述的基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第二振动管外部设有高弹性的薄振动带，所述薄振动带通过刚性棍状材料固定在所述第二振动管外部。
3.根据权利要求1所述的基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述聚合物薄膜为表面带有金字塔结构阵列的聚合物薄膜。
4.一种基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机的制作方法，其特征在于：所述方法包括：
1)将柔性电极粘合固定在绝缘基底上，制作成上振动摩擦板；
2)将柔性电极的一面粘合固定在表面带有微纳米凸起结构的摩擦柔性可塑性聚合物薄膜的不带有微纳米凸起结构的一面，将柔性电极的另一面粘合固定在绝缘基底上；
3)将第一振动管里填充一定量的液体，使得第一振动管膨胀到一定尺寸，并密封第一振动管；
4)将步骤(2)中的下振动摩擦板密排固定在步骤(3)中的第一振动管外表面，形成内层振动管；
5)将步骤(1)中的上振动摩擦板密排固定在第二振动管内表面，形成外层振动管；
6)将步骤(5)中的第二振动管套装在步骤(4)中的第一振动管外，使得下振动摩擦板和上振动摩擦板之间保持静态距离。
5.根据权利要求4所述的一种基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中下振动摩擦板以环状或者鳞片状的方式密排固定在步骤(3)中的第一振动管外表面。
6.根据权利要求4所述的一种基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机的制作方法，其特征在于：所述步骤(5)中上振动摩擦板以环状或者鳞片状的方式密排固定在第二振动管内表面。
7.根据权利要求4所述的一种基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机的制作方法，其特征在于：所述步骤(6)中，将第二振动管套装在第一振动管外后，通过第一振动管和第二振动管之间充入氮气，使得下振动摩擦板和上振动摩擦板之间保持静态距离。
8.根据权利要求7所述的一种基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机的制作方法，其特征在于：所述下振动摩擦板和上振动摩擦板之间保持静态距离为1-100mm。
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