CN104734556A - 一种非接触式静电感应纳米发电机、发电机组和发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非接触式静电感应纳米发电机、发电机组和发电方法，该发电机包括两个分离的电极层，和一个交替与这两个电极层靠近的第一部件。在外界机械能的作用下，该第一部件上所带的静电，将随其运动交替地接近两个电极层，进而交替地改变两个电极层间的感应电势差，驱动电子在电极层间连接的外电路来回流动，而形成交流电。该纳米发电机最大的优点是，运动的第一部件不需要附着电极并用导线接入系统，从而使得任何自由移动的物体上的机械能都可以不受限制地被收集利用，并且第一部件无需与电极层紧密接触，大大提高了发电机的使用寿命和适用范围。

Description

一种非接触式静电感应纳米发电机、发电机组和发电方法

技术领域

本发明涉及一种能够将环境中机械能转化为电能的发电器件，特别是一种非接触式静电感应发电机、发电机组以及相关的发电方法。

背景技术

在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。然而，和这些微型电子器件所匹配的电源系统的研究却相对滞后，一般说来，这些微型电子器件的电源都是直接或者间接来自于电池。电池不仅体积较大、质量较重，而且含有的有毒化学物质对环境和人体存在潜在的危害。因此，开发出能将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的技术具有极其重要的意义。

从2012年开始，基于摩擦静电效应的纳米发电机得以快速发展，并以其高效的输出、简单的工艺、稳定的性能，为机械能转变为电能来驱动电子器件提供了一种十分具有前景的途径。但是，基于现有的摩擦电纳米发电机的基本模式与器件设计，两个相互运动的摩擦层均附着有电极，并通过导线接入系统，也就是说发电机结构中在外部机械能作用下运动的部件必须有导线连出。这一特点很大程度地限制了摩擦电纳米发电机的应用，使其无法有效收集环境中任意的自由运动物体的机械能。此外，对于现有的滑动模式的摩擦电纳米发电机，为保证有效的输出，两个摩擦层在滑动时必须时刻保持紧密接触，这不利于收集自然界中无规的运动能量，而且也由于摩擦阻力的存在影响了发电机的寿命和效率。因此，如果能够设计一种运动的摩擦层不需要连接电极，并且可以在非接触滑动的情况下实现机械能有效转化的摩擦发电机原理和结构，将对摩擦发电机的广泛应用具有重要的意义。

发明内容

要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是设计一种新型摩擦电纳米发电机，其中在外部机械能作用下的摩擦层部件不需要连接电极，可以用任何能够产生摩擦静电或已带有摩擦静电的物体来充当；同时，该发电机可以在非接触的模式下工作，能够大幅提高发电机的稳定性、寿命和能量转化效率。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种非接触式静电感应纳米发电机。该发电机设计包括两个分隔设置的电极层，和一个交替位于两个电极层上方并且与电极层不接触的第一部件，该第一部件预先带电，不需要另外附着电极层和连接导线，可以自由移动。在工作时，当该预先带电的第一部件位于一个电极层上方时，会通过静电感应作用在两个电极层之间造成电荷分离以平衡整个电场，此后，随着第一部件在两个电极层上方交替移动，其表面所带有的净电荷将随其一起在两个电极之间所接的外电路内往复移动，而使得电极层间的感应电势差发生周期性变化，驱动电极层间连接的外电路上产生交流电流。这种发电机结构能够比较方便的调整输出电压，例如可以控制两个电极层的相对位置，以调整二者之间的等效电容量。此外，独立的第一部件每一次从一个电极层上方转移到另一个电极层上方的过程，可以带动的电荷转移量略小于或近似等于第一部件上的静电荷。因此，这种结构是一种十分高效的将机械能转化为电能的设计。

这种由带电第一部件相对于电极层的运动产生的静电感应驱动力，不强烈地依赖于第一部件表面与电极层平面间的垂直距离，因此，该发电机在非接触的作用模式下能够很好的工作。

基于上述思路，本发明首先提供一种非接触式静电感应纳米发电机，包括第一部件、第二部件和电信号输出端，其特征在于，所述第一部件至少一个表面带电；所述第二部件由一个第一电极层和与之配合的一个第二电极层组成，所述第一电极层和第二电极层分隔设置并且分别与所述电信号输出端的两端电连接，所述第一部件的带电表面交替靠近所述第一电极层和第二电极层，使所述第一电极层和第二电极层通过所述电信号输出端向外输出电信号。

优选的，所述第一部件的带电表面与所靠近的电极层表面之间的垂直间距远小于所述第一部件从一个电极层移向另一个电极层的距离。

优选的，所述垂直间距小于5cm。

优选的，所述第一部件表面带有的电荷通过与第二部件摩擦获得。

优选的，所述第一部件需要带电的表面和/或第二部件用于与所述第一部件发生接触摩擦的表面进行物理或化学改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构。

优选的，所述第一电极层与第一部件靠近的表面，和第二电极层202与第一部件10靠近的表面形状和尺寸相同。

优选的，所述第一部件带电表面的形状和尺寸与所靠近的第一电极层和/或第二电极层表面的形状和尺寸相同。

优选的，所述第一部件为绝缘体或半导体。

优选的，所述第一部件为驻极体材料。

优选的，所述第一电极层和第二电极层的尺寸和形状相同或不同。

优选的，所述第一电极层和第二电极层之间的分隔距离为0.1mm-5cm。

优选的，所述第一电极层和第二电极层处于同一个平面或曲面上。

优选的，所述第一电极层和第二电极层之间的空隙中填有填充介质。

优选的，所述填充介质为绝缘体，从下列材料中选取：聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）、不导电的液体、不导电的气体和真空。

优选的，还包括隔离层，所述第一电极层和第二电极层的上表面完全贴合在所述隔离层的背面，第一部件的带电表面交替向背面贴合有所述第一电极层的隔离层的部分上表面、以及背面贴合有第二电极层的隔离层的部分上表面靠近。

优选的，所述隔离层为绝缘材料。

优选的，所述第一部件为绝缘体、半导体或导体。

优选的，所述隔离层为分立结构或一体结构。

优选的，第一部件的表面通过与所述隔离层表面接触并来回滑动而带电。

优选的，所述第一电极层和第二电极层分隔设置在同一个曲面上，所述第一部件设置在另一个曲率相同的曲面上，并且随着两个曲面的旋转，所述第一部件的带电表面交替与所述第一电极层和第二电极层靠近。

优选的，所述第一电极层和第二电极层分隔设置在同一个曲面上，所述第一部件在作单摆式振动或者旋转运动的过程中，其带电表面交替与第一电极层201和第二电极层靠近。

相应的，本发明还提供一种基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，由2个或2个以上上述任一项所述纳米发电机并联或串联形成。

优选的，至少部分纳米发电机共用1个第一部件。

优选的，所有所述纳米发电机共用1个第一部件。

优选的，各所述纳米发电机中的第二部件相同或不同。

优选的，每个纳米发电机均与一个独立的电信号输出端电连接，或者至少2个纳米发电机共用一个电信号输出端。

优选的，所有所述纳米发电机共用1组第二部件。

优选的，每个所述第一部件的带电表面交替靠近第一电极层和第二电极层，并且相邻两个第一部件之间的间距满足：当1个第一部件完全离开第二电极层后，另一个第一部件才开始靠近第一电极层。

优选的，两个电极层在所述第一部件运动方向的尺寸相同，具有长度L，两个电极层之间的最短距离为d；

相邻两个第一部件所带的电荷电性相同；相邻两个第一部件之间的最短距离大于或等于L+d，并且小于2L+d；

或者，

相邻两个第一部件所带的电荷电性相反；相邻两个第一部件之间的最优距离为d；

优选的，至少部分纳米发电机的第一电极层连接形成互相导通的第一导电网络，同时与之配合的第二电极层连接形成互相导通的第二导电网络，并且两个导电网络相互隔离。

优选的，所述第一导电网络和第二导电网络的形状相同或互补。

优选的，所述第一导电网络和第二导电网络均为规整的周期性结构，每个周期性重复单元的尺寸和形状相同。

优选的，所述重复单元的尺寸和形状与所述第一部件的形状和尺寸相同。

优选的，相邻两个第一部件同时与一个导电网络的不同重复单元靠近。

优选的，所述第一部件与第二部件的重复单元的数目相同或不同。

相应的，本发明还一个一种发电方法，包括如下步骤：

1）提供分隔放置的第一电极层和第二电极层，并将两个电极层分别与电信号输出端的两端电连接；

2）使独立并且带电的第一部件交替靠近第一电极层和第二电极层；

3）通过电信号输出端向外输出电信号。

优选的，步骤2）中的第一部件所带的电，是在靠近第一电极层201之前预先带有，或者通过与第一电极层201或第二电极层202摩擦后再分离所带有的。

有益效果

本发明提供的非接触式静电感应纳米发电机最突出的优点是运动部件不需要连接电极和导线，这使得几乎任何自由运动的物体都可以作为机械能输入，来将其上的静电从一个电极表面带向另一个电极表面。这极大地提高了机械能收集的简便性、通用性。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1是本发明非接触式静电感应纳米发电机的一种典型结构示意图；

图2中的（a）-（d）是图1所示纳米发电机的工作原理示意图；

图3中的A和B是图1所示纳米发电机的第一部件的带电表面与所靠近的电极层垂直间距H对电荷转移产生影响的理论计算结果和实验测试结果；

图4中的（a）-（e）是本发明非接触式静电感应纳米发电机的另一种工作模式示意图；

图5是在两个电极层的间隙填有填充介质的结构示意图；

图6是发电机包括隔离层的结构示意图；

图7图6所示纳米发电机的工作过程中的电荷分布示意图；

图8和图9是本发明非接触式静电感应纳米发电机的另外两种典型结构示意图；

图10中的（a）和（b）是本发明非接触式静电感应纳米发电机组的典型结构示意图；

图11是本发明非接触式静电感应纳米发电机组的另一种典型结构示意图；

图12中的（a）-（d）和图13中的（a）-（d）是图11所示纳米发电机中不同第一部件间距的工作原理示意图；

图14是本发明非接触式静电感应纳米发电机组的另一种典型结构示意图；

图15是本发明的非接触式静电感应纳米发电机组，每个发电机单独输出电信号的示意图；

图16是本发明的非接触式静电感应纳米发电机连续工作约20000个周期输出（单次运动转移电荷量）的电信号谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

第一种典型实施方式

图1为本发明非接触式静电感应纳米发电机的一种典型结构，包括第一部件10、第二部件20和电信号输出端30，其中，所述第一部件10至少一个表面带电，第二部件20由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置并且分别与电信号输出端30的两端电连接，第一部件10的带电表面交替靠近第一电极层201和第二电极层202，使第一电极层201和第二电极层202通过电信号输出端30向外输出电信号。

该发电机在工作时，第一部件10的带电表面交替靠近两个电极层的上表面，并通过静电感应作用，使两个电极层的表面带上电性相反的电荷。当第一部件10从一个电极层离开向另一个电极层靠近时，它表面所带的电荷将随着第一部件10一起移动，从而吸引电极层上的异号电荷通过外接回路在两个电极层之间发生转移，导致在外电路产生电流（参见图2中的（a）-（d）所示）。

第一部件10靠近第二部件20时，其带电表面与所靠近的电极层表面之间的垂直间距H应远小于第一部件10从一个电极层移向另一个电极层的距离。在这样的条件下，带电第一部件10的移动就更能够吸引电极层回路内的反号电荷发生相应转移，从而在外电路产生电流。本发明中该间距H小于5cm，优选小于1cm，更优选小于5mm，尤其是小于2mm。图3中的A和B是该垂直间距H对电荷转移产生影响的理论计算结果和实验测试结果。可以看到，当该垂直间距H达到1cm时，依然能够驱动相当一部分的电荷转移。

为了使该发电机能够在此非接触模式下长期稳定工作，而不需要摩擦补充静电荷，移动的第一部件10需要具有很好的静电荷保持能力，因此可以从绝缘体材料和半导体材料中选择，优选能够“准永久”地保持静电荷的驻极体材料，例如聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、石英、全氟环状聚合物等。这样，一旦该部件通过摩擦作用或其他方式带上了静电，就能保持很久。其中，绝缘体可选自一些常用的有机聚合物材料和天然材料，包括：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、醋酸酯、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。

常用的半导体包括硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也可以用来作为本发明第一部件10的带电表面，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。

与现有技术中的摩擦发电机不同，由于第一部件10的背面无需沉积金属电极，因此对其厚度没有特殊要求，可以是体材料也可以是薄膜材料，这使本发明发电机的应用范围得到了极大拓展。而其表面所带的电荷，可以通过与发电机以外的其他物体摩擦获得，也可以通过在工作前与发电机本身的第二部件20摩擦获得，还可以通过充电等其他方式获得，电荷的获得途径对于本发明的发电过程没有影响，也不构成对本发明发电机的限制。

图4中的（a）-（e）示出的是第一部件10通过与第二部件20摩擦获得表面电荷后再通过静电感应进行发电的原理示意图：当由绝缘材料或半导体材料制成的第一部件10与第一电极层201接触后，由于两种材料摩擦电性质的不同，而导致第一部件10的下表面带负电荷，而第一电极层201的上表面带有正电荷，此后第一部件10与第一电极层201分离，有部分电子从第二电极层202通过电信号输出端30上连接的电阻转移至第一电极层201上，使得第一电极层201和第二电极层202之间的电势差为零；当第一部件10离开第一电极层201向第二电极层202靠近时，其上保有的电荷将驱动第二电极层202上的电子通过外电路向第一电极层201流动，从而形成电信号的输出。此后，在第一部件10交替靠近第一电极层201和第二电极层202的过程中，通过第一部件10上持有电荷的静电感应作用，将会形成方向呈周期性变化的交流电信号输出。

当第一部件10的表面电荷是通过摩擦的方式获得，特别是通过与第二部件20进行摩擦获得时，还可以对第一部件10需要带电的表面和/或第二部件20用于与第一部件10发生接触摩擦的表面进行物理或化学改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构，以增加第一部件10持有表面电荷的密度。具体的改性方法包括光刻蚀、化学刻蚀和离子体刻蚀等，还可以通过纳米材料的点缀或涂层的方式来实现该目的。

对第一部件10的形状和尺寸没有特殊要求。虽然图1中示出的第一部件10为平板状，但是曲面物体也可以起到同样的效果。为了提高电信号输出性能，优选第一部件10带电表面的形状和尺寸与所靠近的第一电极层201和/或第二电极层202表面的形状和尺寸相匹配，更优选相同，以使得第一部件10与第一电极层201和/或第二电极层202靠近时，电荷感应的面积最大。

本实施方式中的第二部件20由2个电极层组成，用于在第一部件10所带电荷的静电感应作用下形成电流向外输送。常用的导体材料均可用于制备第二部件20，例如金属和导电的非金属材料等，其中金属可选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；导电的非金属材料可选自氧化铟锡ITO和掺杂的半导体。

第二部件20中的2个电极层尺寸和形状可以相同，也可以不同，为了提高发电效率，优选第一电极层201与第一部件10靠近的表面，和第二电极层202与第一部件10靠近的表面形状和尺寸相同；更优选两个电极层靠近第一部件10的表面形状和尺寸与第一部件10带电表面的形状和尺寸相同。

第一电极层201和第二电极层202为分隔设置，即二者之间需要留有一定的空隙d，该空隙d的存在是电子能够通过电信号输出端30在两个电极层之间流动的关键。理论研究和实验对比显示，电极层之间的间距d越小，越有利于提高输出的电流密度和功率密度。因此，应该优先选用较小的电极层间距。但是考虑到放电的因素，该间距d又不能过小。本发明认为该间距d可以选择的范围为0.1mm-5cm，优选0.1cm-3cm，更优选0.1cm-1cm。但是，在另一方面，间距d又会影响非接触滑动的情况下的发电效率：随着间距增大，同样的垂直分离距离，会有更大的效率，从这一角度来说电极间距d越大越有利于非接触模式的高效输出。分隔的电极层可以通过选择性镀膜技术在支撑基底上制备，也可以用导电的薄层或薄片直接切割而成。

第一电极层201和第二电极层202的相对位置并没有特殊限定，二者既可以位于同一个平面上，也可以位于不同的平面上；二者可以相互平行，也可以形成一定角度。优选第一电极层201和第二电极层202位于同一个平面上，以利于有效收集水平滑动的能量。

为了在提高电信号输出密度的同时，防止电极层之间的放电，还可以在两个电极层的空隙之间填有填充介质50（参见图5）。该填充介质50既可以仅填充于两个电极层之间的空隙中，也可以如图5所示在两个电极层的周围也设置一圈，用于作为电极层的支撑结构或保护结构。该填充介质50可选自本领域常规的介电材料，更优选高击穿电压材料，例如聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）。显然，如果发电机在使用的过程中需要液体、气体或真空环境，上述填充介质50也可以是不导电的液体或气体，在必要的情况下也可以是真空。在这些情况下，第一部件10在与填充介质50靠近的过程中可以有效的避免在填充介质内部产生影响电场。填充介质50的填充高度既可以与第一电极层201和第二电极层202的厚度相同，也可以稍低于二者的厚度。

第一部件10和第二部件20既可以是硬质材料，也可以是柔性材料，材料的硬度对二者的发电性能没有明显影响，但是却可以扩展本发明发电机的应用范围。

电信号输出端30的两端分别与第一电极层201和第二电极层202电连接，用于平衡两个电极层之间的电势差，并在此过程中将电信号向外输出。在实际应用过程中，该电信号输出端30可以与电信号检测装置或收集装置直接连接，也可以通过整流装置将电信号整合后再向外输出。

第二种典型实施方式

图6为本发明非接触式静电感应纳米发电机的另一种典型结构，包括第一部件10、第二部件20、电信号输出端30和隔离层40，其中，所述第一部件10至少一个表面带电，第二部件20由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置并且分别与电信号输出端30的两端电连接，第一电极层201和第二电极层202的上表面完全贴合在隔离层40的背面，第一部件10的带电表面交替向背面贴合有第一电极层201的隔离层40的部分上表面、以及背面贴合有第二电极层202的隔离层40的部分上表面靠近，使第一电极层201和第二电极层202通过电信号输出端30向外输出电信号。

隔离层40可以为非导电材料，优选绝缘材料，可从图1所示的实施方式中第一部件10的可选材料中进行选择。隔离层40的存在对于第二部件20可以形成较好的保护作用，因此其表面尺寸和形状应至少完全覆盖第一电极层201和第二电极层202。但是由于该层会增加第一部件10和第二部件20之间的垂直分离距离，其厚度也不应过厚，一般选择在10nm到1mm之间，优选100nm到500μm，更优选500nm到100μm。

隔离层40可以为分立结构，例如由2个分离的部分组成，其中一个部分覆盖于第一电极层201的表面，另一个部分覆盖于第二电极层202的表面；也可以为一体结构，例如图6所示的情况，隔离层40为一个整体，同时覆盖于两个电极层的上表面。

同第一种实施方式类似，该发电机在工作时，第一部件10既可以提前通过摩擦或其他方式带电，此时隔离层40更多的起到一个保护作用；也可以在初始过程中，通过与隔离层40表面接触并来回滑动而带电。这种情况下，第一部件10和隔离层40相互接触的表面会带上等量反号的电荷。这些电荷都将保持在二者的表面，在一定时间内几乎不会发生流动或者衰减。由于隔离层40始终相对于两个电极层保持静止，因此它表面所带的静电荷在两个电极层间产生的感应电势差始终保持不变，不会给电流的产生提供驱动力（参见图7）。因此，与图1所示的结构类似，第一部件10上的静电将随其一起移动，并且在交替靠近两个电极层时，反复改变两个电极层间的感应电势差，从而吸引电极回路中所带的异号电荷在两个电极层之间移动，在外电路产生电流。

为了提高隔离层40在与第一部件10接触摩擦过程中所形成的表面电荷密度，优选隔离层40与第一部件10接触的表面全部或部分设置有微米或次微米量级的微结构。

第三种典型实施方式

图8为本发明非接触式静电感应纳米发电机的另一种典型结构，包括第一部件10、第二部件20和电信号输出端30，其中所述第一部件10至少一个表面带电，第二部件20由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置在同一个曲面上，并且分别与电信号输出端30的两端电连接，第一部件10设置在另一个曲率相同的曲面上，并且随着曲面的旋转，第一部件10的带电表面交替与第一电极层201和第二电极层202靠近，并通过电信号输出端30向外输出电信号。

该实施方式中，第一电极层201和第二电极层202分置在同一曲面上，第一部件10通过旋转的方式实现与两个电极层的交替靠近，进一步扩展了本发明发电机的适用范围。其中，可以用绝缘支撑体60实现对两个电极层的支撑作用，保护层70用于实现对第一部件10的固定和保护。同时，绝缘支撑体60和保护层70也可以由发电机实际使用的环境来提供。

第四种典型实施方式

图9为本发明非接触式静电感应纳米发电机的另一种典型结构，包括第一部件10、第二部件20和电信号输出端30，其中所述第一部件10至少一个表面带电，第二部件20由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置在同一个曲面上，并且分别与电信号输出端30的两端电连接，被悬挂的第一部件10在作单摆式振动的过程中，其带电表面交替与第一电极层201和第二电极层202靠近，并通过电信号输出端30向外输出电信号。

该实施方式中，第一部件10在第一电极层201和第二电极层202相对的表面之间来回震荡，同样也能使发电机正常工作。因此，第一部件10除了可以采取图9所示的悬挂方式外，还可以通过其他的方式来实现这样的效果，例如固定在一个圆柱面上不断旋转，或者借助外力的帮助做类似弹簧振子的振荡式运动。

第五种典型实施方式

图10中的（a）为基于非接触式静电感应纳米发电机而设计的一种典型的发电机组，包括1个第一部件10、2个以上第二部件20和至少一个电信号输出端30，其中所述第一部件10至少一个表面带电，每个第二部件20由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置，每一个第一电极层201与相邻的一个第二电极层形成一组发电单元，分别与一对电信号输出端30的两端电连接。此外，还可以如图10中的（b）所示，使所有第一电极层201均与电信号输出端30的一端电连接，所有第二电极层202均与电信号输出端30的另一端电连接，第一部件10的下表面交替与第一电极层201和第二电极层202靠近，并通过电信号输出端30向外输出电信号。

对于第一部件10和第二部件20的材料及尺寸，可以参照前面几种典型非接触式静电感应纳米发电机进行选择，同时也可以包括隔离层40和/或填充介质50，在此不再赘述。需要说明的是，多个第二部件20可以相同也可以不同。对于多组第二部件20并联的情况，优选多个第二部件20相同；而对于每个第二部件20均与一个独立的电信号输出端30电连接的情况（参见图10中的（a）），则可以根据需要使用不同材料或尺寸的第二部件20，使得第一部件10与某些第二部件20靠近时，能够产生不同的电信号，以满足对于某些特殊位置的传感需要。

在实际应用中，为了实现大规模的收集能量，可以增加第二部件20的数目，并且将图10中的（a）中电信号输出端30产生的电流进行整流，就可以将产生的电流进行存储备用。

多个第二部件20的相对位置可以根据实际需要进行设计，一般与第一部件10的移动轨迹相匹配，既可以所有第二部件20都位于同一平面上，也可以位于不同平面上，还可以位于相同或不同的曲面上。例如图8所示的实施方式中，就可以在绝缘支撑体60上设置多个第二部件，以形成发电机组。

第一部件10上的电荷既可以是预先带上，也可以是通过与第二部件20的摩擦带上。如果预先带电，则该发电机组的工作原理与图2中的（a）-（d）所示的相同；如果第一部件10通过与第二部件20摩擦带电，则第一部件10初次与一个第二部件20发生接触的过程如图4中的（a）-（e）所示，此后由于第一部件10为非导电材料，其上带有的表面接触电荷能够长时间的持有，因此再与其他第二部件20进行靠近和远离的动作时，发电机的工作原理就呈现图2中的（a）-（d）所示的情况。

第六种典型实施方式

图11为基于非接触式静电感应纳米发电机而设计的另一种典型的发电机组，包括2个以上的第一部件10、1个第二部件20和1个电信号输出端30，其中所述第一部件10至少一个表面带电，第二部件20由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置并且分别与电信号输出端30的两端电连接，每个第一部件10的带电表面交替靠近第一电极层201和第二电极层202，并且相邻两个第一部件之间的间距满足：当1个第一部件10完全离开第二电极层202后，另一个第一部件10才开始靠近第一电极层201，此过程中通过电信号输出端30向外输出电信号。假设第二部件的两个电极层尺寸相同，在第一部件10运动的方向上具有L的长度，那么这种情况下，相邻两个第一部件10之间的最短距离大于或等于2L+d，其中d为两个电极层之间的间距。

本实施方式中，相邻两个第一部件10不同时与第二部件20靠近，相当于2次独立的发电过程，所以相邻的两个第一部件10上所带的电荷可以相同也可以不同。除此之外，还存在相邻两个第一部件10同时与第二部件20靠近的情况：

（一）1个第一部件10-1开始离开第二电极层202时，与其相邻的另一个第一部件10-2开始靠近第一电极层201（参见图12中的（a）-（d））。这种情况下同时有2个第一部件10处于与第二部件20靠近的状态，这2个第一部件10上所带有的表面电荷同时对第一电极层201和第二电极层202产生静电感应作用，为了使这两个第一部件10的静电感应作用能够相互叠加而不是相互抵消，优选相邻两个第一部件10所带的电荷电性相同。这种情况下，假设两个电极层在第一部件10运动方向的尺寸相同，具有长度L，那么相邻两个第一部件10之间的最短距离大于或等于L+d，并且小于2L+d，其中d为两个电极层之间的最短距离。当第一部件从图12中的（a）向右运动至图12-b中状态，第一部件10-1对第二电极层202中的正电荷有排斥作用，而第一部件10-2对第一电极层201中的负电荷有排斥作用，二者作用叠加，形成从第二电极层202至第一电极层201的电流（见图12中的（b））。第一部件继续向右运动，第一部件10-1完全离开第二电极层202，第一部件10-2的作用使第一电极层和第二电极层之间无电荷流动（见图12中的（c））。第一部件继续向右运动，第一部件10-1对第二部件无作用，而第一部件10-2所带电荷引起第一导电层201和第二导电层202之间的电荷重新分布，形成第一导电层201至第二导电层202之间的电流（见图12中的（d））。对于多个第一部件的情况，第一部件继续沿着同一方向运动，将重复上述过程，在第一导电层201与第二导电层202之间形成交流电流。

（二）1个第一部件10开始靠近第二电极层202时，与其相邻的另一个第一部件10开始靠近第一电极层201（参见图13中的（a）-（d））。这种情况下2个第一部件10分别处于向第二部件20的两个电极层靠近的状态，这2个第一部件10上所带有的表面电荷同时对第一电极层201和第二电极层202产生静电感应作用，为了使这两个第一部件10的静电感应作用能够相互叠加而不是相互抵消，优选2个第一部件10所带的电荷电性相反。这种情况下，假设两个电极层在第一部件10运动方向上的尺寸相同，具有长度L，那么相邻两个第一部件10之间的最短距离大于或等于L，并且小于L+d，其中d为两个电极层之间的最短距离。优选的，相邻两个第一部件10-1和10-2之间的距离为d，以使第一部件10相对于第二部件运动时，发电机有最大电信号输出。

第七种典型实施方式

图14为基于非接触式静电感应纳米发电机而设计的另一种典型的发电机组，包括2个以上的第一部件10、2个以上的第二部件20和至少一个电信号输出端30，其中每个第二部件20由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置，所有第一电极层201均与电信号输出端30的一端电连接，所有第二电极层202均与电信号输出端30的另一端电连接，第一部件10的带电表面交替靠近第一电极层201和第二电极层202，并通过电信号输出端30向外输出电信号。

本实施方式中，3组第二部件20（图14中的（1）、（2）和（3））中的第一电极层201形成互相导通的第一导电网络，同时与之配合的所有第二电极层202形成互相导通的第二导电网络，两个导电网络的形状可以互补，并且可以通过填充介质50隔离，电信号输出端30的两端分别与两个导电网络电连接，用于将产生的电信号向外输送。为了提高发电效率，优选第一导电网络和第二导电网络均为规整的周期性结构，并且每个周期性重复单元的尺寸和形状相同，更优选该重复单元的尺寸和形状与第一部件10的形状和尺寸相同。

由于图14所示的实施方式中，所有的第一电极层201都电连接、所有的第二电极层202都电连接，因此，为了保证发电机组中各发电机单元的同步工作，优选相邻两个第一部件10之间的间距应保证二者同时与一个导电网络的不同重复单元靠近。

当然，所有的第二部件20也可以独立输出电信号，参见图15中的（1）和（2）。此时，每个第一部件10都可以与一个第二部件20构成一个单独的发电机单元，因此第一部件10与第二部件20的数目可以相同，也可以不同。即与图14中的3组第二部件20进行配合使用的，既可以是如图15中的（1）所示的3个第一部件10，并且能够保证3个第一部件10都同时向第一电极层201或第二电极层202靠近；也可以是如图15中的（2）所示的2个第一部件10，并且当其中一个第一部件10与第一电极层201靠近时，另一个第一部件10则与其他第二部件中的第二电极层202靠近。图中标号70的部件为用于固定第一部件10的轴。

在实际应用时，可以将上述2种方法综合起来使用，即部分纳米发电机的第二部件连通构成第一导电网络和第二导电网络，而另一部分纳米发电机的第二部件是分立的，各纳米发电机之间通过并联或串联的方式连接，以满足不同需要。

本发明还提供一种发电方法，该方法可通过上述任意一款发电机和发电机组来实现，具体包括如下步骤：

（1）提供分隔放置的第一电极层201和第二电极层202，并将两个电极层分别与电信号输出端30的两端电连接；

（2）使独立并且带电的第一部件10交替靠近第一电极层201和第二电极层202；

（3）通过电信号输出端30向外输出电信号。

其中，步骤（2）中第一部件10所带的电，既也可以是在靠近第一电极层201之前预先带有，也可以通过与第一电极层201或第二电极层202摩擦后再分离所带有；第一部件10既可以是表面设置有纳米结构的部件，也可以是未经特殊加工的普通生活用品。

实施例1

将聚全氟乙丙烯（FEP）薄膜裁剪成7cm×5cm的矩形，作为独立的第一部件，并将其固定在相同尺寸的聚丙烯酸酯基底表面，为了提高其表面电荷的持有密度，通过电感耦合等离子法FEP的表面制造纳米棒。在另一个聚丙烯酸酯的基板上通过沉积的方式，制备2个与第一部件尺寸相同的矩形Al薄膜作为电极层，两个电极层之间的距离为0.1cm，并且通过导线将两个电极层与电流表相连。将第一部件面朝电极层放置，二者的垂直间距为5mm。向第一部件施加水平方向的外力，使其交替靠近两个电极层，此时电流表上显示有电流输出。图16给出了该发电机连续工作约20000个周期，而输出（单次运动转移电荷量）不发生改变的电信号谱图。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (37)

1.一种非接触式静电感应纳米发电机，包括第一部件、第二部件和电信号输出端，其特征在于，所述第一部件至少一个表面带电；所述第二部件由一个第一电极层和与之配合的一个第二电极层组成，所述第一电极层和第二电极层分隔设置并且分别与所述电信号输出端的两端电连接，所述第一部件的带电表面交替靠近所述第一电极层和第二电极层，使所述第一电极层和第二电极层通过所述电信号输出端向外输出电信号。 

2.如权利要求1所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一部件的带电表面与所靠近的电极层表面之间的垂直间距远小于所述第一部件从一个电极层移向另一个电极层的距离。 

3.如权利要求2所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述垂直间距小于5cm。 

4.如权利要求1-3任一项所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一部件表面带有的电荷通过与第二部件摩擦获得。 

5.如权利要求4所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一部件需要带电的表面和/或第二部件用于与所述第一部件发生接触摩擦的表面进行物理或化学改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构。 

6.如权利要求1-5任一项所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层与第一部件靠近的表面，和第二电极层202与第一部件10靠近的表面形状和尺寸相同。 

7.如权利要求1-6任一项所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一部件带电表面的形状和尺寸与所靠近的第一电极层和/或第 二电极层表面的形状和尺寸相同。 

8.如权利要求1-7任一项所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一部件为绝缘体或半导体。 

9.如权利要求1-7任一项所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一部件为驻极体材料。 

10.如权利要求1-9任一项所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层的尺寸和形状相同或不同。 

11.如权利要求1-10任一项所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层之间的分隔距离为0.1mm-5cm。 

12.如权利要求1-11任一项所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层处于同一个平面或曲面上。 

13.如权利要求1-12任一项所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层之间的空隙中填有填充介质。 

14.如权利要求13所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述填充介质为绝缘体，从下列材料中选取：聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）、不导电的液体、不导电的气体和真空。 

15.如权利要求1-14任一项所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，还包括隔离层，所述第一电极层和第二电极层的上表面完全贴合 在所述隔离层的背面，第一部件的带电表面交替向背面贴合有所述第一电极层的隔离层的部分上表面、以及背面贴合有第二电极层的隔离层的部分上表面靠近。 

16.如权利要求15所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述隔离层为绝缘材料。 

17.如权利要求15或16所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一部件为绝缘体、半导体或导体。 

18.如权利要求15-17任一项所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述隔离层为分立结构或一体结构。 

19.如权利要求15-19任一项所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，第一部件的表面通过与所述隔离层表面接触并来回滑动而带电。 

20.如权利要求12所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层分隔设置在同一个曲面上，所述第一部件设置在另一个曲率相同的曲面上，并且随着两个曲面的旋转，所述第一部件的带电表面交替与所述第一电极层和第二电极层靠近。 

21.如权利要求12所述的非接触式静电感应纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层分隔设置在同一个曲面上，所述第一部件在作单摆式振动或者旋转运动的过程中，其带电表面交替与第一电极层201和第二电极层靠近。 

22.一种基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于：由2个或2个以上权利要求1-15任一项所述纳米发电机并联或串联形成。 

23.如权利要求22所述的基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于，至少部分纳米发电机共用1个第一部件。 

24.如权利要求22所述的基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于，所有所述纳米发电机共用1个第一部件。 

25.如权利要求22-24任一项所述的基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于，各所述纳米发电机中的第二部件相同或不同。 

26.如权利要求22-25任一项所述的基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于，每个纳米发电机均与一个独立的电信号输出端电连接，或者至少2个纳米发电机共用一个电信号输出端。 

27.如权利要求22所述的基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于，所有所述纳米发电机共用1组第二部件。 

28.如权利要求22所述的基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于，每个所述第一部件的带电表面交替靠近第一电极层和第二电极层，并且相邻两个第一部件之间的间距满足：当1个第一部件完全离开第二电极层后，另一个第一部件才开始靠近第一电极层。 

29.如权利要求22-27任一项所述的基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于，两个电极层在所述第一部件运动方向的尺寸相同，具有长度L，两个电极层之间的最短距离为d； 

相邻两个第一部件所带的电荷电性相同；相邻两个第一部件之间的最短距离大于或等于L+d，并且小于2L+d； 

或者， 

相邻两个第一部件所带的电荷电性相反；相邻两个第一部件之间的最优 距离为d。 

30.如权利要求22-26任一项所述的基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于，至少部分纳米发电机的第一电极层连接形成互相导通的第一导电网络，同时与之配合的第二电极层连接形成互相导通的第二导电网络，并且两个导电网络相互隔离。 

31.如权利要求30所述的基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于，所述第一导电网络和第二导电网络的形状相同或互补。 

32.如权利要求30或31所述的基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于，所述第一导电网络和第二导电网络均为规整的周期性结构，每个周期性重复单元的尺寸和形状相同。 

33.如权利要求32所述的基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于，所述重复单元的尺寸和形状与所述第一部件的形状和尺寸相同。 

34.如权利要求30-33任一项所述的基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于，相邻两个第一部件同时与一个导电网络的不同重复单元靠近。 

35.如权利要求34所述的基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，其特征在于，所述第一部件与第二部件的重复单元的数目相同或不同。 

36.一种发电方法，其特征在于包括如下步骤： 

1）提供分隔放置的第一电极层和第二电极层，并将两个电极层分别与电信号输出端的两端电连接； 

2）使独立并且带电的第一部件交替靠近第一电极层和第二电极层； 

3）通过电信号输出端向外输出电信号。 

37.如权利要求36所述的发电方法，其特征在于，步骤2）中的第一部件所带的电，是在靠近第一电极层201之前预先带有，或者通过与第一电极层201或第二电极层202摩擦后再分离所带有的。