CN105577024A - 一种振动型摩擦发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动型摩擦发电机，包括外壳、电极板和振动颗粒，所述振动颗粒填充在所述外壳与所述电极板形成的空间中，且所述电极板的材料与所述振动颗粒的表面材料具有不同电负性，以使所述振动颗粒与所述电极板通过相互接触再分离的方式产生极性相反的电荷。本发明的振动型摩擦发电机具有结构简单、成本低廉、寿命长、输出电压高、电流大等优点，可应用于收集任何振动场合的动能，以产生电能。

Description

一种振动型摩擦发电机

技术领域

本发明涉及发电机领域，具体地，涉及一种振动型摩擦发电机。

背景技术

目前全球都面临着常规能源短缺和环境保护的双重压力。各种新型发电形式的开发和应用，对缓解当前的能源压力起着重要作用。寻求减少环境破坏和自然资源消耗的新型发电形式，已成为可持续发展的必然要求。因此，开发和应用新型发电原理和设备，对环境保护和能源节约具有重大意义。同时，微电子技术领域中便携式电子设备和微型自驱动系统的发展，要求发电机具有更高的发电效率和更小的质量及体积，也对传统的发电装置提出了新的挑战。

摩擦发电是近年来备受关注的一种新型的将机械能转化为电能的方式，基本原理是利用得失电子能力不同的两种材料之间的相互接触和/或摩擦使得接触表面间发生电荷转移。

而随着煤炭、石油等化石燃料的不断耗尽，绿色能源逐渐成为人类发展的最终选择。其中，收集机械能产生电能，是绿色能源产生的重要来源之一，也是未来绿色能源发展的重要方向。

因此，本发明利用摩擦发电原理，设计了一种收集振动能量产生电能的振动型摩擦发电机。

发明内容

本发明的目的是提供一种振动型摩擦发电机，用于解决将振动能量转换为电能的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案提供了一种振动型摩擦发电机，包括外壳、电极板和振动颗粒，所述振动颗粒填充在所述外壳与所述电极板形成的空间中，且所述电极板的材料与所述振动颗粒的表面材料具有不同电负性，以使所述振动颗粒与所述电极板通过相互接触再分离的方式产生极性相反的电荷。

优选地，所述电极板的材料采用可导电的金属材料、有机物材料或者氧化物材料，所述振动颗粒的表面材料采用与所述电极板的材料呈不同电负性的绝缘材料或者半导体材料。

优选地，所述绝缘材料为聚合物高分子材料。

优选地，所述外壳为封闭结构，形成限制所述振动颗粒的空间，且所述电极板设置在所述外壳的内壁上。

优选地，所述外壳为非封闭结构，所述电极板与所述外壳共同形成限制所述振动颗粒的空间。

优选地，所述外壳由绝缘体材料制成。

优选地，所述振动颗粒为表面层包覆内核的核壳结构。

优选地，所述振动颗粒的形状为球形、椭球形或多面体。

优选地，所述振动颗粒和/或所述电极板的表面设置有微结构，该微结构用于增加所述振动颗粒与所述电极板的有效接触面积。

优选地，所述微结构包括纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构中的任一者或者多者形成的阵列。

优选地，在所述振动颗粒表面引入易得电子的官能团或修饰上阴离子，和/或在所述电极板表面引入易失电子的官能团或修饰上阳离子。

优选地，所述振动颗粒的填充度为40％至200％。

优选地，所述振动颗粒的填充度为100％至120％。

优选地，所述电极板的数量为一个。

优选地，设所述振动颗粒在与所述电极板分离时的最大距离为K、所述振动颗粒的尺寸为L以及电极板面积为S，则的比值范围在1:2:10至1:10:500之间。

优选地，所述电极板通过负载连接等电位，用于为该负载提供电能。

优选地，所述电极板的数量为两个。

优选地，所述两个电极板相互平行，并沿水平方向上下分布，分别为上电极板和下电极板。

优选地，所述两个电极板面积相同。

优选地，所述两个电板板相互平行且面积相等，设所述两个电极板之间的距离为H、所述振动颗粒的尺寸为L以及单个电极板面积为S，则的比值范围在1:2:10至1:10:500之间。

优选地，当两个电极板未连接时，两个电极板在设定时刻产生的电荷数量不同，形成电压。

优选地，两个电极板通过负载相连，用于为该负载提供电能。

优选地，两个电极板通过负载连接等电位，用于实现两个电极板分别为该负载提供电能。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明的振动型摩擦发电机具有结构简单、成本低廉、寿命长、输出电压高、电流大等优点，可应用于收集任何振动场合的动能，以产生电能。

本发明的其它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

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是实施方式中振动型摩擦发电机的结构示意图；

图2是实施方式中振动型摩擦发电机电流产生原理示意图；

图3是实施方式中振动型摩擦发电机电压产生原理示意图；

图4是实施方式中振动型摩擦发电机不同填充度的短路电流与开路电压波形曲线图。

附图标记说明

1、外壳；2、电极板；3、振动颗粒。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”是指示图中的方向；“内”指朝向相应结构内部，“外”指朝向相应结构外部；填充度定义为振动颗粒密排后形成的面积与电极板面积的比值×100％，即振动颗粒在电极板表面铺满一层时的填充度为100％。

如图1所示，本实施方式给出了一种振动型摩擦发电机，包括外壳1、电极板2和振动颗粒3，所述振动颗粒3填充在所述外壳1与所述电极板2形成的空间中，且所述电极板2的材料与所述振动颗粒3的表面材料具有不同电负性，以使所述振动颗粒3与所述电极板2通过相互接触再分离的方式产生极性相反的电荷。

所述电极板的数量优选为两个，本实施方式以图1所示的结构为例，包括两个相互平行的电极板，这两个电极板沿水平方向上下分布，分别为上电极板和下电极板。

两个电极板相对的表面优选均为平板状，面积不限，但优选为面积相同。在本实施方式中，振动颗粒可以在上电极板和下电极板之间移动，在振动能量比较大的情况下，全部或者部分振动颗粒3可以在交替与两个电极板碰撞，交替影响电极板上的电荷。在本实施方式中，设所述两个电极板之间的距离为H、所述振动颗粒的尺寸为L以及单个电极板面积为S，则的比值范围在1:2:10至1:10:500之间。

本实施方式中，为保证两个电极板之间不短路，外壳1由绝缘体材料制成，比如塑料、亚克力板等。所述外壳1可以为如图1所示的封闭结构，电极板和振动颗粒都设置在外壳围成的封闭空间中，所述电极板优选设置在所述外壳的内壁上。外壳也可以为非封闭结构，所述电极板与所述外壳共同形成限制所述振动颗粒的封闭空间。例如，外壳为一个无底面的圆筒，上电极板和下电极板分别作为圆筒的上下底面，振动颗粒3可以在外壳与两个电极板形成的圆柱形空间内振动。

需要说明的是，本发明中所述的封闭结构，指外壳自身可以形成限制振动颗粒运动的结构，使振动颗粒不会在振动过程中，从发电机中漏出，因此，外壳材料本身为网状等结构也包括在这里所述的封闭结构中。

本实施方式中，所述电极板的材料采用可导电的金属材料、有机物材料或者氧化物材料，所述振动颗粒的表面材料采用与所述电极板的材料呈不同电负性的绝缘材料或者半导体材料。常用的导电材料均可以用于制作电极板，优选采用金属或者合金材料，包括铝、铜、金和银中的一者或者多者的任意比例合金，优选为铝。

优选地，当所述电极板为金属材料时，振动颗粒可以采用具有电负性的聚合物高分子材料组成。可以选择的聚合物高分子材料有很多，可以从下列材料中任意选择：胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、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、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、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、聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。

本实施方式中，仅振动颗粒3的表面与电极板2接触，因此，只需要满足振动颗粒3的表面材料与电极板2的材料具有不同电负性的条件即可，振动颗粒3可以整体为均一材料，也可以为表面层包覆内核的核壳结构，例如为PTFE材料为表面层覆陶瓷材料内核的核壳结构。振动颗粒3采用核壳结构，还可以通过结构设计和材料选择对振动颗粒3的密度或者重心进行调节，满足不同环境的需要，这里不做详细介绍。

振动颗粒3的形状、材质和尺寸可变，如形状可以为球形、椭球形、多面体(如立方体)等。在本实施方式中，振动颗粒的尺寸定义为振动颗粒放置在长方形空间中时，所占据最小长方形空间中长、宽、高中的最大值。

本实施方式所述的振动型摩擦发电机中，振动颗粒的填充度可以为40％-200％，优选为100％-120％。实际中，振动颗粒的数量可以根据外壳的尺寸、形状以及两个电极板之间的距离灵活确定，最少可以为仅包括一个振动颗粒。两个电极板间的距离需要大于单个振动颗粒的尺寸，优选大于或等于2-8倍振动颗粒球尺寸。以球形为例，颗粒球尺寸为球的直径，振动颗粒可以大小均匀，也可以大小不一致，单个最大尺寸颗粒球横截面积S_颗粒远小于两个电极板面积S_电极，可以为S_电极﹥30S_电极。

两种具有不同电负性的材料互相接触时，可以在两种材料的表面分别形成极性相反的表面电荷，两种材料互相分离时，表面电荷将被保留。本实施方式所述的振动型摩擦发电机即是基于此设计的，以两个电极板材料为金属、振动颗粒外表面材料为PTFE为例，说明本实施方式所述的振动型摩擦发电机的工作原理。

首先振动颗粒能够自由活动，在任何频率条件的振动的惯性作用下与两个电极板相互碰撞与摩擦，振动颗粒上产生大量摩擦静电荷(负电荷)；电极板与振动颗粒相互碰撞摩擦，产生等量的正电荷。如图2所示，当上下两个金属电极直接用导线连接时，即短路条件下，当表面带电振动颗粒球接近某一金属电极板时，另一金属电极板上的正电荷向此金属电极板流动，形成电流。当上下两个电极板未连接时，如图3所示，即开路条件下，两个电极板在一定时刻摩擦电荷数量不同，形成电压。当上下电极板间通过一负载连接时，振动颗粒的上下振动导致正电荷在上下两个电极间通过负载不断往复流动，从而对负载供电。

在其他实施方式中，也可以将每个电极板分别与负载相连，负载可以与等电位(例如地电位)相连，在电极板与地电位之间形成电流，实现两个电极板分别为负载提供电能。

为了提高振动型摩擦发电机的输出性能，可以在振动颗粒3的表面和/或电极板表面，全部或部分地设置微结构，以增加振动颗粒3和电极板的有效接触面积，提高二者的表面电荷密度。该微结构优选为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，可以是通过光刻蚀、等离子刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，具体微纳米结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。

另外，也可以对振动颗粒3和/或电极板的表面进行化学改性，能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高发电机的输出性能，化学改性又分为如下两种类型：在振动颗粒3的表面引入更易得电子的官能团(强吸电子团)，或者在振动颗粒3表面修饰上阴离子；和/或，在电极板表面引入更易失电子的官能团(即强给电子团)，或者在电极板表面修饰上阳离子。

强给电子团可以包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子团可以包括：酰基、羧基、硝基、磺酸基等。官能团的引入可以采用等离子体表面改性等常规方法，例如可以使氧气和氮气的混合气在一定功率下产生等离子体，从而在电极板材料表面引入氨基。在材料表面修饰离子，可以通过化学键合的方式实现。例如，可以在采用聚二甲基硅氧烷PDMS的振动颗粒表面利用溶胶-凝胶(英文简写为sol-gel)的方法修饰上正硅酸乙酯(英文简写为TEOS)，而使其带负电。也可以在电极板金属金上利用金-硫的键结修饰上表面含十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的金纳米粒子，由于十六烷基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个电极板变成带正电性。本领域的技术人员可以根据振动颗粒和电极板的材料选择合适的修饰材料与其键合，以达到本发明的目的。

本实施方式并不限定振动颗粒3表面和电极板必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度并不影响二者之间的接触摩擦效果。对于两个电极板相对平行设置的情况，为了使振动颗粒在振动过程中能够在两个电极板之间的行进路线较短，优选电极板的材料为硬质材料；更优选的，振动颗粒外表面的材料为硬质材料。

下面给出制造本实施方式所述的振动型摩擦发电机的一个优选方案，但该振动型摩擦发电机的制造并不限制于此。

该优选方案中：选择亚克力板制作外壳，外壳的最大尺寸为14mm×85mm×125mm；选择面积相同的两个电极板，分成上电极板和下电极板，电极板材质为铝箔，尺寸为80mm×120mm，厚度范围为50nm-1mm，优选0.1mm，上下电极板间距离为8mm；选择PTFE材料制成的球形振动颗粒，直径2mm，且球形振动颗粒在电极板间的填充度为60％-120％。

根据上述对振动型摩擦发电机的工作原理的说明，选择频率为20Hz，振幅为4mm的振动，则按上述优选方案制造的振动型摩擦发电机，如图4所示的振动型摩擦发电机(填充度分别为60％、80％、100％、120％和140％)的短路电流与开路电压波形曲线，其输出的开路电压为1800V～3100V，短路电流为40μA～90μA，该振动型摩擦发电机工作时可同时驱动上千个LED发光。其中，填充度为100％和120％时输出性能最好。

在其他实施方式中，也可仅包括一个电极板2，振动颗粒3在振动过程中与该电极板互相碰撞，或者在电极板和/或外壳内壁之间互相碰撞，使振动颗粒和电极板带有极性相反的电荷。将电极板与负载相连，负载可以与等电位(例如地电位)相连，随着振动颗粒与电极板之间距离的变化，在电极板与地电位之间形成电流，电极板为负载提供电能。这种结构的振动型发电机中，振动颗粒在发电机中的填充度、外壳、振动颗粒和电极板的形状、材料和结构等与包括两个电极板的实施方式中的相同，这里不再复述。需注意的是，设所述振动颗粒在与所述电极板分离时的最大距离为K、所述振动颗粒的尺寸为L以及电极板面积为S，则的比值范围在1:2:10至1:10:500之间。单个最大尺寸振动颗粒横截面积S_颗粒远小于所述电极板面积S_电极，满足S_电极﹥30S_电极。

因此，结合上述实施方式，可知本发明的振动型摩擦发电机具有结构简单、成本低廉、寿命长、输出电压高、电流大等优点，可应用于收集任何振动场合的动能，以产生电能。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (23)

1.一种振动型摩擦发电机，其特征在于，包括外壳、电极板和振动颗粒，所述振动颗粒填充在所述外壳与所述电极板形成的空间中，且所述电极板的材料与所述振动颗粒的表面材料具有不同电负性，以使所述振动颗粒与所述电极板通过相互接触再分离的方式产生极性相反的电荷。

2.根据权利要求1所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述电极板的材料采用可导电的金属材料、有机物材料或者氧化物材料；所述振动颗粒的表面材料采用与所述电极板的材料呈不同电负性的绝缘材料或者半导体材料。

3.根据权利要求2所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述绝缘材料为聚合物高分子材料。

4.根据权利要求1所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述外壳为封闭结构，形成限制所述振动颗粒的空间，且所述电极板设置在所述外壳的内壁上。

5.根据权利要求1所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述外壳为非封闭结构，所述电极板与所述外壳共同形成限制所述振动颗粒的空间。

6.根据权利要求1所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述外壳由绝缘体材料制成。

7.根据权利要求1所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述振动颗粒为表面层包覆内核的核壳结构。

8.根据权利要求1所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述振动颗粒的形状为球形、椭球形或多面体。

9.根据权利要求1所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述振动颗粒和/或所述电极板的表面设置有微结构，该微结构用于增加所述振动颗粒与所述电极板的有效接触面积。

10.根据权利要求9所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述微结构包括纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构中的任一者或者多者形成的阵列。

11.根据权利要求1所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，在所述振动颗粒表面引入易得电子的官能团或修饰上阴离子，和/或在所述电极板表面引入易失电子的官能团或修饰上阳离子。

12.根据权利要求1-11任一项所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述振动颗粒的填充度为40％至200％。

13.根据权利要求12所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述振动颗粒的填充度为100％至120％。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述电极板的数量为一个。

15.根据权利要求14所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，设所述振动颗粒在与所述电极板分离时的最大距离为K、所述振动颗粒的尺寸为L以及电极板面积为S，则的比值范围在1:2:10至1:10:500之间。

16.根据权利要求14所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述电极板通过负载连接等电位，用于为该负载提供电能。

17.根据权利要求1至13中任一所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述电极板的数量为两个。

18.根据权利要求17所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述两个电极板相互平行，并沿水平方向上下分布，分别为上电极板和下电极板。

19.根据权利要求17或18所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述两个电极板面积相同。

20.根据权利要求17所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，所述两个电板板相互平行且面积相等，设所述两个电极板之间的距离为H、所述振动颗粒的尺寸为L以及单个电极板面积为S，则的比值范围在1:2:10至1:10:500之间。

21.根据权利要求17所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，当两个电极板未连接时，两个电极板在设定时刻产生的电荷数量不同，形成电压。

22.根据权利要求17所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，两个电极板通过负载相连，用于为该负载提供电能。

23.根据权利要求17所述的振动型摩擦发电机，其特征在于，两个电极板通过负载连接等电位，用于实现两个电极板分别为该负载提供电能。