CN106533246A - 纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微纳能源发电技术领域，公开了一种纳米发电机，该纳米发电机包括转子、定子、以及位于所述转子和所述定子之间的隔离层，其中，所述转子的一部分、所述定子的第一部分和所述隔离层组成摩擦发电机；以及所述转子的另一部分和所述定子的第二部分组成磁电发电机，所述定子的第三部分组成热电发电机。本发明上述的纳米发电机利用摩擦电效应、磁电效应和热电效应的耦合实现了稳定的直流电流输出，从而可以为各种电子设备提供可再生的电能，克服了已有外接电源储存容量有限且存在污染环境的问题。

Description

纳米发电机

技术领域

本发明涉及微纳能源发电技术领域，具体地，涉及一种纳米发电机。

背景技术

随着移动电子设备的快速发展，人们对于那些用于沟通、安全及传感的设备的依赖性日益增加。所有这些设备目前都需要外接电源进行驱动，例如锂电池，然而锂电池具有有限的能量储存容量且存在环境污染的问题。相应地，利用锂电池也就无法满足在偏远地区或特定环境等的高电能需求。例如，在发展中国家或地区的科学家或者探险者在探险过程中传统的电能不能满足需求时，发展可再生的依靠人类运动驱动的移动能源是至关重要的。因此需要一种能够利用人类运动来为电子设备提供电能的设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米发电机，以解决现有技术中已有外接电源储存容量有限且存在污染环境的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种纳米发电机，该纳米发电机包括转子、定子、以及位于所述转子和所述定子之间的隔离层，其中，所述转子的一部分、所述定子的第一部分和所述隔离层组成摩擦发电机；以及所述转子的另一部分和所述定子的第二部分组成磁电发电机，所述定子的第三部分组成热电发电机。

通过上述技术方案，本发明的纳米发电机由转子的一部分、定子的第一部分和隔离层组成摩擦发电机，由转子的另一部分和定子的第二部分组成磁电发电机，以及由定子的第三部分组成热电发电机，由此可以利用摩擦电效应、磁电效应和热电效应的耦合将人类运动(机械能)转化为电能以实现稳定的直流电流输出，从而可以为各种电子设备提供可再生的电能，克服了已有外接电源储存容量有限且存在污染环境的问题。

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是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的结构示意图；

图2是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的转子的结构示意图；

图3是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的电极单元层的结构示意图；

图4是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的线圈层的结构示意图；

图5是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的隔离层的结构示意图；

图6是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的温差热电片层的结构示意图；

图7是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的导热金属板的示意图；

图8A和8B是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的磁电发电机在3000转/分钟下的输出电信号图；

图9A和9B是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的摩擦发电机在3000转/分钟下的输出电信号图；以及

图10A和10B是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的热电发电机在3000转/分钟下的输出电信号图。

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。

图1是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的结构示意图。图2是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的转子的结构示意图。图3是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的电极单元层的结构示意图。图4是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的线圈层的结构示意图。图5是根据本发明一种实施方式的纳米发电机的隔离层的结构示意图

如图1所示，本发明一种实施方式提供的纳米发电机100包括转子10、定子20、以及位于所述转子10和所述定子20之间的隔离层30，其中，所述转子10的一部分、所述定子20的第一部分和所述隔离层30组成摩擦发电机；以及所述转子10的另一部分和所述定子20的第二部分组成磁电发电机，所述定子20的第三部分组成热电发电机。

通过由转子的一部分、定子的第一部分和隔离层组成摩擦发电机、由转子的另一部分和定子的第二部分组成磁电发电机、以及由定子的第三部分组成热电发电机构成本发明的纳米发电机，由此可以利用摩擦电效应、磁电效应和热电效应的耦合将人类运动(机械能)转化为电能以实现稳定的直流电流输出，从而可以为各种电子设备提供可再生的电能，克服了已有外接电源储存容量有限且存在污染环境的问题。

根据本发明一种实施方式，所述转子10包括同轴依次设置的磁体层101和摩擦单元层102。所述定子20包括同轴依次设置的电极单元层200、线圈层203、温差热电片层204和导热金属板205，其中所述摩擦单元层102、所述电极单元层200和所述隔离层30组成摩擦发电机，所述磁体层101和所述线圈层203组成磁电发电机，所述温差热电片层204和所述导热金属板205组成热电发电机。

其中，所述隔离层30位于所述摩擦单元层102与电极单元层200之间。摩擦单元层102不需要另外附着电极层以及连接导线，可以实现自由移动。

结合图1-5所示，所述磁体层101包括第一基板和在所述第一基板上设置的多对间隔排列的N极和S极磁体M，所述摩擦单元层102包括多个摩擦单元T。所述电极单元层200包括交替间隔设置的多个第一电极单元201和多个第二电极单元202，所述线圈层203包括第二基板和在第二基板上设置的多个线圈，所述温差热电片层204包括第三基板和在所述第三基板的上表面上设置的多个温差热电片，所述导热金属板205设置在所述第三基板的下表面上。其中，所述摩擦单元层102与所述电极单元层200之间通过相对旋转产生滑动摩擦，并经由所述第一电极单元201和第二电极单元202以及所述多个线圈和所述多个温差热电片输出电信号。

其中，磁体M与线圈可以分别固定设置在第一基板和第二基板上。例如，磁体M的对数可以设置为m，而线圈的个数可以设置为2m。也就是，线圈的个数为磁体M的对数的二倍即可。本领域技术人员应当理解，上述描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。

对于温差热电片层204和导热金属板205，温差热电片层204的热输入端面(多个温差热电片)与第二基板贴合，温差热电片层204的热输出端面(第三基板)与导热金属板205贴合。

根据本发明一种实施方式，所述第一电极单元201与所述第二电极单元202可以为相同的导电材料：所述第一电极单元201与所述第二电极单元202之间的间隔范围为10nm-1cm。

对于多个摩擦单元T，该多个摩擦单元T以发电机的旋转轴为圆心向外辐射间隔排列。类似地，第一电极单元201与所述第二电极单元202也是以发电机的旋转轴为圆心向外辐射间隔排列。其中，所述第一电极单元201与所述第二电极单元202在同一平面内间隔设置。

根据本发明一种实施方式，所述多个第一电极单元201相互并联连接，所述多个第二电极单元202相互并联连接；所述多个线圈相互串联连接构成线圈回路；所述多个温差热电片相互串联连接，其中所述线圈为单相同心式绕组平面环形线圈。优选地，线圈的直径大小可以与磁铁的直径大小相等，线圈的匝数例如可以大于2000匝。

根据本发明一种实施方式，其中所述第一电极单元201和所述第二电极单元202的上表面与所述隔离层30的下表面接触，所述多个摩擦单元T中的每个摩擦单元T的下表面交替与下表面连接有所述第一电极单元201的隔离层30的上表面和下表面连接有所述第二电极单元202的隔离层30的上表面相接触(也就是，每一个摩擦单元T不会同时与第一电极单元201和第二电极单元202接触)，且所述摩擦单元T的材料与所述隔离层30的材料具有不同的摩擦电性质。

其中，所述隔离层30可以为聚合物材料，所述隔离层30的厚度范围可以为10nm-1mm。

根据本发明一种实施方式，所述摩擦单元T可以为聚合物材料、半导体材料或导电材料。所述摩擦单元T的形状和尺寸与所述第一电极单元201和/或所述第二电极单元202的形状和尺寸相同。

此外，所述第一电极单元201和所述第二电极单元202上可以覆盖有绝缘层，所述绝缘层可以为高分子聚合物材料，所述绝缘层的厚度范围为10-50μm。

根据本发明一种实施方式，所述第一电极单元201的尺寸和形状与所述第二电极单元202的尺寸和形状相同，例如，二者均为独立的扇形或顶点被同心圆切割后形成的部分扇形单元。可替换地，所述第一电极单元201的尺寸和形状与所述第二电极单元202的尺寸和形状也可以为互补的，例如，当其中第二电极单元202为独立的扇形或顶点被同心圆切割后形成的部分扇形单元的情况下，第一电极单元201以互补的方式填充在第二电极单元202之间，反之亦然。优选地，第二电极单元202的扇形或部分扇形的最小弧长和第二电极单元202的厚度之比可以为0.01:1000。

其中，多个第一电极单元201的内侧互相连接形成封闭的内边缘，多个第二电极单元202的外侧互相连接形成封闭的外边缘；或者，多个第一电极单元201的外侧互相连接形成封闭的外边缘，多个第二电极单元202的内侧互相连接形成封闭的内边缘。

根据本发明一种实施方式，所述温差热电片为导热高分子材料。优选地，温差热电片的额定电流可以为6A，额定电压可以为12V，外形尺寸可以为40*40*3.8mm(分别对应长度、宽度和厚度)。

根据本发明一种实施方式，所述导热金属板为非铁磁性金属。其中，所述非铁磁性金属为以下中的一者：铜、铝、银和金。优选地，所述导热金属板为导热铜板。

根据本发明一种实施方式，所述纳米发电机100还包括绝缘保温层，设置在所述温差热电片的四周。其中，所述绝缘保温层为硅胶片或导热硅脂。

通过设置绝缘保温层，可以避免电极单元短路的问题。

虽然图1中示出的是温差热电片层204和导热金属板205位于电极单元层200之下，但本发明不限于此。可替换地，温差热电片层204和导热金属板205也可以位于摩擦单元层102之上。

对于本发明上述的纳米发电机，在该发电机工作时，摩擦单元层102在隔离层30表面来回滑动，摩擦单元T交替与背面分别贴合有第一电极单元201和第二电极单元202的隔离层30的表面接触和分离(即，摩擦单元层102相对于两个电极单元发生旋转，并交替与两个电极单元接触和分离)。在这个过程中，转子10的摩擦单元层102的摩擦单元T和隔离层30相互接触的表面带相反的电荷。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30始终相对于两个电极单元保持静止，因此它表面所带的静电荷在两个电极单元间产生的感应电势差始终保持不变，不会为电流的产生提供驱动力。而摩擦单元层102上的静电将随其本身的滑动一起移动，并且在交替靠近两个电极单元时，反复改变两个电极单元间的感应电势差，从而吸引电极单元回路中所带的异号电荷在两个电极单元之间移动，由此在外电路产生电流，其输出电信号可以如图9A和9B所示(图9A和9B是根据本发明实施方式的纳米发电机的磁电发电机在3000转/分钟下的输出电信号图，其中图9A为电流输出示意图，图9B为电压输出示意图，摩擦单元T的数量为180)。同时，由于磁体层101旋转产生的磁场变化导致线圈层203发生电磁感应而输出电信号，其输出电信号可以如图8A和8B所示(图8A和8B是根据本发明实施方式的纳米发电机的磁电发电机在3000转/分钟下的输出电信号图，其中图8A为电流输出示意图，图8B为电压输出示意图，磁体的对数为4，线圈的个数为8)。

对于磁电发电机，由于圆盘旋转时，通过线圈M的磁通量产生周期相变化，从而对外输出电信号。对于热电发电机，由于圆盘旋转时会产生热量，可以作为热电发电机的热源，通过导热金属板对热量的传导，从而在温差热电片两侧产生温度差，进而对外电路输出电信号，其输出电信号可以如图10A和10B所示(图10A和10B是根据本发明实施方式的纳米发电机的磁电发电机在3000转/分钟下的输出电信号图，其中图10A为电流输出示意图，图10B为电压输出示意图，温差热电片的数量为8)。

在上述实施方式中，关于各部件的材料和/或尺寸的描述，仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。此外，对于各部件的数量，本领域技术人员可以根据实际情况进行设定，本发明不对此进行限定。

从上述实施方式中可以看出，本发明提供的纳米发电机不仅克服了已有外接电源储存容量有限且存在污染环境的问题，而且由于其中的第一电极单元与第二电极单元设置在同一平面内(这样可以显著增加表面电荷的产生和转移效率)并与摩擦层相对旋转接触进行发电(大幅提高了电荷输出的效率)，同时对于摩擦产生的废热能够通过温差热电片和导热金属板进行有效利用，从而极大的提高了发电机能量转化效率。此外，本发明的纳米发电机结构简单，成本低廉，便于实际应用。

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。

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 (17)

1.一种纳米发电机，其特征在于，该纳米发电机包括转子、定子、以及位于所述转子和所述定子之间的隔离层，其中，

所述转子的一部分、所述定子的第一部分和所述隔离层组成摩擦发电机；以及

所述转子的另一部分和所述定子的第二部分组成磁电发电机，所述定子的第三部分组成热电发电机。

2.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，所述转子包括同轴依次设置的磁体层和摩擦单元层。

3.根据权利要求2所述的纳米发电机，其特征在于，所述定子包括同轴依次设置的电极单元层、线圈层、温差热电片层和导热金属板，其中所述摩擦单元层、所述电极单元层和所述隔离层组成摩擦发电机，所述磁体层和所述线圈层组成磁电发电机，所述温差热电片层和所述导热金属板组成热电发电机。

4.根据权利要求3所述的纳米发电机，其特征在于，

所述磁体层包括第一基板和在所述第一基板上设置的多对间隔排列的N极和S极磁体，所述摩擦单元层包括多个摩擦单元。

5.根据权利要求4所述的纳米发电机，其特征在于，所述电极单元层包括交替间隔设置的多个第一电极单元和多个第二电极单元，所述线圈层包括第二基板和在第二基板上设置的多个线圈，所述温差热电片层包括第三基板和在所述第三基板的上表面上设置的多个温差热电片，所述导热金属板设置在所述第三基板的下表面上；

其中，所述摩擦单元层与所述电极单元层之间通过相对旋转产生滑动摩擦，并经由所述第一电极单元和第二电极单元以及所述多个线圈和所述多个温差热电片输出电信号。

6.根据权利要求5所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一电极单元与所述第二电极单元为相同的导电材料；所述第一电极单元与所述第二电极单元之间的间隔范围为10nm-1cm。

7.根据权利要求5或6所述的纳米发电机，其特征在于，所述多个第一电极单元相互并联连接，所述多个第二电极单元相互并联连接；所述多个线圈相互串联连接构成线圈回路；所述多个温差热电片相互串联连接，其中所述线圈为单相同心式绕组平面环形线圈。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的纳米发电机，其特征在于，其中所述第一电极单元和所述第二电极单元的上表面与所述隔离层的下表面接触，所述多个摩擦单元中的每个摩擦单元的下表面交替与下表面连接有所述第一电极单元的隔离层的上表面和下表面连接有所述第二电极单元的隔离层的上表面相接触，且所述摩擦单元的材料与所述隔离层的材料具有不同的摩擦电性质。

9.根据权利要求8所述的纳米发电机，其特征在于，所述隔离层为聚合物材料，所述隔离层的厚度范围为10nm-1mm。

10.根据权利要求4-9中任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述摩擦单元为聚合物材料、半导体材料或导电材料。

11.根据权利要求5-9中任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一电极单元和所述第二电极单元上覆盖有绝缘层，所述绝缘层为高分子聚合物材料，所述绝缘层的厚度范围为10-50μm。

12.根据权利要求5-9和11中任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述摩擦单元的形状和尺寸与所述第一电极单元和/或所述第二电极单元的形状和尺寸相同。

13.根据权利要求5-9和11-12中任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一电极单元的尺寸和形状与所述第二电极单元的尺寸和形状相同。

14.根据权利要求3-13中任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述温差热电片为导热高分子材料。

15.根据权利要求3-14中任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述导热金属板为非铁磁性金属。

16.根据权利要求3-15中任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述纳米发电机还包括绝缘保温层，设置在所述温差热电片的四周。

17.根据权利要求16所述的纳米发电机，其特征在于，所述绝缘保温层为硅胶片或导热硅脂。