CN106655877A

CN106655877A - 一种发电机

Info

Publication number: CN106655877A
Application number: CN201611129808.5A
Authority: CN
Inventors: 王中林; 蒋涛; 姚艳艳
Original assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Current assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: CN106655877B

Abstract

本发明涉及发电机技术领域，公开了一种发电机。发电机包括具有容置空间的发电机本体以及位于所述发电机本体的容置空间内的至少一个发电机单元，每个发电机单元包括：相对设置的第一质量板和第二质量板，所述第一质量板与所述第二质量板之间通过弹性部件连接；设置于第一质量板远离弹性部件一侧表面的第一电极层；设置于发电机本体的第一侧壁表面的第二电极层，所述第一侧壁靠近第一电极层且与第一电极层位置相对；设置于第一电极层，和/或第二电极层表面的第一摩擦层；其中，所述第一电极层和所述第二电极层用于当所述第一质量板撞击所述第一侧壁时，导出摩擦产生的感应电流。

Description

一种发电机

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种发电机。

背景技术

随着燃料短缺和能源危机的日益增加，从人们生活的自然环境中寻找新的能量来源吸引了业内的广泛关注。水波能、风能以及太阳能等作为清洁的可再生能源，具有极大的应用前景，其中，海洋中的水波能相比其它清洁能源表现出了更多的优势，如不依赖于季节、昼夜、天气以及温度等条件的限制。目前，将水波能转换为电能主要依靠传统的电磁感应发电机，传统的电磁感应发电机具有体积庞大、成本较高、易被腐蚀以及在海洋波频率下工作效率低等缺点，基于此，摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerators，简称TENG)应运而生。

摩擦纳米发电机是一种新型的收集机械能的能源装置，它具有高输出功率、高效率、低制造成本和无污染的特点。其工作原理为：利用摩擦电效应和静电感应的原理，在外界机械振动的作用下，使材料发生摩擦并在材料表面产生电荷，将产生的电荷中的正负电荷分离，以产生较高的电势，利用产生的电势驱动材料中的电子发生定向移动，以在外电路中产生电流，从而将从环境中收集的微弱机械能转化为电能并加以利用。

然而，现有的摩擦纳米发电机的工作频率与外界的机械振动频率相同，因而当外界的机械振动频率较低(如海洋波浪运动)时，摩擦纳米发电机在一定时间内收集的机械能和转换的电能都十分有限，这就导致摩擦纳米发电机在收集低频振动能源时的能量转化效率较低，电能的输出功率也较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种发电机，以提高其在收集低频振动能源时的能量转化效率，进而提高电能的输出功率。

本发明实施例提供一种发电机，包括具有容置空间的发电机本体以及位于所述发电机本体的容置空间内的至少一个发电机单元，每个发电机单元包括：

相对设置的第一质量板和第二质量板，所述第一质量板与所述第二质量板之间通过弹性部件连接；

设置于第一质量板远离弹性部件一侧表面的第一电极层；

设置于发电机本体的第一侧壁表面的第二电极层，所述第一侧壁靠近第一电极层且与第一电极层位置相对；

设置于第一电极层，和/或第二电极层表面的第一摩擦层；

其中，所述第一电极层和所述第二电极层用于当所述第一质量板撞击所述第一侧壁时，导出摩擦产生的感应电流。

优选的，所述发电机单元还包括：

设置于第二质量板远离弹性部件一侧表面的第三电极层；

设置于发电机本体的第二侧壁表面的第四电极层，所述第二侧壁靠近第三电极层且与第三电极层位置相对；

设置于第三电极层，和/或第四电极层表面的第二摩擦层；

其中，所述第三电极层和所述第四电极层用于当所述第二质量板撞击所述第二侧壁时，导出摩擦产生的感应电流。

优选的，所述第一电极层、第一摩擦层和第二电极层形成第一摩擦纳米发电部件；所述第三电极层、第二摩擦层和第四电极层形成第二摩擦纳米发电部件；两个摩擦纳米发部件的输出端分别通过整流器后并联。

具体的，所述弹性部件包括弹簧或者橡胶。

优选的，当所述弹性部件为弹簧时，所述弹簧的弹性系数为200N/m～500N/m。

优选的，当所述弹性部件为弹簧时，所述弹簧的弹性系数与所述第一质量板的质量的比值为1000～2000N/(Kg.m)，所述弹簧的弹性系数与所述第二质量板的质量的比值为1000～2000N/(Kg.m)。

优选的，所述第一电极层、第二电极层、第三电极层以及第四电极层的的厚度为15μm～100μm。

优选的，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的材质包括高分子材料薄膜。

优选的，所述第一摩擦层和/或所述第二摩擦层的厚度为50μm～200μm。

具体的，所述发电机本体包括发电机外壳以及位于发电机外壳内的分隔壁，所述分隔壁将所述发电机本体的容置空间间隔为多个独立腔体，每个独立腔体内包括一个发电机单元。

优选的，所述第一质量板与第一侧壁之间的距离为每个独立腔体长度的5％～15％，和\或所述第二质量板与第二侧壁之间的距离为每个独立腔体长度的5％～15％。

更优的，所述第一质量板与第一侧壁之间的距离为每个独立腔体长度的10％，和\或所述第二质量板与第二侧壁之间的距离为每个独立腔体长度的10％。

优选的，所述发电机本体为密封结构。

在本发明实施例提供的发电机中，第一质量块、第二质量块以及第一电极层组成了运动单元(当第一摩擦层设置于第一电极层表面时，运动单元还包括第一摩擦层)，在外界的机械振动刺激下，运动单元将发生运动，具体表现为第一质量板撞击第一侧壁，在发动机单元运动的过程中，弹性部件可以将运动单元运动产生的动能储存为弹性势能，进而在弹性势能的作用下，第一质量板会与第一侧壁发生周期性的碰撞与分离，第二质量板会与第二侧壁发生周期性的碰撞与分离，从而可以大大提高运动单元运动的频率，当外界的机械振动频率较低时，采用本发明实施例提供的发电机进行能量转换，可以将运动单元低频率的运动转化为较高频率的运动，并且第一电极层和第二电极层可以在第一质量板撞击第一侧壁时，导出摩擦产生的感应电流，因而采用本发明的发电机有利于提高其能量转化效率，进一步可以提高电能的输出功率。

附图说明

图1为本发明实施例发电机单元的结构示意图；

图2为本发明实施例发电机的结构示意图；

图3为本发明实施例一和对比例一中发电机在不同时间累积电荷的折线示意图；

图4为本发明实施例一和对比例一中外电路不同阻值的负载上的能量折线示意图；

图5为本发明实施例发电机包括四个发电机单元时，发电机的输出电压随时间变化的示意图；

图6为本发明实施例发电机包括四个发电机单元时，发电机的输出电流随时间变化的示意图。

附图标记说明：

100-发电机本体

200-发电机单元

101-第一侧壁

102-第二侧壁

103-发电机外壳

104-分隔壁

105-独立腔体

10-第一质量板

11-第一电极层

12-第二电极层

13-第一摩擦层

20-第二质量板

21-第三电极层

22-第四电极层

23-第二摩擦层

30-弹性部件

具体实施方式

为了提高发电机在收集低频振动能源时的能量转化效率，进而提高电能的输出功率，本发明实施例提供了一种发电机。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。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种发电机，包括具有容置空间的发电机本体100以及位于发电机本体100的容置空间内的至少一个发电机单元200，每个发电机单元200包括：

相对设置的第一质量板10和第二质量板20，第一质量板10与第二质量板20之间通过弹性部件30连接；

设置于第一质量板10远离弹性部件30一侧表面的第一电极层11；

设置于发电机本体100的第一侧壁101表面的第二电极层12，第一侧壁101靠近第一电极层11且与第一电极层11位置相对；

设置于第一电极层11，和/或第二电极层12表面的第一摩擦层13；

其中，第一电极层11和第二电极层12用于当第一质量板10撞击第一侧壁101时，导出摩擦产生的感应电流。

在图1所示的实施例提供的发电机中，第一质量块10、第二质量块20以及第一电极层11组成了运动单元(当第一摩擦层13设置于第一电极层11表面时，运动单元还包括第一摩擦层13)，在外界的机械振动刺激下，运动单元将发生运动，具体表现为第一质量板10撞击第一侧壁101，在发动机单元运动的过程中，弹性部件30可以将运动单元运动产生的动能储存为弹性势能，进而在弹性势能的作用下，第一质量板10会与第一侧壁101发生周期性的碰撞与分离，第二质量板20会与第二侧壁102发生周期性的碰撞与分离，从而可以大大提高运动单元运动的频率，当外界的机械振动频率较低时，采用本发明实施例提供的发电机进行能量转换，可以将运动单元低频率的运动转化为较高频率的运动，并且第一电极层11和第二电极层12可以在第一质量板10撞击第一侧壁101时，导出摩擦产生的感应电流，因而采用本发明的发电机有利于提高其能量转化效率，进一步可以提高电能的输出功率。

在本发明的一个优选实施例中，发电机单元200还包括：

设置于第二质量板20远离弹性部件30一侧表面的第三电极层21；

设置于发电机本体100的第二侧壁102表面的第四电极层22，第二侧壁102靠近第三电极层21且与第三电极层21位置相对；

设置于第三电极层21，和/或第四电极层22表面的第二摩擦层23。

其中，第三电极层21和第四电极层22用于当第二质量板20撞击第二侧壁102时，导出摩擦产生的感应电流。

在该实施例中，运动单元除包括第一质量块10、第二质量块20和第一电极层11外，还包括第三电极层21(当第二摩擦层23设置于第三电极层21表面时，运动单元还包括第二摩擦层23)，在运动单元的运动过程中，弹性部件30可以将运动单元运动产生的动能储存为弹性势能，进而在弹性势能的作用下，第一质量板10会与第一侧壁101发生周期性的碰撞与分离，第二质量板20也会与第二侧壁102发生周期性的碰撞与分离，并且第一电极层11和第二电极层12可以在第一质量板10撞击第一侧壁101时，导出摩擦产生的感应电流，第三电极层21和第四电极层22可以在第二质量板20撞击第二侧壁102时，导出摩擦产生的感应电流，因而采用该技术方案可以进一步提高发电机的能量转化效率，并且提高电能的输出功率。

其中，第一摩擦层13和第二摩擦层23的具体材质不限，只要与其接触的电极层的材料不同即可，优选采用高分子材料薄膜，例如聚偏氟乙烯(PVDF)或者聚四氟乙烯(PTFE)，在具体实施时，由于聚四氟乙烯的采购和实验操作均较为方便，因而优选采用聚四氟乙烯作为第一摩擦层13和第二摩擦层23的材质。

具体的，以第一摩擦层13设置于第一电极层11表面为例，本发明实施例提供的发电机的工作原理为：在外界机械刺激下，第一质量板会撞击第一侧壁，进而会在第一摩擦层和第二电极层表面产生电性相反的电荷，例如，在第二电极层表面产生正电荷，在第一摩擦层表面产生负电荷，在弹性部件的作用下，第一质量板会与第一侧壁分离，第一电极层与第二电极层之间会产生电动势，在电动势的作用下，第一电极层的电子会向第二电极层移动，进而在外电路中产生感应电流；当第一电极层与第二电极层分离至最大距离处时，电流为零；继而，在弹性部件的作用下，第一质量板会与第一侧壁重新靠近，在重新靠近的过程中，第二电极层上的负电荷会重新移动至第一电极层，因而会在外电路中产生与之前的感应电流方向相反的感应电流，直至第一质量板重新撞击第一侧壁。上述过程为第一质量板与第一侧壁撞击的一个运动周期，第二质量板撞击第二侧壁的过程类似，在此不再赘述。

图1中的发电机中，第一电极层11、第一摩擦层13和第二电极层12形成第一摩擦纳米发电部件；第三电极层21、第二摩擦层23和第四电极层22形成第二摩擦纳米发电部件。两个摩擦纳米发部件的输出电信号可以通过整流后并联，形成本发明提供发电机的输出电信号。图1中发电单元包括两个摩擦纳米发电部件的结构是优选的结构，可以充分利用机械能转变为电能，在其他实施例中，也可以只包括两个摩擦纳米发电部件中的任意一个摩擦纳米发电部件。

其中，第一质量板10与第二质量板20的具体材质不限，例如第一质量板10可以为亚克力质量板，第二质量板10可以为亚克力质量板。可以理解的，第一质量板和第二质量板的厚度相对长度和宽度而言较小，在无外力的情况下，第一质量板和第二质量板可以立于发电机本体的底壁。类似的，发电机本体100的材质也不限，可以采用亚克力材质的发电机本体，也可以采用防腐蚀性能较好的材料，优选发电机的本体为密封结构，以保证其可以在水流环境下的使用。

需要说明的是，第一电极层11、第二电极层12、第三电极层21以及第四电极层22的具体材质均不限，考虑到导电效果，第一电极层11、第二电极层12、第三电极层21以及第四电极层22的材质优选采用铜或者铝，当然，这只是本发明的一种优选情况，而并不能成为本发明的限制，凡是具有导电效果的材料，例如具有导电功能的金属层等，均可以作为一电极层11、第二电极层12、第三电极层21以及第四电极层22的材质。

在上述实施例中，第一摩擦层13和第二摩擦层23的具体厚度不限，本申请的发明人经过多次试验得知，当第一摩擦层13和第二摩擦层23的厚度在50μm～200μm范围内时，发电机的发电效果较佳。

值得一提的是，第一摩擦层与第一电极层11和/或第二电极层12的连接方式不限，例如，在一个具体实施例中，第一摩擦层13与第一电极层11，和/或第二电极层12粘接，在这种连接方式下，第一电极层11和第二电极层12的厚度为15μm～100μm；类似的，第二摩擦层23与第三电极层21，和/或第四电极层22粘接，第三电极层21和第四电极层22的厚度为15μm～100μm。

又例如，在另一个具体实施例中，第一电极层11或者第二电极层12通过镀膜工艺镀于第一摩擦层13表面，在这种情况下，第一电极层11和第二电极层12的厚度为50nm～200nm；类似的，第三电极层21或者第四电极层22通过镀膜工艺镀于第二摩擦层23表面，第三电极层21和第四电极层22的厚度为50nm～200nm。

需要说明的是，弹性部件30的具体材质不限，例如可以为弹簧或者橡胶。当弹性部件30为弹簧时，弹簧的弹性系数为200N/m～500N/m。本申请的发明人经过多次试验得知，当弹簧的弹性系数小于200N/m时，弹簧的作用力不足以推动或拖曳第一质量板10或者第二质量板20运动，弹簧储存的弹性势能较小，无法将运动单元低频率的运动转化为高频率的运动；当弹簧的弹性系数大于500N/m时，弹簧近似一个刚性的圆柱体，在这种情况下，弹簧无法发生往复振动，从而发电机无法产生周期性的电荷转移，进而无法提高电能的输出功率。综上，当弹簧的弹性系数在200N/m～500N/m范围内时，发电机的能量转化效果较佳，进而电能的输出功率较大。

在本发明的优选实施例中，当弹性部件为弹簧时，弹簧的弹性系数与第一质量板的质量的比值为1000～2000N/(Kg.m)，弹簧的弹性系数与第二质量板的质量的比值为1000～2000N/(Kg.m)。本申请的发明人经过多次试验得知，当弹簧的弹性系数与第一质量板或者第二质量板的质量的比值小于1000N/(Kg.m)时，弹簧不足以推动或拖曳第一质量板或者第二质量板移动，当弹簧的弹性系数与第一质量板或者第二质量板的质量的比值大于2000N/(Kg.m)时，弹簧无法发生往复振动，从而发电机无法产生周期性的电荷转移，进而无法提高电能的输出功率。综上，当弹簧的弹性系数与第一质量板或第二质量板的质量的比值为1000～2000N/(Kg.m)时，发电机的发电效果较好。

优选的，为了减少第一质量板和第二质量板滑动时的阻力，可以在发电机本体的底壁涂覆润滑油。

请参考图2所示，当本发明实施例提供的发电机应用于收集海洋能等能源时，发电机本体100包括发电机外壳103以及位于发电机外壳103内的分隔壁104，分隔壁104将发电机本体100的容置空间间隔为多个独立腔体105，每个独立腔体105内包括一个发电机单元200。通过多个发电机单元的协同作业，可以将海洋能等低频率振动能源带给发电机的振动频率提高，从而提高发电机的能量转换效率，进而提高电能的输出功率。

具体的，当发电机本体的分隔壁104将发电机本体100的容积空间间隔为四个独立腔体105时，即发电机具有四个发电机单元的情况下，发电机在不同时间的输出电压值如图5所示，发电机在不同时间的输出电流值如图6所示，当发电机包括的发电机单元的数量进一步增加时，发电机的输出电压和输出电流也会进一步增加，从而使本发明实施例的发电机在收集海洋能等能源方面拥有广阔的前景。

当然，发电机本体的具体形状不限，因而每个独立腔体的具体形状也不限，例如发电机本体可以为矩形或者球形，同样，每个独立腔体的形状也可以为矩形或者球形，在此不做具体限定。

值得一提的是，为了进一步提高第一质量板撞击第一侧壁，以及第二质量板撞击第二侧壁的频率，优选第一质量板与第一侧壁之间的距离为每个独立腔体长度的5％～15％，优选10％，同样，第二质量板与第二侧壁之间的距离为每个独立腔体长度的5％～15％，优选10％。

需要说明的是，在上述各实施例中，第一质量板可以与第二质量板完全相同，也可以不同，为了方便发电机的制造，优选第一质量板和第二质量板完全相同，包括质量、材质以及形状等等因素完全相同，类似的，第一电极层、第二电极层、第三电极层以及第四电极层也可以完全相同，同样，第一摩擦层和第二摩擦层也可以完全相同。

由此可见，根据本发明的发电机可选因素较多，根据权利要求可以组合出不同的实施例。因此实施例仅用于对本发明的说明和描述，并不是对本发明进行限制，下面将结合本发明的实施例对本发明进行说明。

实施例一：

发电机本体为亚克力材质的发电机本体，由分隔壁间隔开的每个独立腔体的长度为10cm，宽度为7.5cm；第一质量板与第二质量板完全相同，材质均为亚克力质量板；第一电极层、第二电极层、第三电极层以及第四电极层的材质均为铜片，铜片的厚度范围为50nm～1mm，优选为100μm；第一摩擦层和第二摩擦层的材质为PTFE，厚度为80μm，长度为7cm，宽度为7cm；弹性部件采用弹簧，弹簧的长度为4.5cm，弹簧的弹性系数适中，能够自由推动或拖曳第一质量板和第二质量板，第一质量板与第一侧壁之间的距离为1.0cm以内，第二质量板与第二侧壁之间的距离在1.0cm以内。

对比例一；

第一质量板与第二质量板之间采用刚性连接件连接，其它条件完全相同。

其中，图3是实施例一和对比例一中发电机累积电荷的折线图，从图3中可以明显看出，在特定时间内，对比例一累积的电荷为351.03nc，实施例一累积的电荷为747.84nc，实施例一所示的发电机的累积电荷相比对比例一中的发电机累积的电荷增加了113.0％，这是因为在弹簧的作用下，第一质量板和第二质量板可以具有多个运动周期，从而第一质量板撞击第一侧壁以及第二质量板撞击第二侧壁的频率更高，累积的电荷更多。

图4是实施例一和对比例一中发电机外电路中负载上的能量折线示意图，不难看出，当负载阻值为10⁷Ω时，负载上的能量达到峰值，在负载上的能量为峰值能量的情况下，实施例一所示的发电机中负载上的能量相比对比例一中负载上的能量增加了150.3％，因而，在实施例一的技术方案中，发电机的能量转化效率更高，电能输出功率也更高。

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

1.一种发电机，其特征在于，包括具有容置空间的发电机本体以及位于所述发电机本体的容置空间内的至少一个发电机单元，每个发电机单元包括：

设置于第一质量板远离弹性部件一侧表面的第一电极层；

设置于第一电极层，和/或第二电极层表面的第一摩擦层；

2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述发电机单元还包括：

设置于第二质量板远离弹性部件一侧表面的第三电极层；

设置于第三电极层，和/或第四电极层表面的第二摩擦层；

3.如权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述第一电极层、第一摩擦层和第二电极层形成第一摩擦纳米发电部件；所述第三电极层、第二摩擦层和第四电极层形成第二摩擦纳米发电部件；两个摩擦纳米发部件的输出端分别通过整流器后并联。

4.如权利要求1～3任一项所述的发电机，其特征在于，所述弹性部件包括弹簧或者橡胶。

5.如权利要求4所述的发电机，其特征在于，当所述弹性部件为弹簧时，所述弹簧的弹性系数为200N/m～500N/m。

6.如权利要求4所述的发电机，其特征在于，当所述弹性部件为弹簧时，所述弹簧的弹性系数与所述第一质量板的质量的比值为1000～2000N/(Kg.m)，所述弹簧的弹性系数与所述第二质量板的质量的比值为1000～2000N/(Kg.m)。

7.如权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述第一电极层、第二电极层、第三电极层以及第四电极层的厚度为15μm～100μm。

8.如权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的材质包括高分子材料薄膜。

9.如权利要求8所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和/或所述第二摩擦层的厚度为50μm～200μm。

10.如权利要求1～9任一项所述的发电机，其特征在于，所述发电机本体包括发电机外壳以及位于发电机外壳内的分隔壁，所述分隔壁将所述发电机本体的容置空间间隔为多个独立腔体，每个独立腔体内包括一个发电机单元。

11.如权利要求10所述的发电机，其特征在于，所述第一质量板与第一侧壁之间的距离为每个独立腔体长度的5％～15％，和\或所述第二质量板与第二侧壁之间的距离为每个独立腔体长度的5％～15％。

12.如权利要求11所述的发电机，其特征在于，所述第一质量板与第一侧壁之间的距离为每个独立腔体长度的10％，和\或所述第二质量板与第二侧壁之间的距离为每个独立腔体长度的10％。

13.如权利要求1～12任一项所述的发电机，其特征在于，所述发电机本体为密封结构。