CN106787930A - 一种弹性结构的摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种弹性结构的摩擦纳米发电机，包括弹性基底、若干个发电单元和质量块，弹性基底为蛇形弯折的多层折叠结构，相邻两层基底互相连接形成U型或V型凹陷结构；发电单元包括面对面设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元，分别设置在相邻两层基底上；在振动能量作用下，质量块上下振动，弹性基底作用下使第一摩擦单元和第二摩擦单元互相接触分离，第一摩擦单元的电极和第二摩擦单元的电极之间产生电信号。在弹性基底的支撑结构上实现了多个发电机单元的并联，通过调整质量块调整发电机最佳输出频率范围，可以在3～30hz低频范围内有效将环境振动能量转换为电能。

Description

一种弹性结构的摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及能量转换领域，特别涉及一种在很宽频率范围内收集环境振动能量的摩擦纳米发电机。

背景技术

近些年，无线传感器网络发展迅速，被广泛应用在环境、安全、过程控制和健康监视等领域，改善了资源的利用效率，实现了自然环境和工程控制的智能化。但是，大量的无线传感器节点也带来了一些亟待解决的问题，特别是对能源的需求。随着科技的发展，虽然电池技术性能已经得到很大改进，但是依然无法跟上无线传感器对能源需求的增长速度。振动能量作为自然环境中普遍存在的一种机械能，受外界条件限制较少，收集利用便捷，是无线传感器网络替代能源的理想选择。而在较宽频率范围内实现能量高效收集的纳米发电机技术是解决振动能量收集与利用的重要手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种包括弹性结构的摩擦纳米发电机，利用了不同位置处发电单元的共振频率不同，可以在很宽频率范围内收集环境振动能量。

本发明提供的一种弹性结构的摩擦纳米发电机，包括：弹性基底、若干个发电单元和质量块，其中

所述弹性基底为蛇形弯折的多层折叠结构，相邻两层基底互相连接形成U型或V型凹陷结构；

所述发电单元包括面对面设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元，分别设置在相邻两层基底上；

所述质量块与所述弹性基底的一端固定设置，在振动能量作用下，所述质量块上下振动，弹性基底作用下使第一摩擦单元和第二摩擦单元互相接触分离，第一摩擦单元的电极和第二摩擦单元的电极之间产生电信号。

优选的，包括多个由所述弹性基底和所述发电单元组成的弹性发电部件，多个所述弹性基底共同支撑所述质量块。

优选的，所述发电单元中，第一摩擦单元包括设置在所述弹性基底上的第一电极层和与第一电极层接触设置的第一摩擦层；第二摩擦单元包括设置在所述弹性基底上的第二电极层和与第二电极层接触设置的第二摩擦层；第一摩擦层和第二摩擦层面对面设置，并且第一摩擦层和第二摩擦层的表面材料存在摩擦电极序差。

优选的，所述第一摩擦层或第二摩擦层的材料选自导体、绝缘体或半导体材料。

优选的，所述第二摩擦层选自导电材料。

优选的，所述第二摩擦层代替所述第一导电层。

优选的，同一层所述弹性基底两侧设置的摩擦单元同为第一摩擦单元或者同为第二摩擦单元。

优选的，所有发电单元的第一电极层并联后连接至整流单元，所有发电单元的第二电极层并联后连接至整流单元。

优选的，任意相邻两个所述V型或U型凹陷结构的开口方向相反。

优选的，在每个V型或U型的凹陷结构内均包括一个所述发电单元。

优选的，所述质量块的质量为1000g～4000g，发电机的共振频率范围为3～30hz。

优选的，发电机的共振频率为5～8hz时，质量块质量为3000±200g；

或者，发电机的共振频率为13～16hz时，质量块质量为1500±200g。

优选的，所述弹性基底选自表面包括绝缘层的金属薄膜材料、无机非金属材料和有机高分子材料或其组合。

优选的，所述弹性基底的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、橡胶、聚酰亚胺薄膜或纸张。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明提供的弹性结构的摩擦纳米发电机，在弹性基底的支撑结构上实现了多个发电机单元的并联，通过调整质量块调整发电机最佳输出频率范围，可以在3～30hz低频范围内有效将环境振动能量转换为电能。摩擦纳米发电机具有结构简单紧凑，制备方法简便，输出功率大，工作频率范围宽等特点，在车载传感器供电、大型装备健康状况监控，无线传感网络节点、环境气象监测、环境水质监测等领域有着广泛的应用前景。

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，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明的弹性结构的摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2为弹性结构的摩擦纳米发电机的发电单元的结构示意图；

图3为摩擦纳米发电机的弹性基底的结构示意图；

图4为摩擦纳米发电机包括多个弹性发电部件的结构示意图；

图5为一个具体实施例的摩擦纳米发电机采用不同质量块时的输出测试结果。

具体实施方式

本发明提供一种在很宽频率范围内收集环境振动能量的摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机包括多个折叠结构的发电单元，并可通过质量块调整共振频率范围，在3hz到30hz的宽频范围内的振动能量有效转化为电能。

为了便于理解本发明的技术方案，下面结合附图详细介绍本发明的具体实施方式。

参见图1，本实施例的弹性结构的摩擦纳米发电机，包括弹性基底1、若干个发电单元和质量块5，其中：弹性基底1为蛇形弯折的多层折叠结构，相邻两层基底互相连接形成U型凹陷结构；发电单元包括面对面设置的第一摩擦单元2和第二摩擦单元3，分别设置在相邻两层基底1上，即U型凹陷结构内表面的两层相邻的基底分别支撑发电单元的一个摩擦单元，弹性基底1和发电单元组成弹性发电部件；质量块5与弹性基底1的一端固定设置，在振动能量作用下，质量块5上下振动，使弹性基底1发生形变使第一摩擦单元2和第二摩擦单元3互相接触并发生表面电荷转移，并且在弹性基底1的刚度(弹性)作用下第一摩擦单元2和第二摩擦单元3互相分离，第一摩擦单元2的电极和第二摩擦单元3的电极之间产生交流脉冲电信号。可以通过导线4将多个发电单元的输出电信号进行并联后作为一个统一的输出信号。

参见图2，发电单元中，第一摩擦单元2可以包括设置在弹性基底1上的第一电极层22和与第一电极层22接触设置的第一摩擦层21；第二摩擦单元3可以包括设置在弹性基底1上的第二电极层32和与第二电极层32接触设置的第二摩擦层31；第一摩擦层21和第二摩擦层22面对面设置，并且第一摩擦层21和第二摩擦层22的表面材料存在摩擦电极序差。在质量块5的作用下第一摩擦单元2和第二摩擦单元3互相接触，由于二者的表面材料存在摩擦电极序差，会在两个摩擦层表面产生表面电荷，互相分离后，由于静电感应作用，在第一电极层22和第二电极层23之间产生电荷流动。弹性基底的两层之间互相靠近和远离，在发电单元的第一电极层22和第二电极层23之间产生交流电信号，将多个发电单元的电信号经过整流后并联即可形成有效的电输出。

弹性基底材料的选择需要考虑到轻量化和柔性，蛇形弯折的层叠状基片1的各层之间的距离可以在质量块受到振动的作用力下往复变化。可以选择刚性较好的表面包括绝缘层的金属薄膜材料、无机非金属材料和有机高分子材料或其组合，如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、橡胶、纸张、聚酰亚胺薄膜或表面涂覆有绝缘涂层的金属铝片等弹性膜材料折叠而成，这种结构的弹性基底具有类似弹簧的特性。

对于弹性基底的蛇形弯折形状，不严格限定为本实施例所述的U型，近似U即可，也可以为V型。

参见图3，弹性基底1为蛇形弯折状层叠结构，所述层叠结构至少为三层，任意相邻两层之间互相连接形成V型或U型凹陷结构。弹性基底包括V型或U型凹陷结构的数量视情况可变。具体参见图3中a图所示，弹性基底A为蛇形弯折状层叠结构，任意相邻两层之间互相连接形成V型凹陷结构，图中A11层基片与相邻的A12层基片互相连接形成一个V型凹陷结构A1(虚线框中所示)，A12层基片与相邻的A13层基片互相连接形成一个V型凹陷结构A2(虚线框中所示)，弹性基底A的其他部分依次类推，这里不再列举，形成的“Z”字形弹性结构。参见图3中图b所示，弹性基底B为蛇形弯折状层叠结构，任意相邻两层基片之间互相连接形成U型凹陷结构，图中B11层基片与相邻的B12层基片互相连接形成一个U型凹陷结构B1(虚线框中所示)，B12层基片与相邻的B13层基片互相连接形成一个U型凹陷结构B2(虚线框中所示)，弹性基底B的其他部分依次类推，这里不再列举。类似的，所述弹性基底也可以为蛇形弯折状层叠结构，任意相邻两层基片之间互相连接形成U型或V型凹陷结构，并且，在同一弹性基底中，可以既包括U型凹陷结构，也包括V型凹陷结构，参加图3中c图所示。

可以在弹性基底的每个凹陷结构中都包括一个发电单元，多个发电单元之间进行并联。优选的，当质量块5的振动使弹性基底的每个V型或U型凹陷结构的开口变小时，每个发电单元的第一摩擦单元2和第二摩擦单元3互相接触；撤去外力时，弹性基底的刚度使发电单元的第一摩擦单元2和第二摩擦单元3分离。

优选的，弹性基底包括的相邻凹陷结构的开口方向相反(如图3中所示)，在外力作用下，多个V型和/或U型凹陷结构的开口尺寸同时缩小，撤去外力时，多个V型和/或U型凹陷结构的开口尺寸同时增大。

由于弹性基底1为蛇形弯折的多层折叠结构，在相邻的两层基底之间设置一个发电单元，如图1折所示，可以自上而下设置多个发电单元，在质量块5对弹性基底1作用时，不同位置处的发电单元本身具有其特征工作频率范围，多个发电单元的输出并联后可有效拓宽工作频率。弹性基底1除了作为支撑发电单元的结构基体之外，多层折叠形成的“Z”字形弹性结构可与环境振动形成共振；通过调整发电单元及弹性基底的质量块5，可以调整摩擦纳米发电机的共振频率范围，有效实现低频振动条件下发电机输出功率最大化。

发电单元中的第一摩擦层21与第二摩擦层31选择具有不同摩擦电特性的材料。所述的不同摩擦电特性意味着二者在摩擦电极序中处于不同的位置，从而使得二者在接触过程中能够在表面产生接触电荷，互相分离后，由于静电感应在第一摩擦单元的电极和第二摩擦单元的电极之间产生电信号。常规的高分子聚合物都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明第一摩擦层21和第二摩擦层31的材料，此处列举一些常用的高分子聚合物材料：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜等。

相对于绝缘体，半导体和金属均具有容易失去电子的摩擦电特性，在摩擦电极序的列表中常位于末尾处。因此，半导体和金属也可以作为制备第一摩擦层21或第二摩擦层31的原料。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。常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛或铬，以及由上述金属形成的合金。

对于第二摩擦层31选择导体材料时，可以用第二摩擦层31代替第二电极层32，使发电单元中省去第二电极层，这样，第二摩擦单元包括第二电极层，第一摩擦单元包括第一电极层和第一摩擦层。在这样情况下，为了便于电极层的导线连接，同一层弹性基底1两侧设置的摩擦单元同为第一摩擦单元或者同为第二摩擦单元。这样设置可以方便地将所有发电单元的第一电极层并联后连接至整流单元，将所有发电单元的第二电极层并联后连接至整流单元，参见图1。

在机械强度等条件允许的情况下，为了得到较大的输出功率，第一摩擦层和第二摩擦层需要选取较薄的材料并使两者之间接触时保持较大的接触面积。本发明中，第一摩擦层和/或第二摩擦层优选为薄膜，厚度为100nm-5mm，优选1μm-2mm。

发电单元的第一电极层和第二电极层的材料可以有多种选择，可以采用金属材料、氧化物导电材料等常用的电极材料，金属材料可以选自铜、铝、钛等金属，氧化物导体可以选自ITO等材料。第一电极层和第二电极层材料的制备可以采用蒸镀或者溅射方法，或者直接采用金属薄片作为电极层。

在其他实施例中，还可以包括多个弹性发电部件S，参见图4，每个弹性发电部件S包括弹性基底1和若干个发电单元，可以将多个弹性发电部件S并排设置在上下基底61和62之间，共同支撑质量块5。

这种结构的优点为多个发电单元并联，固定于基底不同位置的发电单元其最佳工作频率范围不同，若干单元并联可实现不同频率范围的叠加，有效拓宽弹性发电部件S的工作频率范围，多个弹性发电部件共同支撑质量块可使结构更加紧凑平稳，确保纳米发电机长时稳定输出。

质量块起配重的作用，质量块质量与发电机的最大输出功率范围相关，参见图5，当质量块增加时，共振及最佳工作频率向低频范围迁移，通过调整质量块的重量1000g～4000g，发电机可以在共振频率为3～30hz的频率范围内输出平稳。例如：发电机的最佳输出频率即共振频率为5～8hz时，质量块质量为3000±200g；共振频率为13～16hz时，质量块质量为1500±200g。

下面以一个具体实施例说明本发明提供的摩擦纳米发电机的输出效果。

裁减两块尺寸均为57mm×52mm的金属铝电极和FEP(聚全氟乙丙烯树脂)薄膜，FEP薄膜的下表面沉积有金属层形成发电单元的第一摩擦单元，金属铝电极作为发电单元的第二摩擦单元，金属铝电极和FEP薄膜表面都具有微纳米结构，呈现多孔特征。

裁剪宽度为60mm、厚度为125um的Kapton(聚酰亚胺)薄膜作为弹性基底，长度可根据需要附着的发电单元数量调整。将金属铝电极与第一摩擦单元附着在Kapton薄膜的两侧，FEP薄膜沉积有金属层的表面附着在Kapton薄膜上。在Kapton薄膜同侧金属铝电极和第一摩擦单元依次交错排列，金属铝电极和第一摩擦单元之间留有10mm间隙。同一位置Kapton薄膜两侧同为第一摩擦单元，或者同为金属铝电极。

将金属铝电极(即第二摩擦单元)和第一摩擦单元的金属层连接金属导线，同种摩擦单元的导线连接在一起形成并联。

将连接引线的Kapton薄膜按照“Z”形结构折叠，相邻不同摩擦单元上下叠加相邻，调整发电单元的两个摩擦单元间隙，形成一个多个发电单元并联的弹性发电结构。

在弹性发电结构上部固定质量块质量块，质量块重量与发电机的最大输出功率范围相关，参见图5，在3～30hz振动频率范围内均可以产生电信号输出，当质量块为550g时，最佳输出频率约为12～18hz，摩擦纳米发电机的输出电流约为240微安；当质量块为1590g时，最佳输出频率约为12～16hz；当质量块为3150g时，最佳输出频率约为6～8hz，摩擦纳米发电机的输出电流约为340微安。实验结果表明，在一定范围内质量块的质量块重量增加时，共振及最佳工作频率向低频范围迁移。

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 (14)

1.一种弹性结构的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括弹性基底、若干个发电单元和质量块，其中

所述弹性基底为蛇形弯折的多层折叠结构，相邻两层基底互相连接形成U型或V型凹陷结构；

所述发电单元包括面对面设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元，分别设置在相邻两层基底上；

所述质量块与所述弹性基底的一端固定设置，在振动能量作用下，所述质量块上下振动，弹性基底作用下使第一摩擦单元和第二摩擦单元互相接触分离，第一摩擦单元的电极和第二摩擦单元的电极之间产生电信号。

2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括多个由所述弹性基底和所述发电单元组成的弹性发电部件，多个所述弹性基底共同支撑所述质量块。

3.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电单元中，第一摩擦单元包括设置在所述弹性基底上的第一电极层和与第一电极层接触设置的第一摩擦层；第二摩擦单元包括设置在所述弹性基底上的第二电极层和与第二电极层接触设置的第二摩擦层；第一摩擦层和第二摩擦层面对面设置，并且第一摩擦层和第二摩擦层的表面材料存在摩擦电极序差。

4.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层或第二摩擦层的材料选自导体、绝缘体或半导体材料。

5.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦层选自导电材料。

6.根据权利要求5所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦层代替所述第一导电层。

7.根据权利要求5所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，同一层所述弹性基底两侧设置的摩擦单元同为第一摩擦单元或者同为第二摩擦单元。

8.根据权利要求7所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所有发电单元的第一电极层并联后连接至整流单元，所有发电单元的第二电极层并联后连接至整流单元。

9.根据权利要求1-8任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，任意相邻两个所述凹陷结构的开口方向相反。

10.根据权利要求1-9任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，在每个V型或U型的凹陷结构内均包括一个所述发电单元。

11.根据权利要求1-10任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述质量块的质量为1000g～4000g，发电机的共振频率范围为3～30hz。

12.根据权利要求11所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，发电机的共振频率为5～8hz时，质量块质量为3000±200g；

或者，发电机的共振频率为13～16hz时，质量块质量为1500±200g。

13.根据权利要求1-2任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述弹性基底选自表面包括绝缘层的金属薄膜材料、无机非金属材料和有机高分子材料或其组合。

14.根据权利要求13所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述弹性基底的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、橡胶、聚酰亚胺薄膜或纸张。