CN107222125B - 镂空双圆环旋转式纳米发电机和发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及镂空双圆环旋转式纳米发电机，包括定环、动环、转动机构；定环和动环中，一个在内圆周，一个在外圆周；动环在转动机构的作用下绕圆周相对于定环转动，定环和动环在同一径向方向重叠时，两者紧贴且相对运动，在摩擦效应和压电效应的双重作用下，镂空双圆环旋转式纳米发电机发电。还涉及镂空双圆环旋转式纳米发电机的发电方法。本发明可以多方向施加旋转作用力，解决外力施加方向单一的问题，可以大大提高纳米发电机的输出效率，属于纳米发电技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及纳米发电技术，具体的说，涉及基于摩擦效应以及压电效应的镂空双圆环旋转式摩擦纳米发电机和发电方法。
背景技术
目前，随着便携式电子产品的迅猛发展，小型电池的能量密度并没有得到相应明显提高，因而限制电子产品的微型化，因此研究满足各种条件下的新型微型发电机装置成为新的热点。纳米发电机理论上可以获取任何微弱形式的机械能，例如人体运动、肌肉收缩、血液流动等所产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。纳米发电机具有体积小、易制作、能量易获取等优点。通常纳米发电机结构是直立式纳米发电机，例如将直立式纳米发电机植入鞋底，通过导线与外在的装置连接，将人行走过程中产生的电转换成电能，可能在某些领域或者特殊的条件下代替电池或者为电池充电。直立式纳米发电机输出电压是脉冲电压，根据已有报道可知输出电压大小很容易受到脉冲频率的影响，这使得应用范围受到极大的限制，因此需要重新设计纳米发电机的结构，从而扩大纳米发电机的应用范围。
通常情况下纳米发电机结构类似于平行板电容式结构，从上到下依次是驱动电极(肖特基势垒)、纳米线、固定基底。这种结构需要从两极板的外侧向内侧施加力使得两个极板内侧之间的纳米材料相互挤压摩擦，由于摩擦生电和压电效应来产生电荷，在外力撤销后两个极板分开实现电荷分离，当外接电路闭合就会形成电流实现对外供电。然而在实际生活中仅仅从两个正相对的方向施加力的情形并不是很常见，因此现有的结构存在这如下的不足：
(1)外力施加方向单一。现有的直立式纳米发电机由两块正相对的极板组成，很大程度上决定施力的方向只能沿着垂直极板的方向。如果一旦施力的方向稍微发生改变就会大大减小两极板的有效接触面积，在其他条件不变的情况下就会使输出的电荷量急剧减小。
(2)能量转换效率低。直立式纳米发电机输出电能需要经过受力、挤压、摩擦、分离这四步。最开始两个极板之间由于存在一定的间隙而未接触；当外加施加力时，两种材料相互挤压、摩擦发生电荷转移；当形变力释放后两个极板会自动分开，由于中间存在介质层电荷不能完全被中和而形成电势差；为平衡这个电势差，通过静电感应在最外层的极板上感应出相反电性的电荷，外部电路会形成瞬间电流；再次施加压力，摩擦电荷产生的电势不断降低，感应电荷通过外电路向相反方向流动，直至两极板重新接触电流归零。在整个相互作用过程中只有受力接触再分离才会实现电荷量的输出，到下一个同样的周期才回有电荷的输出，因此这中间存在很多都是不能输出电荷量的过程，仅仅作为完整过程中的一个辅助步骤，因此会严重影响纳米发电机的输出效率。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种通过多方向旋转施加力发电的镂空双圆环旋转式纳米发电机和发电方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
镂空双圆环旋转式纳米发电机，包括定环、动环、转动机构；定环和动环中，一个在内圆周，一个在外圆周；动环在转动机构的作用下绕圆周相对于定环转动，定环和动环在同一径向方向重叠时，两者紧贴且相对运动，在摩擦效应和压电效应的双重作用下，镂空双圆环旋转式纳米发电机发电。
作为一种优选，定环在外圆周，动环在内圆周。
作为一种优选，定环包括n段长度相等的圆弧段和n段长度相等的镂空段，圆弧段和镂空段一一间隔设置，圆弧段和镂空段对应的圆心角相等；动环包括n段长度相等的圆弧段和n段长度相等的镂空段，圆弧段和镂空段一一间隔设置，圆弧段和镂空段对应的圆心角相等；其中，n取正整数。
作为一种优选，镂空双圆环旋转式纳米发电机，还包括动轴套和n个骨架；动轴套与定环和动环同心，骨架与动环的圆弧段一一对应，骨架将动轴套的外侧和动环的圆弧段的内侧连接，骨架将动环的圆弧段的外侧顶紧在定环的圆弧段的内侧；动轴套套在转动机构的定轴上，绕定轴转动。
作为一种优选，骨架的形状为扇形。
作为一种优选，定环包括内层的第一摩擦层和外层的第一电极层，动环包括内层的第二电极层和外层的第二摩擦层。
作为一种优选，第一摩擦层和第二摩擦层采用不同的纳米材料；优选的，当第一摩擦层的材料为ZnO-MnO2-TiO2复合纳米材料时，第二摩擦层的材料为TiO2-MnO2-ZnO复合纳米材料，当第二摩擦层的材料为ZnO-MnO2-TiO2复合纳米材料时，第一摩擦层的材料为TiO2-MnO2-ZnO复合纳米材料；第一电极层和第二电极层均采用柔性电极材料。
作为一种优选，第一电极层和第二电极层的材料为聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷。
镂空双圆环旋转式纳米发电机的发电方法，采用镂空双圆环旋转式纳米发电机，动环在转动机构的作用下圆周转动，动环和定环同心，当动环和定环在径向方向上重叠并紧贴时，镂空双圆环旋转式纳米发电机发电。
作为一种优选，动环转动过程中，动环和定环始终保持动态接触。动态接触指的是接触面积不断的变化。
本发明的原理是：
镂空双圆环旋转式纳米发电机，包括不动部分镂空的外环——定环，可动部分镂空的内环——动环，动环围绕其旋转的定轴，以及支撑动环和定环紧密接触的骨架。对定环、动环而言，镂空部分和非镂空部分等间距排列，并且定环和动环镂空面积大小相等，动环还有支撑它和定环环紧密接触的骨架，并且所有骨架以辐射状的形式向外排列，辐射线汇聚的中心正好是两个圆环共有的转轴——定轴，动环绕定轴旋转。
初始状态定环的镂空段和动环的镂空段完全错开，一旦动环开始旋转，动环的圆弧段和定环的圆弧段就会从部分重合到完全重合，再从完全重合到完全分离，直至下一个新的开始。在动环和定环接触的过程中接触的部分由于纳米材料的压电特性以及不同材料的摩擦特性就会在接触部分两极板感应出等量的异种电荷，在接触的极板的外层由于静电感应会感应出等量的异种电荷，这样就形成电势差，一旦外电路闭合就会形成电流。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.通过旋转式结构实现动环和定环的相对运动，在摩擦效应和压电效应的双重作用下发电，可以多方向施加旋转作用力，解决外力施加方向单一的问题。
2.采用镂空、相互错开、工整对齐的接触摩擦双圆环的设计，定环和动环时刻保持动态接触，不但不会减小有效接触面积，而且能够在面积相同的情况下增大有效的接触面积，可以大大提高纳米发电机的输出效率，转换机械能为电能连续可输出电量，还能够产生电荷输出的同时对外供电。
3.电极层由柔性电极材料组成，这样正好可以将纳米材料做成环形。
附图说明
图1、图2、图3是实施例中镂空双圆环旋转式纳米发电机的三个工作工作状态的示意图。
图1-1是对应图1的电荷生成示意图。
图2-1和图2-2是对应图2的电荷生成示意图。
图3-1和图3-2是对应图3的电荷生成示意图。
其中，1、2为定环的圆弧段，3、4为动环的圆弧段，5为动轴套，6为骨架。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
镂空双圆环旋转式纳米发电机，包括定环、动环、转动机构、骨架、动轴套。
定环在外圆周，包括两段长度相等的圆弧段和两段长度相等的镂空段，其中圆弧段和镂空段的长度也相等，且一一间隔设置。定环包括内层的第一摩擦层和外层的第一电极层。
动环在外圆周，包括两段长度相等的圆弧段和两段长度相等的镂空段，其中圆弧段和镂空段的长度也相等，且一一间隔设置。动环包括内层的第二电极层和外层的第二摩擦层。
动轴套、定环、动环同心。两个扇形的骨架将动轴套的外侧和动环的圆弧段的内侧连接，从而骨架能将动环的圆弧段的外侧顶紧定环的圆弧段的内侧。动轴套绕位于中心的转动机构的定轴转动。
施加周向转动外力时，动环绕定轴圆周转动，动环的圆弧段和定环的圆弧段重叠或分离，重叠时，两者紧贴且相对运动，在摩擦效应和压电效应的双重作用下，镂空双圆环旋转式纳米发电机发电。
第一摩擦层的材料为ZnO-MnO2-TiO2复合纳米材料时，第二摩擦层的材料为TiO2-MnO2-ZnO复合纳米材料。第一电极层和第二电极层均采用柔性电极材料，本实施例为聚酰亚胺。所有的摩擦层由若干摩擦单元串联组成，所有的电极层由若干电极单元串联组成。第一摩擦层和第二摩擦层存在一定的得失电子能力的差异，在外力的作用下动环围绕定环旋转，动环的摩擦单元与定环的摩擦单元发生滑动摩擦，摩擦层表面所带有的摩擦静电荷随其一起移动，使得动环和定环的摩擦层和电极层之间存在感应电势差。动环和定环由最开始的接触到完全与其分离，在与这个分离的同时又与下一个定环开始接触直至分离，这样周而复始。
下面对镂空双圆环旋转式纳米发电机的发电原理进行详细的解释：
镂空双圆环旋转式纳米发电机的初始位置，如附图1所示。初始位置时刻定环的镂空段和动环的圆弧段对齐，这时刻由于没有接触也就没有摩擦挤压因此不会产生电荷，此时输出电压为零。
这时动环和定环之间的电荷分布如附图1-1所示
镂空双圆环旋转式纳米发电机由于动环转动，使得动环与定环之间有了一定的错位，如附图2所示。
这时动环和定环之间的接触摩擦和挤压，由于摩擦生电和压电效应，会出现如附图2-1所示的带电情形。
由于静电感应会在定环的外表面和动环的内表面感应出等量的异种电荷，如附图2-2所示。
随着动环的继续转动将会和定环之间的接触面积越来越大直至安全重合，如附图3所示。
这时动环和定环之间的接触摩擦和挤压，由于摩擦生电和压电效应，会出现如附图3-1所示的带电情形。
由于静电感应会在定环的外表面和动环的内表面感应出等量的异种电荷，如附图3-2所示
动环继续转动，这时动环和定环又会错开，如附图1所示。
动环继续运动，动环会和定环完全错开，直至与下一个定环开始接接触。
到此已经完整的描述定环的一个单元和动环的一个单元摩擦输出电荷的过程。此后旋转的过程会不断的重复该过程，以实现电荷的不间断输出。
除了本实施例提及的方式外，动环和定环还可以分别包括三段等长的圆弧段和三段镂空段，或四段，或五段，或其他数量；也可动环在外周，定环在内周。这些变换方式均在本发明的保护范围内。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.镂空双圆环旋转式纳米发电机，其特征在于：包括定环、动环、转动机构；定环和动环中，一个在内圆周，一个在外圆周；动环在转动机构的作用下绕圆周相对于定环转动，定环和动环在同一径向方向重叠时，两者紧贴且相对运动，在摩擦效应和压电效应的双重作用下，镂空双圆环旋转式纳米发电机发电；
定环包括内层的第一摩擦层和外层的第一电极层，动环包括内层的第二电极层和外层的第二摩擦层；
第一摩擦层和第二摩擦层采用不同的纳米材料；第一电极层和第二电极层均采用柔性电极材料；
当第一摩擦层的材料为ZnO-MnO2-TiO2复合纳米材料时，第二摩擦层的材料为TiO2-MnO2-ZnO复合纳米材料，当第二摩擦层的材料为ZnO-MnO2-TiO2复合纳米材料时，第一摩擦层的材料为TiO2-MnO2-ZnO复合纳米材料；
第一摩擦层和第二摩擦层存在一定的得失电子能力的差异，在外力的作用下动环围绕定环旋转，动环的摩擦单元与定环的摩擦单元发生滑动摩擦，摩擦层表面所带有的摩擦静电荷随其一起移动，使得动环和定环的摩擦层和电极层之间存在感应电势差。
2.按照权利要求1所述的镂空双圆环旋转式纳米发电机，其特征在于：定环在外圆周，动环在内圆周。
3.按照权利要求2所述的镂空双圆环旋转式纳米发电机，其特征在于：
定环包括n段长度相等的圆弧段和n段长度相等的镂空段，圆弧段和镂空段一一间隔设置，圆弧段和镂空段对应的圆心角相等；
动环包括n段长度相等的圆弧段和n段长度相等的镂空段，圆弧段和镂空段一一间隔设置，圆弧段和镂空段对应的圆心角相等；
其中，n取正整数。
4.按照权利要求3所述的镂空双圆环旋转式纳米发电机，其特征在于：还包括动轴套和n个骨架；动轴套与定环和动环同心，骨架与动环的圆弧段一一对应，骨架将动轴套的外侧和动环的圆弧段的内侧连接，骨架将动环的圆弧段的外侧顶紧在定环的圆弧段的内侧；动轴套套在转动机构的定轴上，绕定轴转动。
5.按照权利要求4所述的镂空双圆环旋转式纳米发电机，其特征在于：骨架的形状为扇形。
6.按照权利要求1所述的镂空双圆环旋转式纳米发电机，其特征在于：第一电极层和第二电极层的材料为聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷。
7.镂空双圆环旋转式纳米发电机的发电方法，采用权利要求1-6中任一项所述的镂空双圆环旋转式纳米发电机，其特征在于：动环在转动机构的作用下圆周转动，动环和定环同心，当动环和定环在径向方向上重叠并紧贴时，镂空双圆环旋转式纳米发电机发电。
8.按照权利要求7所述的镂空双圆环旋转式纳米发电机的发电方法，其特征在于：动环转动过程中，动环和定环始终保持动态接触。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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