CN107370413A - 基于驻极体的纳米发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米发电领域，公开了一种基于驻极体的纳米发电机。其中，该纳米发动机包括相互间隔且同轴设置的转子和定子，所述转子包括驻极体材料层，所述定子包括插齿电极，所述转子在旋转运动的带动下旋转时，所述插齿电极上感应产生与所述驻极体材料层上所带电荷电性相反的电荷，并经由所述插齿电极的输出端输出电信号。通过使用本发明上述的基于驻极体的纳米发动机，能够将旋转机械能转化为电能输出，从而实现旋转机械能的收集。

Description

基于驻极体的纳米发电机
技术领域
本发明涉及纳米发电领域，具体地，涉及一种基于驻极体的纳米发电机。
背景技术
煤、石油和天然气等传统的化石能源对环境的污染越来越严重，随着人们环保意识的不断增强，利用清洁无污染的能源具有重要的意义。在众多可收集的能量中，机械能由于其大量、无处不在的特性已经成为能量收集的一种理想来源。目前已有的收集旋转产生的机械能的纳米发电机为摩擦纳米发电机或摩擦-磁电复合纳米发电机。然而，这两种摩擦发电机虽然具有较高的输出性能，但是寿命较短、摩擦材料容易磨损且结构相对复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于驻极体的纳米发电机，以解决上述现有技术中的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于驻极体的纳米发电机，该纳米发电机包括相互间隔且同轴设置的转子和定子，其中，所述转子包括驻极体材料层，所述定子包括插齿电极，所述转子在旋转运动的带动下旋转时，所述插齿电极上感应产生与所述驻极体材料层上所带电荷电性相反的电荷，并经由所述插齿电极的输出端输出电信号。
通过上述技术方案，本发明的基于驻极体的纳米发电机可以设置相互间隔且同轴设置的包括驻极体材料层的转子和包括插齿电极的定子，这样当所述转子在旋转运动的带动下旋转时，所述插齿电极上可以感应产生与所述驻极体材料层上所带的电荷电性相反的电荷，并经由所述插齿电极的输出端输出电信号。由此，旋转机械能可以被转化为电能输出，从而实现旋转机械能的有效收集。
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基于驻极体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基于驻极体的纳米发电机的输出电压信号示意图；
图3是根据本发明一种实施方式的基于驻极体的纳米发电机的输出电流信号示意图；
图4是根据本发明一种实施方式的基于驻极体的纳米发电机的输出功率信号示意图；
图5是根据本发明一种实施方式的基于驻极体的纳米发电机在不同的转速下为电容器充电的示意图；以及
图6是根据本发明一种实施方式的基于驻极体的纳米发电机的稳定性测试示意图。
附图标记说明
1 转子支撑件 2 驻极体材料层 3 保护层
4 插齿电极 5 基体 6 定子支撑件
10 转子 20 定子 100 基于驻极体的纳米发电机
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基于驻极体的纳米发电机的结构示意图。
如图1所示，本发明一种实施方式通过的基于驻极体的纳米发电机100包括相互间隔且同轴设置的转子10和定子20(也就是，所述转子10和定子20之间互不接触，构成非接触式结构)，其中：
所述转子10包括驻极体材料层2，所述定子20包括插齿电极4，所述转子在旋转运动的带动下旋转时，所述插齿电极4上感应产生与所述驻极体材料层2上所带电荷电性相反的电荷，并经由所述插齿电极4的输出端输出电信号。
通过上述技术方案，本发明的基于驻极体的纳米发电机可以设置相互间隔且同轴设置的包括驻极体材料层的转子和包括插齿电极的定子，这样当所述转子在旋转运动的带动下旋转时，利用静电感应效应所述插齿电极上可以感应产生与所述驻极体材料层上所带的电荷电性相反的电荷，并经由所述插齿电极的输出端输出电信号。由此，旋转机械能可以被转化为电能输出，从而实现旋转机械能的有效收集。
并且，本发明的基于驻极体的纳米发电机结构简单、制作简便，因此还具有成本较低的优点。
举例来讲，由于转子10与定子20位于同轴位置且二者之间保持一定距离，所以当旋转的机械能带动转子10旋转时，插齿电极4上就可以感应出与驻极体材料层2所带电荷电性相反的电荷，并且通过该插齿电极4的输出端可以向外输出周期性变化的正弦波形交流电信号，从而有效地将旋转的机械能转化为电能。
其中，所述转子10和所述定子20之间的间隔/距离范围可以为0.05-5mm。
如图1所示，其中所述转子10和定子20的形状可以均为圆盘状。相应地，所述转子10和定子20各自分别包括的组件可以为圆盘状。
根据本发明一种实施方式，如图1所示，所述转子还可以包括与所述驻极体材料层2同轴设置的转子支撑件1(转盘)，所述驻极体材料层2可以粘贴(例如紧密粘贴)在所述转子支撑件1表面。所述转子支撑件1用于对所述驻极体材料层2其起支撑作用。
其中，所述转子支撑件1可以为亚克力板，其厚度范围可以为3mm-1cm，直径可以为123.6mm。
根据本发明一种实施方式，如图1所示，所述定子20还可以包括与所述插齿电极4同轴设置的保护层3、基体5和定子支撑件6，所述基体5粘贴(例如紧密粘贴)在所述定子支撑件6表面，所述插齿电极4粘贴(例如紧密粘贴)在所述基体5和所述保护层3之间。
类似于所述转子支撑件1，所述定子支撑件6也可以为亚克力板，厚度范围可以为3mm-1cm。
其中，保护层3、插齿电极4和基体5共同构成PCB盘，可以通过PCB(PrintedCircuit Board)技术制备得到。而所述PCB盘固定在所述定子支撑件6表面上组成本发明基于驻极体的纳米发电机100的定子20。保护层3用于对所述插齿电极4进行保护。
此外，所述基体5的直径可以略小于所述插齿电极4的直径，而所述定子支撑件6的直径与所述插齿电极4的直径相同。例如，所述插齿电极4的直径可以为123.6mm。
其中，将基体5的直径设置为略小于所述插齿电极4的直径，可以有助于纳米发电机输出电流的增大。
本领域技术人员应当理解，上述关于基体5的直径不同于插齿电极4的直径的描述，仅仅是本发明一种优选实施方式，并非用于限定本发明。例如，基体5的直径也可以与插齿电极4的直径相同。
根据本发明一种实施方式，所述驻极体材料层2可以包括多个围绕所述转子10轴心均匀排列的驻极体长条。并且，优选地，所述驻极体长条的形状可以为等腰梯形状，所述驻极体长条的材料可以选择的材料范围很广，可以为以下中至少一种：聚丙烯、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、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、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、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯等材料。
举例来讲，驻极体长条的数量例如可以为45条，每条驻极体长条的尺寸可以例如为0.14cm*0.35cm*3.85cm(即，分别对应于等腰梯形的上底、下底和高)。
其中，多个驻极体长条中相邻的驻极体长条之间具有一定间隔。例如，多个驻极体长条可以为等间隔均匀排列。
根据本发明一种实施方式，所述插齿电极4的材料可以为铜。
根据本发明一种实施方式，所述转子10可以安装在可旋转的电动机(例如，具有升降台的可高速旋转的电动机，转子10可以固定在升降台上)轴上；所述定子20可以安装在三维可移动平台上，可以对定子20起固定和支撑作用，同时可以实现定子20的三维移动。
在所述电动机为具有升降台的可高速旋转的电动机时，本发明所述的基于驻极体的纳米发电机可以实现高速旋转机械能的收集。
本领域技术人员应当理解，上述关于材料和尺寸的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。
图2是根据本发明一种实施方式的基于驻极体的纳米发电机的输出电压信号示意图。图3是根据本发明一种实施方式的基于驻极体的纳米发电机的输出电流信号示意图。图4是根据本发明一种实施方式的基于驻极体的纳米发电机的输出功率信号示意图。
在图2至图4中，本发明所述的基于驻极体的纳米发电机100的转子支撑件(转盘)1的直径可以设置为123.6mm，转盘上可以设置有45条围绕转子10的圆心(轴心)均匀排布的尺寸为0.14cm*0.35cm*3.85cm(分别对应于上底、下底和高)的等腰梯形状驻极体长条(这45条等腰梯形状驻极体长条共同组成驻极体材料层2)。并且，通过PCB技术制备的圆盘状插齿电极4的直径也可以为123.6mm。
如图2所示，当转子10的旋转速度为4000r/min时，本发明所述的基于驻极体的纳米发电机100对外输出电压可以为41V。
如图3所示，当转子10的旋转速度为4000r/min时，本发明所述的基于驻极体的纳米发电机100对外输出电流可达到0.21mA。
如图4所示，当转子10的旋转速度为4000r/min时，最大功率可以为3.97mW，内阻0.196MΩ。
图5是根据本发明一种实施方式的基于驻极体的纳米发电机在不同的转速下为电容器充电的示意图。
在图5中，以本发明所述的基于驻极体的纳米发电机100为10000μF电容器充电为例。
如图5所示，当转子10的转速为4000r/min时，通过管理电路充电使电容器电压从0V增加到3V所需时间为58s，而通过整流器充电则需要201s。在充电201s后，转子10的转速分别为100r/min、500r/min、1000r/min、2000r/min和3000r/min时电容器电压分别为0.6V、0.73V、0.97V、1.64V和2.36V
在图5中，实线对应的是通过管理电路对电容器充电时的电压随时间的变化，其余的虚线、点虚线均是通过整流器对电容器充电时的电压随时间的变化。
图6是根据本发明一种实施方式的基于驻极体的纳米发电机的稳定性测试示意图。
如图6所示可知，当本发明所述的基于驻极体的纳米发电机100在一百天后仍能保持开路电压和短路电流分别为40V、0.21mA，具有非常优异的稳定性。
此外，本发明所述的基于驻极体的纳米发电机100输出的电信号可以用于驱动例如节能灯以及多功能温湿度计和蓝色发光二极管。
在用于驱动节能灯的情况下，是通过纳米发电机在4000r/min的转速下工作时通过管理电路将电压变为5V，电流变为160mA而实现的。
在用于驱动多功能温湿度计和蓝色发光二极管的情况下，是通过纳米发电机在4000r/min的转速下工作时通过管理电路将电压变为4.5V，电流变为160mA而实现的。
下面结合实例对本发明所述的基于驻极体的纳米发电机进行描述。
切割例如5mm厚直径为123.6mm的圆形的亚克力板作为转子支撑件1(转盘)，并将驻极体材料层2紧密粘贴在转盘表面(驻极体材料层2可以例如通过如下方式形成：首先在亚克力板上粘贴驻极体材料薄膜，然后通过激光切割机对驻极体材料薄膜进行切割，得到例如多条相互之间具有一定间隔(例如，等间隔均匀排列)且设计尺寸为0.14cm X 0.35cmX 3.85cm(分别对应于上底、下底和高)的等腰梯形状驻极体长条，相邻驻极体长条之间的间隔是通过撕除相邻驻极体长条之间的驻极体材料薄膜形成的)制成发电机的转子部分。最后将转子部分轴向安装在带有升降台的可高速旋转的电动机上。
其中，驻极体材料薄膜可以由聚丙烯材料制成，厚度可以为50um。也就是，驻极体长条可以由聚丙烯材料制成，厚度可以为50um。
切割例如5mm厚直径为110mm的圆形的亚克力板作为定子支撑件3，将PCB技术制备的PCB盘(包括基体5、插齿电极4和保护层3)精密轴向粘贴在亚克力板表面制成纳米发电机的定子部分。然后可以将定子部分固定在三维移动平台上。
其中，纳米发电机转子10和定子20二者之间的距离及转子10的转速对发电机的输出性能有较大影响。举例来讲，当纳米发电机的转子10安装在转速为4000r/min高速旋转的电动机上、三维移动平台调整转子10和定子20之间的距离为0.07mm时，纳米发电机的输出电压为41V，电流为0.21mA，可以分别参见图2-3所示。并且，本发明所述的纳米发电机通过管理电路可驱动节能灯和多功能温湿度计。
可替换地，当纳米发电机的转子10安装在转速为2000r/min高速旋转的电动机上、三维位移平台调整转子10和定子20之间的距离为0.07mm时，纳米发电机的输出电压为41V，电流为0.14mA。
从上述实施方式可以看出，本发明中收集旋转机械能的基于驻极体的纳米发电机具有下列优点：
1、本发明基于驻极体的纳米发电机结构简单、制作简便，成本较低。
2、由于纳米发电机的转子与定子之间是非接触式结构，不存在部件与部件之间的材料磨损，所以具有寿命长的优点。
3、由于纳米发电机的转子与定子之间不接触而没有热量产生，所以还具有优异的稳定性。
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 (11)

1.一种基于驻极体的纳米发电机，其特征在于，该纳米发电机包括相互间隔且同轴设置的转子和定子，其中，
所述转子包括驻极体材料层，所述定子包括插齿电极，所述转子在旋转运动的带动下旋转时，所述插齿电极上感应产生与所述驻极体材料层上所带电荷电性相反的电荷，并经由所述插齿电极的输出端输出电信号。
2.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，所述转子还包括与所述驻极体材料层同轴设置的转子支撑件，所述驻极体材料层粘贴在所述转子支撑件表面。
3.根据权利要求2所述的纳米发电机，其特征在于，所述定子还包括与所述插齿电极同轴设置的保护层、基体和定子支撑件，所述基体粘贴在所述定子支撑件表面，所述插齿电极粘贴在所述基体和所述保护层之间。
4.根据权利要求3所述的纳米发电机，其特征在于，所述转子支撑件和所述定子支撑件均为亚克力板，所述转子支撑件和所述定子支撑件的厚度范围均为3mm-1cm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述驻极体材料层包括多个围绕所述转子轴心均匀排列的驻极体长条。
6.根据权利要求5所述的纳米发电机，其特征在于，所述驻极体长条的形状为等腰梯形状。
7.根据权利要求5或6所述的纳米发电机，其特征在于，多个所述驻极体长条为等间隔均匀排列。
8.根据权利要求5-7任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述驻极体长条的材料为以下中至少一种：聚丙烯、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、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、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、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述插齿电极的材料为铜。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述转子和所述定子之间的间隔范围为0.05-5mm。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述转子安装在可旋转的电动机轴上，所述定子安装在三维可移动平台上。
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