CN108599613A - 一种具有纳米结构的摩擦发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有纳米结构的摩擦发电机，包括自上到下依次分布的顶层发电片、中层发电片及底层发电片，其中，顶层发电片的上表面、底层发电片的下表面、中层发电片的上表面及中层发电片的下表面均设有金属薄膜层；顶层发电片的下表面及底层发电片的上表面均设置有有机材料薄膜层；中层发电片上表面的金属薄膜层与中层发电片下表面的金属薄膜层电连接；顶层发电的下表面上及底层发电片的上表面上均设置有导电环，顶层发电片上的有机材料薄膜层上以及底层发电片上的有机材料薄膜层上均设置有纳米级至微米级的凹凸结构，该发电机能够在有限的空间内实现发电量的最大化，同时不需要额外消耗电能即可实现最大能量的自检测。

Description

一种具有纳米结构的摩擦发电机

技术领域

本发明属于摩擦发电技术领域，涉及一种具有纳米结构的摩擦发电机。

背景技术

物联网技术的快速发展依赖于大面积覆盖的传感器网络，传感器网络由数个传感器节点组成，这些传感器节点各自独立供电，用以感知被监测量，并将采集到的信号发送到控制终端。传感网络建设完成后，通常要求其具有数十年的寿命。这就对各个传感节点的能量供给提出严峻挑战。现如今，电池常被应用在传感器节点作为能量源，但高电量的电池体积较大，且电池电量有限需要频繁更换，因此电池并不是传感器网络的最佳选择。在环境中存在各种各样形式的能量，如果可以将这些能量收集利用起来，就可以用以补充电池电量，延长传感器的适用寿命，甚至实现自供电。

摩擦电和静电是生活中非常普遍的电荷产生形式，但由于其很难被收集和利用，常被人忽视。2012年，美国佐治亚理工学院王中林教授研究组首次实现了将机械运动转化为电能的摩擦发电机，在此之后，各种类型的摩擦发电机相继被发明和发表。摩擦发电的机理是当两种不同材料的物体相互接触摩擦时，由于得失电子能力不同，摩擦过程中会在两种物体表面分别产生正负电荷对，当两种物体分离时，表面的正负电荷产生电势，驱动自由电子移动对外做功。

现如今，人们所发明和制造的摩擦发电机，为了产生足够的电量，其面积常为数十甚至上百平方厘米，并且需要复杂的外部电路辅助，才可以将产生的最大能量传输到负载端，外部辅助电路损耗较高。但如果将摩擦发电机应用于传感器节点作为能量源，由于传感器自身尺寸较小，且通常传感器被放置在有限的空间内，这就要求发电机具有较小的体积，并且能够在有限的空间内尽可能多的将机械能转化为电能。同时，为了能够使传感器更高效的利用摩擦电能，需要实现最大能量的自检测，然而现有技术中没有相类似的设计。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种具有纳米结构的摩擦发电机，该发电机能够在有限的空间内实现发电量的最大化，同时不需要额外消耗电能即可实现最大能量的自检测。

为达到上述目的，本发明所述的具有纳米结构的摩擦发电机包括自上到下依次分布的顶层发电片、中层发电片及底层发电片，其中，顶层发电片的上表面、底层发电片的下表面、中层发电片的上表面及中层发电片的下表面均设有金属薄膜层；顶层发电片的下表面及底层发电片的上表面均设置有有机材料薄膜层；中层发电片上表面的金属薄膜层与中层发电片下表面的金属薄膜层电连接；

顶层发电的下表面上及底层发电片的上表面上均设置有导电环，其中，有机材料薄膜层位于导电环内，顶层发电片上的有机材料薄膜层上以及底层发电片上的有机材料薄膜层上均设置有纳米级至微米级的凹凸结构；

顶层发电片上的导电环与底层发电片上的导电环通过第一金属线连接后作为第一导电极；

顶层发电片上的金属薄膜层通过第二金属线引出后作为第二导电极；

底层发电片上的金属薄膜层通过第三金属线引出后作为第三导电极。

顶层发电片、中层发电片及底层发电片的大小及形状均相同。

顶层发电片、中层发电片及底层发电片均设置有用于进行组装的通孔。

金属薄膜层通过真空蒸镀的方式制备得到；有机材料薄膜层通过旋涂的方式制备得到。

顶层发电片上的有机材料薄膜层位于顶层发电片下表面的中心区域内；底层发电片上的有机材料薄膜层位于底层发电片上表面的中心区域内。

在使用时，将顶层发电片与底层发电片进行固定，中层发电片向上垂直移动后与顶层发电片构成第一个金属-有机材料薄膜摩擦接触面；中层发电片向下垂直移动后与底层发电片构成第二个金属-有机材料薄膜摩擦接触面。

当中层发电片与顶层发电片相接触时，中层发电片上表面的金属薄膜层与顶层发电片上的导电环相接触，此时中层发电片与顶层发电片上的导电环电连通，第一导电极与第二导电极之间的能量最大；

当中层发电片与底层发电片相接触时，中层发电片下表面的金属薄膜层与底层发电片上的导电环相接触，此时中层发电片与底层发电片上的导电环电连通，第一导电极与第三导电极之间的能量最大。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的具有纳米结构的摩擦发电机在具体操作时，采用三层发电片设计，与传统的两层结构相比，在相同分离距离下可产生两倍的电量，另外，本发明中顶层发电片上的有机材料薄膜层上以及底层发电片上的有机材料薄膜层上均设置有纳米级至微米级的凹凸结构，以提高发电片在相互接触摩擦时的接触面积，从而显著提高摩擦产生的电荷量，从而在有限的空间内实现发电量的最大化。另外，本发明在具体工作时，当中层发电片与顶层发电片相接触时，第一导电极与第二导电极之间的能量最大；当中间发电片与底层发电片相接触时，第一导电极与第三导电极之间的能量最大，从而实现不需要额外消耗电能即可实现最大能量的自检测，在实际工作时，发电机只在最大能量点向外输出能量，发电机除了自身产生高电量外，可高效的将产生的能量传输至负载上。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中底层发电片3的结构示意图；

图3为本发明中顶层发电片1的结构示意图；

图4为本发明中中层发电片2的结构示意图。

其中，1为顶层发电片、2为中层发电片、3为底层发电片、4为金属薄膜层、5为导电环、6为有机材料薄膜层、7为第一导电极、8为第二导电极、9为第三导电极、10为通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1、图2、图3及图4，本发明所述的具有纳米结构的摩擦发电机包括自上到下依次分布的顶层发电片1、中层发电片2及底层发电片3，其中，顶层发电片1的上表面、底层发电片3的下表面、中层发电片2的上表面及中层发电片2的下表面均设有金属薄膜层4；顶层发电片1的下表面及底层发电片3的上表面均设置有有机材料薄膜层6；中层发电片2上表面的金属薄膜层4与中层发电片2下表面的金属薄膜层4电连接；顶层发电片1的下表面上及底层发电片3的上表面上均设置有导电环5，其中，有机材料薄膜层6位于导电环5内，顶层发电片1上的有机材料薄膜层6上以及底层发电片3上的有机材料薄膜层6上均设置有纳米级至微米级的凹凸结构；顶层发电片1上的导电环5与底层发电片3上的导电环5通过第一金属线连接后作为第一导电极7；顶层发电片1上的金属薄膜层4通过第二金属线引出后作为第二导电极8；底层发电片3上的金属薄膜层4通过第三金属线引出后作为第三导电极9。其中，金属薄膜层4通过真空蒸镀的方式制备得到；有机材料薄膜层6通过旋涂的方式制备得到。

顶层发电片1、中层发电片2及底层发电片3的大小及形状均相同；顶层发电片1、中层发电片2及底层发电片3均设置有用于进行组装的通孔10。

顶层发电片1上的有机材料薄膜层6位于顶层发电片1下表面的中心区域内；底层发电片3上的有机材料薄膜层6位于底层发电片3上表面的中心区域内。

在使用时，将顶层发电片1与底层发电片3进行固定，中层发电片2向上垂直移动后与顶层发电片1构成第一个金属-有机材料薄膜摩擦接触面；中层发电片2向下垂直移动后与底层发电片3构成第二个金属-有机材料薄膜摩擦接触面；当中层发电片2与顶层发电片1相接触时，中层发电片2上表面的金属薄膜层4与顶层发电片1上的导电环5相接触，此时中层发电片2与顶层发电片1上的导电环5电连通，第一导电极7与第二导电极8之间的能量最大；当中层发电片2与底层发电片3相接触时，中层发电片2下表面的金属薄膜层4与底层发电片3上的导电环5相接触，此时中层发电片2与底层发电片3上的导电环5电连通，第一导电极7与第三导电极9之间的能量最大。

顶层发电片1、中层发电片2及底层发电片3的表面积均为9cm²，顶层发电片1、中层发电片2及底层发电片3均为方形，顶层发电片1、中层发电片2及底层发电片3的四个角的位置均开设有圆形通孔10，该圆形通孔10的直径为1.5mm，玻璃纤维棒穿过圆形通孔10将顶层发电片1、中层发电片2及底层发电片3相连接，其中，中层发电片2能够在玻璃纤维棒上进行移动。

顶层发电片1、中层发电片2及底层发电片3均可选用硅晶片，其中，硅晶片的厚度小于1mm，从而使各发电片的重量降低，当受外力做机械运动时，自谐振频率较高，发电机在单位时间内可以产生较多的电荷。

金属薄膜层4的成分可以为铝，有机材料薄膜层6的材质可以为PDMS。由于发电机的发电量与接触面积正相关，为了提高发电机的发电量，有机材料薄膜层6的表面增加设置有凹凸结构。由于有机材料薄膜层6具有一定的柔韧度，在外力作用下与金属薄膜层4接触挤压接触时，有机材料薄膜层6会发生形变，带有凹凸结构的有机材料薄膜层6相比与表面平整的有机材料薄膜层6有着更大的接触面积，摩擦接触就会产生更多电荷。

在具体工作时，当中层发电片2与底层发电片3接触时，中层发电片2的金属薄膜层4和底层发电片3的有机材料薄膜层6表面摩擦产生电荷，当中层发电片2垂直向上运动时，若不考虑发电机内部的电荷损耗，中层发电片2与底层发电片3的表面电荷量Q保持不变，两个发电片与空气介质构成一个容值可变的电容器，电容器的容值随发电片分离距离的增大而减小。对电容器而言，电容器的能量E＝Q²/2C，当电容C容值最小时，电容器的能量最大，即当发电片的分离距离最大时，发电机产生的电量最大；

当中层发电片2向上运动后与顶层发电片1相接触时，中层发电片2与底层发电片3分离距离最大，此时发电机电量最大，与此同时，中层发电片2与顶层发电片1的导电环5接触，能量可以通过顶层发电片1的导电环5和底层发电片3下表面将能量传输到负载。在中层发电片2垂直运动期间没有与顶层发电片1和底层发电片3的导电环5接触，发电机没有电荷流动的回路，不向外输出能量。同理，中层发电片2向下运动与底层发电片3接触时，也在发电机最大能量时向外输出能量，因此本发明不需要外部辅助电路，发电机自行输出最大能量。

Claims (7)

1.一种具有纳米结构的摩擦发电机，其特征在于，包括自上到下依次分布的顶层发电片(1)、中层发电片(2)及底层发电片(3)，其中，顶层发电片(1)的上表面、底层发电片(3)的下表面、中层发电片(2)的上表面及中层发电片(2)的下表面均设有金属薄膜层(4)；顶层发电片(1)的下表面及底层发电片(3)的上表面均设置有有机材料薄膜层(6)；中层发电片(2)上表面的金属薄膜层(4)与中层发电片(2)下表面的金属薄膜层(4)电连接；

顶层发电片(1)的下表面上及底层发电片(3)的上表面上均设置有导电环(5)，其中，有机材料薄膜层(6)位于导电环(5)内，顶层发电片(1)上的有机材料薄膜层(6)上以及底层发电片(3)上的有机材料薄膜层(6)上均设置有纳米级至微米级的凹凸结构；

顶层发电片(1)上的导电环(5)与底层发电片(3)上的导电环(5)通过第一金属线连接后作为第一导电极(7)；

顶层发电片(1)上的金属薄膜层(4)通过第二金属线引出后作为第二导电极(8)；

底层发电片(3)上的金属薄膜层(4)通过第三金属线引出后作为第三导电极(9)。

2.根据权利要求1所述的具有纳米结构的摩擦发电机，其特征在于，顶层发电片(1)、中层发电片(2)及底层发电片(3)的大小及形状均相同。

3.根据权利要求1所述的具有纳米结构的摩擦发电机，其特征在于，顶层发电片(1)、中层发电片(2)及底层发电片(3)均设置有用于进行组装的通孔(10)。

4.根据权利要求1所述的具有纳米结构的摩擦发电机，其特征在于，金属薄膜层(4)通过真空蒸镀的方式制备得到；有机材料薄膜层(6)通过旋涂的方式制备得到。

5.根据权利要求1所述的具有纳米结构的摩擦发电机，其特征在于，顶层发电片(1)上的有机材料薄膜层(6)位于顶层发电片(1)下表面的中心区域内；底层发电片(3)上的有机材料薄膜层(6)位于底层发电片(3)上表面的中心区域内。

6.根据权利要求1所述的具有纳米结构的摩擦发电机，其特征在于，在使用时，将顶层发电片(1)与底层发电片(3)进行固定，中层发电片(2)向上垂直移动后与顶层发电片(1)构成第一个金属-有机材料薄膜摩擦接触面；中层发电片(2)向下垂直移动后与底层发电片(3)构成第二个金属-有机材料薄膜摩擦接触面。

7.根据权利要求1所述的具有纳米结构的摩擦发电机，其特征在于，当中层发电片(2)与顶层发电片(1)相接触时，中层发电片(2)上表面的金属薄膜层(4)与顶层发电片(1)上的导电环(5)相接触，此时中层发电片(2)与顶层发电片(1)上的导电环(5)电连通，第一导电极(7)与第二导电极(8)之间的能量最大；

当中层发电片(2)与底层发电片(3)相接触时，中层发电片(2)下表面的金属薄膜层(4)与底层发电片(3)上的导电环(5)相接触，此时中层发电片(2)与底层发电片(3)上的导电环(5)电连通，第一导电极(7)与第三导电极(9)之间的能量最大。