CN109039143B - 伸缩式固-液纳米摩擦发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及摩擦起电技术领域，尤其涉及一种伸缩式固‑液纳米摩擦发电机。包括金属导线、伸缩主体、导电元件、摩擦层；伸缩主体的端部由内向外依次为摩擦层和导电元件，所述摩擦层的下表面完全覆盖住导电元件，导电元件与金属导线相连。液体接触摩擦层带电后离开，使导电元件产生感应电荷，通过金属导线完成外电路电子的转移，产生输出信号；伸缩主体的尺寸配合频率的大小进行伸缩式的长度调整，使其达到共振频率的最大输出。

Description

伸缩式固-液纳米摩擦发电机

技术领域

本发明涉及摩擦起电技术领域，尤其涉及一种伸缩式固-液纳米摩擦发电机。

背景技术

2012年佐治亚理工学院的王中林教授的团队利用摩擦起电和静电感应的耦合作用发明了能将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机(TENG)。在发电机的能量收集过程中，两种摩擦电极性不同的材料相接触后在表面生成摩擦电荷，分离时会产生电势差从而在外界电路上形成了电流输出。这种新型的发电机可以用于收集各种形式的机械能量，比如人体运动、机械振动、旋转、风能、声波能、雨滴和海浪等。固-液摩擦纳米发电机利用水体与器件摩擦起电而发电，不需要额外的传送装置和部件来收集水波动能。水能摩擦纳米发电机具有非常广阔应用前景。

2015年，韩国科学技术院Seung-Bae Jeon论述了基于内部流体动力学振荡(Hy-TENG)采集环境机械能的TENG。其中，探究了不同频率、振幅时的电荷输出，但对于达到共振的条件没有作具体说明。2016年兰州化学物理研究所王道爱研究员的研究也发现固-液摩擦没有达到共振频率时的电荷输出远远少于达到共振频率时的输出。

电子科技大学苏元捷博士曾研究了IE-TENG的输出性能与器件长宽比的关系。根据之前的研究工作可知，水体表面自身携带的静电电荷将影响其与固体表面的电荷转移。特别是在水体已经预先带上与固体表面摩擦电荷极性相反的电荷的时候。所以，如何使固-液摩擦起电发电机达到共振实现最大输出是下一步的研究重点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是根据固-液界面摩擦起电现象研制的水能摩擦纳米发电机，可以高效回收水波中的动能资源，研究显示固-液摩擦没有达到共振频率时的电荷输出远远少于达到共振频率时的输出，但由于固-液摩擦起电受振幅、频率等影响较大，因此不易使其达到共振最大输出。

为解决上述问题，本发明立足于达到固-液共振频率，提供了一种伸缩式固-液纳米摩擦发电机，通过调节器件长度达到共振频率获取最大电荷输出的方法。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种伸缩式固-液纳米摩擦发电机，包括包括金属导线、伸缩主体、导电元件、摩擦层；伸缩主体的端部由内向外依次为摩擦层和导电元件，所述摩擦层的下表面完全覆盖住导电元件，导电元件与金属导线相连；当带流动的液体与所述摩擦层的上表面接触后分开，所述导电元件能够产生感应电荷并向外输出电信号；所述流动液体所带的电荷来自其与其他材料的摩擦；

即液体接触摩擦层带电后离开，使导电元件产生感应电荷，通过金属导线完成外电路电子的转移，产生输出信号；伸缩主体的尺寸配合频率的大小进行伸缩式的长度调整，使其达到共振频率的最大输出。

进一步的，金属导线为导电线，可以是任何具有导电功能的材料，如铜导线、铝导线等。

进一步的，伸缩主体为伸缩管，如波纹管、橡胶管、柔性橡胶管、可伸缩塑料管，螺旋管，伸缩式风管等。伸缩式主体材料可为硬质材料或柔性材料。

进一步的，所述导电元件的材料采用金属、导电氧化物或导电高分子，如铜胶带，两端接有金属导线。

进一步的，所述摩擦层的上表面为电中性或带有电荷；摩擦层的材料为绝缘材料，如聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚酰胺尼龙66、聚酰胺尼龙11、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚三氟乙烯、聚甲醛、乙烯纤维素、碳酸酯、聚氯醚等。

进一步的，摩擦层的部分或全部上表面可为微纳米结构层，所述微纳米结构为纳米线、纳米管、纳米颗粒中的一种，如两边均采用或分别采用PVDF、PP的微纳米结构。

本发明的有益效果在于：

固-液纳米摩擦发电机摩擦起电受振幅、频率等影响较大，不易达到共振最大输出。固-液摩擦本身电荷存储产生较少，总体电能输出较少。苏元捷博士只是说明了了IE-TENG的输出性能与器件长宽比的关系。没有提出具体的达到共振的方法。本技术提供了一种伸缩式固-液纳米摩擦发电机通过调节器件长度达到共振频率获取最大电荷输出的方法。当液体的频率较大时，拉伸伸缩式主体，伸缩管呈拉伸状态，达到共振频率，使电荷输出最大；当液体的频率较小时，减小两电极的距离，压缩伸缩式主体，伸缩管呈压缩状态，使其达到共振频率，电荷输出达到峰值。

附图说明

图1为本发明压缩状态的结构示意图；

图2为本发明拉伸状态的结构示意图；

图3为伸缩式固-液纳米摩擦发电机的频率处于1-5HZ时所测得的电流数据Ⅰ；

图4为伸缩式固-液纳米摩擦发电机的频率处于1-5HZ时所测得的电流数据Ⅱ。

图中，金属导线1、伸缩主体2、摩擦层3、导电元件4。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

实施例1：

一种伸缩式固-液纳米摩擦发电机，包括金属导线1、伸缩主体2、导电元件4、摩擦层3；伸缩主体2的端部由内向外依次为摩擦层3和导电元件4，所述摩擦层的下表面完全覆盖住导电元件，导电元件4与金属导线1相连；当带流动的液体与所述摩擦层的上表面接触后分开，所述导电元件能够产生感应电荷并向外输出电信号；所述流动液体所带的电荷来自其与其他材料的摩擦；

即液体接触摩擦层3带电后离开，使导电元件4产生感应电荷，通过金属导线1完成外电路电子的转移，产生输出信号；伸缩主体2的尺寸配合频率的大小进行伸缩式的长度调整，使其达到共振频率的最大输出。

其中，采用柔性橡胶管作为伸缩式固-液纳米摩擦发电机的主体材料，伸缩管的两侧的摩擦层采用PP的微纳米结构，导电元件采用铜胶带，并在两段接有铜导线。测试时如图4所示，当液体的频率较大时，伸缩管呈拉伸状态，增大两电极的距离，拉伸伸缩式主体，达到共振频率，使电荷输出最大；当液体的频率较小时，伸缩管呈压缩状态，减小两电极的距离，压缩伸缩式主体，使其达到共振频率，电荷输出达到峰值。

实施例2：

一种伸缩式固-液纳米摩擦发电机，包括金属导线1、伸缩主体2、导电元件4、摩擦层3；伸缩主体2的端部由内向外依次为摩擦层3和导电元件4，所述摩擦层的下表面完全覆盖住导电元件，导电元件4与金属导线1相连；当带流动的液体与所述摩擦层的上表面接触后分开，所述导电元件能够产生感应电荷并向外输出电信号；所述流动液体所带的电荷来自其与其他材料的摩擦；

即液体接触摩擦层3带电后离开，使导电元件4产生感应电荷，通过金属导线1完成外电路电子的转移，产生输出信号；伸缩主体2的尺寸配合频率的大小进行伸缩式的长度调整，使其达到共振频率的最大输出。

其中，采用可伸缩塑料管作为伸缩式固-液纳米摩擦发电机的主体材料，伸缩管的两侧的摩擦层采用PVDF的微纳米结构，导电元件采用铜胶带，并在两段接有铜导线。测试时如图3所示，当液体的频率较大时，伸缩管呈拉伸状态，增大两电极的距离，拉伸伸缩式主体，达到共振频率，使电荷输出最大；当液体的频率较小时，伸缩管呈压缩状态，减小两电极的距离，压缩伸缩式主体，使其达到共振频率，电荷输出达到峰值。

Claims (5)

1.一种伸缩式固-液纳米摩擦发电机，其特征在：包括金属导线、伸缩主体、导电元件、摩擦层；伸缩主体的端部由内向外依次为摩擦层和导电元件，所述摩擦层的下表面完全覆盖住导电元件，导电元件与金属导线相连；

液体接触摩擦层带电后离开，使导电元件产生感应电荷，通过金属导线完成外电路电子的转移，产生输出信号；当液体晃动的频率较大时，拉伸伸缩式主体，伸缩管呈拉伸状态，达到共振频率，使电荷输出最大；当液体晃动的频率较小时，减小两电极的距离，压缩伸缩式主体，伸缩管呈压缩状态，使其达到共振频率，电荷输出达到峰值。

2.如权利要求1所述的伸缩式固-液纳米摩擦发电机，其特征在于：伸缩主体为伸缩管。

3.如权利要求1所述的伸缩式固-液纳米摩擦发电机其特征在于：所述导电元件的材料采用金属、导电氧化物或导电高分子。

4.如权利要求1所述的伸缩式固-液纳米摩擦发电机，其特征在于：摩擦层的上表面为电中性或带有电荷；摩擦层的材料为绝缘材料。

5.如权利要求1所述的伸缩式固-液纳米摩擦发电机，其特征在于：摩擦层的部分或全部上表面可为微纳米结构层，所述微纳米结构为纳米线、纳米管、纳米颗粒中的一种。