CN109245598A - 收集声波能量的摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种收集声波能量的摩擦纳米发电机，包括：亥姆霍兹共振腔、带声孔铝膜、导电油墨印刷电极FEP膜、固定底盖；其中，亥姆霍兹共振腔包括双圆柱细管与立方共振腔体，集中储存声波能量并放大声波振幅；带声孔铝膜固定于共振腔体下开口处，表面分布均匀小圆孔；导电油墨印刷电极FEP膜经细砂纸打磨与高压电场处理，固定于铝膜下方，与其贴合，背部印刷导电油墨；FEP随交变声压振动并与固定铝膜产生接触分离运动产生电能。本发明的能量收集装置对声波反应敏感，能量收集效率高，输出性能优异，可对小型传感器持续供电。

Description

收集声波能量的摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及能量收集装置，特别是涉及一种收集声波能量的摩擦纳米发电机装置。

背景技术

随着全球能源的快速消耗，开发利用新能源对于社会的发展及生态环境的保护尤为重要。摩擦纳米发电机利用纳米材料间的相对运动并相互作用，能有效收集低频振动能，并将其转化为电能。其发现与研究为振动能、风能、水能、生物能等诸多形式能量的收集利用提供了新的思路，为清洁废弃能源的开发开创了一种新模式，在新能源开发研究中具有里程碑的意义。生活中大量难以利用的废弃能源皆有望通过摩擦纳米发电机的方式回收利用。

声波是机械振动的一种特殊形式。作为一个清洁的、无处不在的、可持续发展的能源形式，声波是在我们生活中一种富足但被浪费的能量源。由于声波能本身是一种能量密度很低的能量源，所以目前还一直缺少有效的技术对环境中的声波能进行采集。若利用电磁感应发电的方式解决此问题，由于声波能量密度较小，并且声压交变迅速，使得导体极难在声波力的作用下产生显著运动，因此利用电磁感应收集声波能量难以实现。压电材料对轻微扰动具有很强的敏感性，其通常被用于传感领域，与超声波结合用于监测技术，具有很好的效果。但利用压电材料将声波能转换为具有一定功率的电能极为困难，因此目前压电材料也并非收集声波能量的最佳方式。摩擦纳米发电机利用材料间的相互作用，对外界扰动具有很强的敏感性，同时可有效收集环境能量产生可观电能输出，目前利用TENG(摩擦纳米发电机)原理收集声波能量进行发电具有部分研究，但发出的电能仍然不足，并且缺少成熟的理论及有效的技术优化其输出，使其在特定频率范围内产生最佳输出效果。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机可收集外界声波能量产生电能，并为电子器件供电。

本发明采用的技术手段如下：

一种收集声波能量的摩擦纳米发电机，

包括：亥姆霍兹共振腔、带声孔铝膜、导电油墨印刷电极FEP膜、固定底盖；

亥姆霍兹共振腔包括双圆柱细管与立方共振腔体；带声孔铝膜固定于立方共振腔体的下开口处，表面分布均匀小圆孔；

导电油墨印刷电极FEP膜经细砂纸打磨与高压电场处理，固定于带声孔铝膜下方，并与带声孔铝膜贴合，背部印刷导电油墨；

固定底盖将两膜与立方共振腔体固定。

进一步的，

其中，立方共振腔体的下部开口为正方形。

进一步的，

其中，带声孔铝膜相对较厚，分布均匀圆孔，将立方共振腔体内腔与带声孔铝膜与导电油墨印刷电极FEP膜之间间隙联通。

进一步的，

其中，导电油墨印刷电极FEP膜背部印刷导电油墨，FEP膜随声波振动并与带声孔铝膜不断接触分离并产生电能。

进一步的，其中，导电油墨电极由导电油墨印刷在FEP膜背部，厚度约为6微米，将FEP膜中产生的感应电荷导出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例的摩擦纳米发电机示意性整体结构图。

图2是本发明一个实施例的摩擦纳米发电机示意性分解结构图。

图3是本发明一个实施例的摩擦纳米发电机示意性发电原理图。

图4是本发明一个实施例的摩擦纳米发电机在不同声波频率及不同声压级下输出的开口电压。

图5是本发明一个实施例的摩擦纳米发电机在不同声波频率下输出的短路电流。

图6是本发明一个实施例的摩擦纳米发电机在不同声波频率下输出的电量。

图7是本发明一个实施例的摩擦纳米发电机对不同容量电容充电的电压曲线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1、图2和图3所示，本发明提供了一种收集声波能量的摩擦纳米发电机，

包括：亥姆霍兹共振腔1、带声孔铝膜2、导电油墨印刷电极FEP膜3、固定底盖4；

亥姆霍兹共振腔1包括双圆柱细管1.1与立方共振腔体1.2；带声孔铝膜2固定于立方共振腔体1.2的下开口处，表面分布均匀小圆孔；

导电油墨印刷电极FEP膜3经细砂纸打磨与高压电场处理，固定于带声孔铝膜2下方，并与带声孔铝膜2贴合，背部印刷导电油墨；

固定底盖4将两膜与立方共振腔体1.2固定。

进一步的，

其中，立方共振腔体1.2的下部开口为正方形。

进一步的，

其中，带声孔铝膜2相对较厚，分布均匀圆孔，将立方共振腔体1.2内腔与带声孔铝膜2与导电油墨印刷电极FEP膜3之间间隙联通。

进一步的，

其中，导电油墨印刷电极FEP膜3背部印刷导电油墨，FEP膜3随声波振动并与带声孔铝膜2不断接触分离并产生电能。

进一步的，其中，导电油墨电极10由导电油墨印刷在FEP膜3背部，厚度约为6微米，将FEP膜中产生的感应电荷导出。

采用上述技术方案的本发明，由一个特殊结构的亥姆霍兹共振腔储存声波能量并放大声波振动，FEP膜随交变声压振动并与固定铝膜产生接触分离运动产生电能。在频率为100Hz，声压级为65dB的低能量声波激励下，声波TENG(摩擦纳米发电机)可获得10V输出电压。在声波频率为80Hz，声压级为91.5dB时，声波TENG(摩擦纳米发电机)开口电压输出可达58V，短路电流14μA，转移电荷量46nC，功率密度400.99mW/m²。收集声波能量产生的电能可持续点亮60盏LED，1mF电容在其输出下从0V升至2V用了280s时间，使一个较大功率的温湿度传感器工作56s，并且在声波TENG(摩擦纳米发电机)供电的情况下，一个较小功率的温度传感器可持续工作。其与声源之间隔离钢板时同样可利用跨介质声波并取得可观输出，5m外的掌声与嗓音可使其产生明显电压信号。

本发明中设计的共振腔内腔尺寸73mm×73mm×40mm，细管内径5mm，长32mm。亥姆霍兹共振腔的作用在于使进入其内的声波达到共振状态，在腔体内储存声波能量，更好的消耗并利用声波能量推动TENG(摩擦纳米发电机)工作，提高声波TENG(摩擦纳米发电机)输出性能与输出效率。

铝为正电性很强的一种材料，并且较易取材，易于处理，成本较低，导电性能良好，自身可做电极，是制备摩擦纳米发电机的良好材料。在45mm×45mm×0.2mm的铝膜上，均匀分布约200个直径1mm的声孔。声孔的作用为将亥姆霍兹共振腔内的空气与两膜(铝膜与FEP膜)间的缝隙联通，使正负声压能够作用于FEP膜两侧。

FEP膜电负性强，并且具有很好的柔性，是制备摩擦纳米发电机的良好材料。声波TENG(摩擦纳米发电机)选用了厚度50μm的FEP膜，有效工作面积45mm×45mm。但FEP材料本身为绝缘体，需要在其表面附一层导电电极。本文采用导电油墨印刷的方法，在FEP膜表面附一层厚度约为6μm的导电油墨电极，在有效工作范围测得对角线电阻约130欧。FEP膜通过采用10000目砂纸打磨，在膜表面产生微结构，增加与铝膜间的接触面积与接触应力，同时FEP材料在摩擦及高压电场处理后极易产生并储存大量极化摩擦电荷，使得FEP膜与铝膜在接触分离的过程中产生更多的电荷转移，从而提高了声波TENG(摩擦纳米发电机)的输出性能。

声波TENG(摩擦纳米发电机)工作过程，FEP膜与铝膜初始处于分离状态，铝中电子为自由电子。FEP膜随交变声压振动，当FEP膜内侧表现为负压时，其向内移动与铝膜接触，铝中一部分电子进入FEP更深的势阱中。由于能级差异，铝表面的自由电子转移到FEP界面的LUMO(最低空分子轨道)。随着电子转移，电场强度增加，在其作用下电子转移只发生在铝的接触面，并且其他电子不能供应到电子缺失区域，当新的稳态建立，电子不再转移。在声波作用下，当FEP膜内侧表现为正压时，与铝膜逐渐分离，铝表面额外的电子势能消失，由于铝接触面和FEP背面电极之间的电势差，电子从FEP的电极沿外电路流出以补偿铝的电子损失并平衡电势差，声波TENG(摩擦纳米发电机)因此工作。

图4到图7是本发明一个实施例的效果说明图。图4示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机在不同频率声波下所输出的开口电压。每条曲线其激励声波具有相同的振幅，自下至上声波振幅逐渐增大，其声压级分别为78.5-81.5dB，83.3-86.1dB，87.6-89.1dB，91.5-93.8dB。从图4中可以看出，开口电压的输出随着声波振幅的增大而增大，在声波振幅相同时，电压在某一频率处达到最高，远离此最佳频率时电压逐渐降低。在频率为100Hz，声压级为78.5dB的声波激励下，开口电压的输出约为15V，在声压级为91.5dB时，开口电压输出约为58V，输出性能较好。图5示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机在不同频率声波下输出的短路电流，声压级91.5-93.8dB，在此声压级区间，电流在声波频率为80Hz时达到最大，短路电流的输出约为14μA，输出性能较好。图6示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机在不同频率声波下的电量输出，声压级91.5-93.8dB，电量的输出与电压电流具有相近的规律，电量在声波频率为80Hz时输出最大，约为46nC，输出性能良好，同时在图中可以看出，摩擦纳米发电机的输出频率与声波频率相同，说明摩擦纳米发电机的FEP膜紧随声波振动。图7示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机在声波频率为80Hz，声压级为91.5dB时的充电容曲线。从图7中可以看出，47μF的电容在摩擦纳米发电机供电下从0V充电至2V仅用约10s时间，1000μF电容从0V充电至2V约需要280s时间，可见摩擦纳米发电机对电容具有良好的充电能力。并且摩擦纳米发电机输出的电能在电容中储存后可直接向小型传感器供电，可使温度传感器持续工作。摩擦纳米发电机输出的电能可直接向LED灯供电，可同时并持续点亮60盏LED。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种收集声波能量的摩擦纳米发电机，其特征在于，

包括：亥姆霍兹共振腔(1)、带声孔铝膜(2)、导电油墨印刷电极FEP膜(3)、固定底盖(4)；

所述亥姆霍兹共振腔(1)包括双圆柱细管(1.1)与立方共振腔体(1.2)；所述带声孔铝膜(2)固定于立方共振腔体(1.2)的下开口处，表面分布均匀小圆孔；

所述导电油墨印刷电极FEP膜(3)经细砂纸打磨与高压电场处理，固定于带声孔铝膜(2)下方，并与带声孔铝膜(2)贴合，背部印刷导电油墨；

所述固定底盖(4)将两膜与立方共振腔体(1.2)固定。

2.根据权利要求1所述的收集声波能量的摩擦纳米发电机，其特征在于，

其中，所述立方共振腔体(1.2)的下部开口为正方形。

3.根据权利要求2所述的收集声波能量的摩擦纳米发电机，其特征在于，

其中，带声孔铝膜(2)相对较厚，分布均匀圆孔，将立方共振腔体(1.2)内腔与带声孔铝膜(2)与导电油墨印刷电极FEP膜(3)之间间隙联通。

4.根据权利要求3所述的收集声波能量的摩擦纳米发电机，其特征在于，

其中，导电油墨印刷电极FEP膜(3)背部印刷导电油墨电极，导电油墨印刷电极FEP膜(3)随声波振动并与带声孔铝膜(2)不断接触分离并产生电能。

5.根据权利要求4所述的收集声波能量的摩擦纳米发电机，其特征在于，其中，导电油墨电极由导电油墨印刷在FEP膜(3)背部，厚度约为6微米，将FEP膜中产生的感应电荷导出。