CN109510505B - 一种摩擦纳米发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米发电机技术领域，公开了一种摩擦纳米发电机，适用于收集海洋能，该摩擦纳米发电机包括具有封闭结构以在内部形成摩擦空间的壳体、位于摩擦空间内的滚动体，其中：壳体包括封装外壳、位于封装外壳内侧的感应电极组和位于感应电极组背离封装外壳一侧的摩擦层，感应电极组包括沿封装外壳内侧表面分布且相互绝缘的第一感应电极和第二感应电极；滚动体和摩擦层的制备材料均为硅胶材料，滚动体能够具有适度的柔性，使得滚动体与摩擦层之间的表面接触好，同时也易于实现滚动体的滚动，尤其适用于收集低频运动的机械能，并且，采用硅胶材料使得摩擦纳米发电机的耐冲击性得到明显增强。

Description

一种摩擦纳米发电机
技术领域
本发明涉及纳米发电机技术领域，特别涉及一种摩擦纳米发电机。
背景技术
现代社会资源环境的约束对于清洁可再生能源提出了更高的要求，海洋能作为一种清洁能源具有极大的应用潜力，而现有海洋能收集技术一般采用电磁式发电机，存在技术复杂、成本较高等限制，经过多年的发展，仍停留在小规模试验运行阶段。并且，现有的用于海洋能收集的发电机耐久性较差。
发明内容
本发明提供了一种摩擦纳米发电机，上述摩擦纳米发电机能够达到高输出性能和耐久性。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种摩擦纳米发电机，包括具有封闭结构以在内部形成摩擦空间的壳体、位于所述摩擦空间内的滚动体，其中：
所述壳体包括封装外壳、位于所述封装外壳内侧的感应电极组和位于所述感应电极组背离所述封装外壳一侧的摩擦层，所述感应电极组包括沿所述封装外壳内侧表面分布且相互绝缘的第一感应电极和第二感应电极；
所述滚动体和所述摩擦层中，所述滚动体的表面和所述摩擦层的制备材料均为硅胶材料。
上述摩擦纳米发电机中，包括具有封闭结构以在内部形成摩擦空间的壳体和位于所述摩擦空间内的滚动体，当壳体受到外界机械作用产生运动时，滚动体会在壳体内部做往复运动；所述壳体包括封装外壳、位于所述封装外壳内侧的感应电极组和位于所述感应电极组背离所述封装外壳一侧的摩擦层，所述感应电极组包括沿所述封装外壳内侧表面分布且相互绝缘的第一感应电极和第二感应电极，滚动体在壳体内部往复运动的过程中，滚动体和摩擦层表面摩擦起电，会在滚动体表面产生静电荷，并在感应电极组中感应产生自由电荷，当在第一感应电极和第二感应电极中接上负载时，会在负载中产生交流电，从而将外部的机械能转换为电能；所述滚动体和所述摩擦层中，所述滚动体和所述摩擦层的制备材料均为硅胶材料，采用硅胶材料使得摩擦纳米发电机的耐冲击性得到明显增强，并且，滚动体能够具有适度的柔性，使得滚动体与摩擦层之间的表面接触好，同时也易于实现滚动体的滚动，尤其适用于收集低频运动的机械能。
优选地，所述滚动体的表面形成有微纳米凹凸结构，或者，所述摩擦层朝向所述摩擦空间的表面形成有微纳米凹凸结构。
优选地，当所述滚动体的表面形成有微纳米凹凸结构时，所述滚动体的硅胶材料内混合有微纳米颗粒以在所述滚动体表面形成所述微纳米凹凸结构；当所述摩擦层朝向所述摩擦空间的表面形成有微纳米凹凸结构时，所述摩擦层的硅胶材料中混合有微纳米颗粒以在所述摩擦层朝向所述摩擦空间的表面形成所述微纳米凹凸结构。
优选地，所述微纳米颗粒为聚合物颗粒、金属颗粒、无机氧化物颗粒中的至少一种。
优选地，当所述滚动体的表面形成有微纳米凹凸结构时，所述摩擦层朝向所述摩擦空间的表面的硅胶材料为改性硅胶材料形成的改性层以使所述滚动体材料与所述摩擦层材料的带电能力不同。
优选地，当所述摩擦层朝向所述摩擦空间的表面形成有微纳米凹凸结构时，所述滚动体表面的硅胶材料为改性硅胶材料形成的改性层以使所述滚动体材料与所述摩擦层材料的带电能力不同。
优选地，所述第一感应电极和第二感应电极均为沿所述封装外壳朝向所述摩擦空间的表面延展的面状电极，且所述第一感应电极的周边与所述第二感应电极的周边之间形成有隔离间隙以使所述第一感应电极和第二感应电极之间电气隔离。
优选地，所述隔离间隙的宽度为2.5mm-7.5mm。
优选地，所述封装外壳朝向所述摩擦空间的表面所围空间的形状为圆球形、或者椭圆球形，所述第一感应电极和第二感应电极具有半球面形结构或半椭球面形结构。
优选地，所述第一感应电极和第二感应电极的面积相同。
优选地，所述第一感应电极为涂覆于所述封装外壳内表面的金属粉末导电涂层、位于所述摩擦层与所述封装外壳之间的ITO导电层、或者位于所述摩擦层与所述封装外壳之间的碳材料导电层；
所述第二感应电极为涂覆于所述封装外壳内表面的金属粉末导电涂层、位于所述摩擦层与所述封装外壳之间的ITO导电层、或者位于所述摩擦层与所述封装外壳之间的碳材料导电层。
优选地，所述封装外壳为绝缘材料制备的壳体；或者，所述封装外壳包括由刚性金属材料制备的壳本体和形成于所述壳本体朝向所述摩擦空间一侧表面的绝缘层，所述感应电极组形成于所述绝缘层。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种摩擦纳米发电机；
图2为本发明实施例提供的一种电源管理电路；
图3为本发明实施例提供的红外光谱对比图；
图4为本发明实施例提供的摩擦起电性能对比图。
图标：
1-摩擦纳米发电机；11-壳体；111-封装外壳；112-感应电极组；1121-第一感应电极；1122-第二感应电极；113-摩擦层；12-滚动体；2-整流桥；3-电容；4-端口。
具体实施方式
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。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。
一种摩擦纳米发电机1，包括具有封闭结构以在内部形成摩擦空间的壳体11、位于摩擦空间内的滚动体12，如图1所示，其中：
壳体11包括封装外壳111、位于封装外壳111内侧的感应电极组112和位于感应电极组112背离封装外壳111一侧的摩擦层113，感应电极组112包括沿封装外壳111内侧表面分布且相互绝缘的第一感应电极1121和第二感应电极1122；
滚动体12和摩擦层113中，滚动体12的表面和摩擦层113的制备材料均为硅胶材料。
滚动体12可以整体为硅胶材料，也可以为只有表面是硅胶材料、内部为其他材料，不影响发电机的发电过程。
上述摩擦纳米发电机1中，包括具有封闭结构以在内部形成摩擦空间的壳体11和位于摩擦空间内的滚动体12，当壳体11受到外界机械作用产生运动时，滚动体12会在壳体11内部做往复运动；壳体11包括封装外壳111、位于封装外壳111内侧的感应电极组112和位于感应电极组112背离封装外壳111一侧的摩擦层113，感应电极组112包括沿封装外壳111内侧表面分布且相互绝缘的第一感应电极1121和第二感应电极1122，滚动体12在壳体11内部往复运动的过程中，滚动体12和摩擦层113表面摩擦起电，会在滚动体12表面产生静电荷，并在感应电极组112中感应产生自由电荷，当在第一感应电极1121和第二感应电极1122中接上负载时，会在负载中产生交流电，从而将外部的机械能转换为电能；滚动体12和摩擦层113中，滚动体12和摩擦层113的制备材料均为硅胶材料，采用硅胶材料使得摩擦纳米发电机1的耐冲击性得到明显增强，并且，滚动体12能够具有适度的柔性，使得滚动体12与摩擦层113之间的表面接触好，同时也易于实现滚动体12的滚动，尤其适用于收集低频运动的机械能。
上述摩擦纳米发电机1中产生的交流电也可通过电源管理电路调理后再连接负载，如图2所示，摩擦纳米发电机1输出端连接整流桥2相对的两个端口，整流桥2的另外两个端口连接电容3，摩擦纳米发电机1输出的交流电经整流桥2整流之后，给电容3充电，稳定的电压经端口4输出给负载。
具体地，滚动体12的表面形成有微纳米凹凸结构，或者，摩擦层113朝向摩擦空间的表面形成有微纳米凹凸结构。
在上述滚动体12和摩擦层113中，滚动体12的表面形成有微纳米凹凸结构，或者，摩擦层113朝向摩擦空间的表面形成有微纳米凹凸结构，采用微纳米凹凸结构可以增强滚动体12和摩擦层113接触面的粗糙度，增强表面的摩擦起电效果。
具体地，当滚动体12的表面形成有微纳米凹凸结构时，滚动体12的硅胶材料内混合有微纳米颗粒以在滚动体12表面形成微纳米凹凸结构；当摩擦层113朝向摩擦空间的表面形成有微纳米凹凸结构时，摩擦层113的硅胶材料中混合有微纳米颗粒以在摩擦层113朝向摩擦空间的表面形成微纳米凹凸结构。
在滚动体12的表面或者摩擦层113朝向摩擦空间的表面形成微纳米凹凸结构时，我们在滚动体12或摩擦层113采用的硅胶材料中混合微纳米颗粒，微纳米颗粒可以增强滚动体12的表面或者摩擦层113朝向摩擦空间的表面的粗糙度并参与表面的摩擦起电、增强表面的摩擦起电效果，而且，微纳米颗粒具有减小表面粘附的效果，使得滚动体12极易滚动，易于收集微小的机械能，从而提高摩擦纳米发电机1的输出性能。
具体地，微纳米颗粒为聚合物颗粒、金属颗粒、无机氧化物颗粒中的至少一种。
具体地，当滚动体12的表面形成有微纳米凹凸结构时，摩擦层113朝向摩擦空间的表面的硅胶材料为改性硅胶材料形成的改性层以使所述滚动体材料与所述摩擦层材料的带电能力不同。
对摩擦层113朝向摩擦空间的表面的硅胶材料采用紫外照射或氧等离子体处理等方法进行表面处理，调节其得失电子能力，使得处理后的硅胶表面在数微米深度之内的化学结构发生变化形成改性层，如图3所示，处理后的硅胶材料的Si-O-Si信号(图中所示带4)将减弱，Si-CH3信号也将减弱(带1)，而Si-OH信号将增强(带2和3)，表明发生了Si-O-Si链的断裂和Si-OH等新的基团的生成或增加，使得摩擦层113的摩擦起电性能得到了大幅的提升，从改性之前的不足10nC增加到70nC以上,如图4所示，由此具有改性层表面的摩擦层113与具有微纳米凹凸结构表面的滚动体12摩擦时表现出优异的起电性能，从而提高了摩擦纳米发电机1的输出性能。
具体地，当摩擦层113朝向摩擦空间的表面形成有微纳米凹凸结构时，滚动体12表面的硅胶材料为改性硅胶材料形成的改性层以使所述滚动体材料与所述摩擦层材料的带电能力不同。
对滚动体12表面的硅胶材料采用紫外照射或氧等离子体等方法进行表面处理，调节其得失电子能力，使得处理后的硅胶表面在数微米深度之内的化学结构发生变化形成改性层，如图3所示，处理后的硅胶材料的Si-O-Si信号(图中所示带4)将减弱，Si-CH3信号也将减弱(带1)，而Si-OH信号将增强(带2和3)，表明发生了Si-O-Si链的断裂和Si-OH等新的基团的生成或增加，使得滚动体12的摩擦起电性能得到了大幅的提升，从改性之前的不足10nC增加到70nC以上,如图4所示，由此具有改性层表面的滚动体12与具有微纳米凹凸结构表面的摩擦层113摩擦时表现出优异的起电性能，从而提高了摩擦纳米发电机1的输出性能。
具体地，第一感应电极1121和第二感应电极1122均为沿封装外壳111朝向摩擦空间的表面延展的面状电极，且第一感应电极1121的周边与第二感应电极1122的周边之间形成有隔离间隙以使第一感应电极1121和第二感应电极1122之间电气隔离。
第一感应电极1121和第二感应电极1122均为沿封装外壳111朝向摩擦空间的表面延展的面状电极，优化电极形状为面状电极，且沿封装外壳111朝向摩擦空间的表面延展，能够最大限度的收集滚动体12运动产生的电能；电极的周边之间形成有隔离间隙以使第一感应电极1121和第二感应电极1122之间电气隔离，使得两电极之间形成电势差，驱动感应电极组112中的自由电荷定向移动，从而收集环境中的机械能并转化为电能。
具体地，隔离间隙的宽度为2.5mm-7.5mm。
采用适宜的隔离间隙，使得感应电极组112在电气隔离的条件下达到较大的感应面积，从而能够最大限度的收集滚动体12运动产生的电能，提高摩擦纳米发电机1的输出性能。
具体地，封装外壳111朝向摩擦空间的表面所围空间的形状为圆球形、或者椭圆球形，第一感应电极1121和第二感应电极1122具有半球面形结构或半椭球面形结构。
封装外壳111朝向摩擦空间的表面所围空间的形状为圆球形、或者椭圆球形，使得滚动体12可以在其中滚动来将机械能转化为电能；第一感应电极1121和第二感应电极1122沿封装外壳111朝向摩擦空间的表面延展形成半球面形结构或半椭球面形结构。
具体地，第一感应电极1121和第二感应电极1122的面积相同。
采用相同面积的第一感应电极1121和第二感应电极1122，使得摩擦纳米发电机能够产生正反波形相同的交流电。
具体地，第一感应电极1121为涂覆于封装外壳111内表面的金属粉末导电涂层、位于摩擦层113与封装外壳111之间的ITO导电层、或者位于摩擦层113与封装外壳111之间的碳材料导电层；
第二感应电极1122为涂覆于封装外壳111内表面的金属粉末导电涂层、位于摩擦层113与封装外壳111之间的ITO导电层、或者位于摩擦层113与封装外壳111之间的碳材料导电层。
第一感应电极1121和第二感应电极1122优选的制作方法是采用金属粉末导电涂层，将金属粉末导电涂料直接涂覆在封装外壳111内表面，方法简单。
具体地，封装外壳111为绝缘材料制备的壳体11；或者，封装外壳111包括由刚性金属材料制备的壳本体和形成于壳本体朝向摩擦空间一侧表面的绝缘层，感应电极组112形成于绝缘层。
封装外壳111可采用多种结构材料，如聚合物、复合材料、金属等，当采用导电材料时，封装外壳111还包括用于与感应电极组112绝缘的绝缘层；如封装外壳111包括由刚性金属材料制备的壳本体和形成于壳本体朝向摩擦空间一侧表面的绝缘层，感应电极组112形成于绝缘层。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括具有封闭结构以在内部形成摩擦空间的壳体、位于所述摩擦空间内的滚动体，其中：
所述壳体包括封装外壳、位于所述封装外壳内侧的感应电极组和位于所述感应电极组背离所述封装外壳一侧的摩擦层，所述感应电极组包括沿所述封装外壳内侧表面分布且相互绝缘的第一感应电极和第二感应电极，所述第一感应电极和第二感应电极之间形成电势差；
所述滚动体和所述摩擦层中，所述滚动体的表面和所述摩擦层的制备材料均为硅胶材料；所述滚动体的表面形成有微纳米凹凸结构，或者，所述摩擦层朝向所述摩擦空间的表面形成有微纳米凹凸结构，当所述滚动体的表面形成有微纳米凹凸结构时，所述滚动体的硅胶材料内混合有微纳米颗粒以在所述滚动体表面形成所述微纳米凹凸结构，所述摩擦层朝向所述摩擦空间的表面的硅胶材料为采用紫外照射或氧等离子体处理方法进行表面处理后形成的改性层以使所述滚动体材料与所述摩擦层材料的带电能力不同，所述改性层中发生了Si-O-Si链的断裂和Si-OH新的基团的生成或增加；当所述摩擦层朝向所述摩擦空间的表面形成有微纳米凹凸结构时，所述摩擦层的硅胶材料中混合有微纳米颗粒以在所述摩擦层朝向所述摩擦空间的表面形成所述微纳米凹凸结构，所述滚动体表面的硅胶材料为采用紫外照射或氧等离子体处理方法进行表面处理后形成的改性层以使所述滚动体材料与所述摩擦层材料的带电能力不同，所述改性层中发生了Si-O-Si链的断裂和Si-OH新的基团的生成或增加。
2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述微纳米颗粒为聚合物颗粒、金属颗粒、无机氧化物颗粒中的至少一种。
3.根据权利要求1-2任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一感应电极和第二感应电极均为沿所述封装外壳朝向所述摩擦空间的表面延展的面状电极，且所述第一感应电极的周边与所述第二感应电极的周边之间形成有隔离间隙以使所述第一感应电极和第二感应电极之间电气隔离。
4.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述隔离间隙的宽度为2.5mm-7.5mm。
5.根据权利要求4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述封装外壳朝向所述摩擦空间的表面所围空间的形状为圆球形、或者椭圆球形，所述第一感应电极和第二感应电极具有半球面形结构或半椭球面形结构。
6.根据权利要求4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一感应电极和第二感应电极的面积相同。
7.根据权利要求4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一感应电极为涂覆于所述封装外壳内表面的金属粉末导电涂层、位于所述摩擦层与所述封装外壳之间的ITO导电层、或者位于所述摩擦层与所述封装外壳之间的碳材料导电层；
所述第二感应电极为涂覆于所述封装外壳内表面的金属粉末导电涂层、位于所述摩擦层与所述封装外壳之间的ITO导电层、或者位于所述摩擦层与所述封装外壳之间的碳材料导电层。
8.根据权利要求1-2任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述封装外壳为绝缘材料制备的壳体；或者，所述封装外壳包括由刚性金属材料制备的壳本体和形成于所述壳本体朝向所述摩擦空间一侧表面的绝缘层，所述感应电极组形成于所述绝缘层。
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