CN110165926B - 三维多层电极及包含其的摩擦纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
一种三维多层电极及包含其的摩擦纳米发电机，所述三维多层电极包括：横向分隔片组和纵向分隔片组，所述横向分隔片组包括相互间隔的多个横向分隔片，所述纵向分隔片组包括相互间隔的多个纵向分隔片。所述摩擦纳米发电机包括所述三维多层电极、封装外壳和摩擦颗粒组。本发明在发电机内部空间布置多层电极，分隔空间，使摩擦面密度得到了极大的提升，发电机内部的空间利用率大幅提高，且产生多层感应的效果，使输出得到很大提升。
Description
技术领域
本发明涉及纳米新能源技术领域，具体涉及一种三维多层电极及包含其的摩擦纳米发电机。
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。
摩擦纳米发电技术的基本原理是利用摩擦(接触)在两表面(其中至少一个为绝缘材料)生成静电荷，当接触表面分离时，静电荷的分离产生电势差，驱动绝缘表面下感应电极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。摩擦纳米发电技术尤其适用于收集低频运动的机械能，如振动或摆动能量等，且具有结构简单、成本低、材料选择丰富等优势。将其应用于海洋能收集领域，将提供一条新的技术路径。
现有已提出的球形波浪能摩擦纳米发电机使用的摩擦材料和电极布置不够优化，采用壳球结构，仅有一个摩擦面，空间利用率低，输出电荷量和功率小。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种三维多层电极及包含其的摩擦纳米发电机，用于大幅提高发电机内部的空间利用率和发电机的电荷量输出。
为达上述目的，一方面，本发明提出了一种三维多层电极，包括横向分隔片组和纵向分隔片组，所述横向分隔片组包括相互间隔的多个横向分隔片，所述纵向分隔片组包括相互间隔的多个纵向分隔片，
其中，所述横向分隔片包括由绝缘材料制成的横向分隔基片、第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别独立地附着在所述横向分隔基片的上表面和/或下表面，或者由所述横向分隔基片进行机械连接形成一个整体，并且所述第一电极和第二电极相互绝缘；
所述纵向分隔片包括由绝缘材料制成的纵向分隔基片、第一连通电极和第二连通电极，所述第一连通电极和第二连通电极相互绝缘，所述第一连通电极与各横向分隔片上的第一电极连通，所述第二连通电极与各横向分隔片上的第二电极连通。
优选地，所述横向分隔片上设置有接插槽，用于接插所述纵向分隔片；所述纵向分隔片上设置有接插槽，用于接插所述横向分隔片。
优选地，所述三维多层电极还包括连接杆及间隙柱组，所述间隙柱组包括多个间隙柱，所述间隙柱用于将相邻的横向分隔片分隔一定的间距，所述横向分隔片和所述间隙柱具有通孔，所述连接杆交替穿过所述横向分隔片和所述间隙柱的通孔。
优选地，处于中心位置的纵向分隔片被分成两个部分。
优选地，所述横向分隔基片和所述纵向分隔基片由绝缘材料制成，优选为聚合物或复合材料。
优选地，第一电极和第二电极上分别设置摩擦起电材料制成的摩擦材料层，优选地，所述摩擦起电材料选自聚合物、无机氧化物或复合材料。
另一方面，本发明提出了一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：权利要求1-6中任一项所述三维多层电极、封装外壳和摩擦颗粒组，其中所述封装外壳具有一内部空间，所述三维多层电极将所述内部空间分隔成多个子空间，所述摩擦颗粒组分布于所述子空间内。
优选地，所述封装外壳与所述三维多层电极相互绝缘，优选地，所述封装外壳由聚合物、复合材料或内表面覆盖绝缘层的金属制成。
优选地，所述摩擦颗粒组包括摩擦起电材料制成的多个摩擦颗粒，优选地，所述摩擦起电材料选自金属、聚合物、无机氧化物或复合材料。
优选地，所述摩擦颗粒的尺寸为0.5-4mm。
优选地，所述摩擦颗粒为绝缘材料，此时所述第一电极和第二电极上设置或不设置摩擦材料层。
优选地，所述摩擦纳米发电机的封装外壳上还包括负重部件，使摩擦纳米发电机整体的重心在浮心的下方位置。
又一方面，本发明提出了一种摩擦纳米发电系统，包括所述摩擦纳米发电机和整流电路，其中所述整流电路包括整流桥和电容，所述整流桥的输入端与所述摩擦纳米发电机的电极相连，所述整流桥的输出端与所述电容的两端相连。
又一方面，本发明提出了一种所述摩擦纳米发电系统在利用波浪能、风能、摆动能或振动能发电中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出了一种具有三维多层电极结构的摩擦纳米发电机，在发电机内部空间布置多层电极，分隔空间，使摩擦面密度得到了极大的提升，发电机内部的空间利用率大幅提高。同时，三维电极作为多层次多方位的整体电极，对于器件中每个带静电运动体形成多层多方位静电感应能力，使得电荷量输出得到了极大的增强。
(2)本发明采用颗粒状的摩擦颗粒组，直接填充到各层电极间，结构简单，制作方便，耐久性好。颗粒物比表面积大，增强了表面容纳电荷的能力及摩擦起电的效果，使发电机的电荷量输出大幅提升。同时，由于颗粒物运动阻力低，容易滚动，使得发电机极易被外界低频运动激励。
(3)本发明提出了一种薄片接插的方法构造三维多层电极，并通过锡焊进行电极间的连接，方法简便可靠。薄片及电极可用PCB工艺加工，使得发电机易于规模化生产。
附图说明
图1为本发明实施例中摩擦纳米发电机的结构示意图；
图2为本发明实施例中三维多层电极的结构爆炸示意图；
图3为本发明实施例中摩擦纳米发电机沿与主纵向分隔片垂直方向的剖面图；
图4为本发明实施例中摩擦纳米发电机沿主纵向分隔片方向的剖面图；
图5为本发明实施例中横向分隔片和摩擦颗粒的结构示意图；
图6为本发明实施例中横向分隔片和摩擦颗粒的另一结构示意图；
图7为本发明实施例中横向分隔片的示意图；
图8为本发明实施例中主纵向分隔片的示意图；
图9为本发明实施例中副纵向分隔片的示意图；
图10为本发明实施例中摩擦纳米发电系统的示意图；
图11为本发明实施例中摩擦纳米发电机收集水波能的工作原理示意图；
图12为本发明实施例中摩擦纳米发电机的电荷量输出。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在一个实施例中，本发明提出了一种具有三维多层电极结构的摩擦纳米发电机，其总体结构如图1所示，包含封装外壳100、三维多层电极200、摩擦颗粒组300等部分。
其中，封装外壳100可分为封装半壳A110和封装半壳B120。封装外壳100可采用各种结构材料，如聚合物、复合材料、金属等，如为导电材料，其内表面需有绝缘层从而与内部结构绝缘，优选的尺寸是5cm-30cm。封装外壳100不限于球形，也可为其它任意可布置三维电极的形状，从而可适应在浮标等装置的内部空间安装并应用，拓展应用范围并最大限度利用相应空间。
三维多层电极200的具体结构如图2爆炸视图所示，可分为横向分隔片组210、纵向分隔片组220、连接杆230及间隙柱组240等部分。横向分隔片组210由若干横向分隔片组成，如图中所示211、212、213等，每一分隔片的大小和形状正好适合封装外壳100给出的内部空间；纵向分隔片组220由若干纵向分隔片组成，如图中所示主纵向分隔片A221、主纵向分隔片B222、副纵向分隔片223及224等，每一分隔片的大小和形状能保证在安装后正好适合封装外壳100给出的内部空间。横向及纵向分隔片不限于图示中给出的数量，在能填入颗粒的前提下，可相应增减。
在一个实施例中，处于中心位置的主纵向分隔片被分成两个部分，即图中所示主纵向分隔片A221和主纵向分隔片B222，以便连接杆230及间隙柱组240的安装；间隙柱组240包含若干间隙柱，如图中所示241等，用于将各横向分隔片分隔开一定的间距；连接杆230将横向分隔片及间隙柱依次交替串连起来，形成一个整体；如进一步将纵向分隔片在相应位置以接插的形式垂直于横向分隔片插入，即可形成三维多层电极200，并将封装外壳100的内部空间分隔成若干小空间。间隙柱组240可采用聚合物、复合材料等绝缘结构材料。连接杆230可为聚合物、复合材料、金属等结构材料。
在另一个实施例中，连接杆230及间隙柱组240也可以去掉，直接通过横向分隔片及纵向分隔片的接插形成三维多层电极，采用这种方式会增加安装的难度，但可以简化结构。
摩擦颗粒组300由若干摩擦颗粒组成，填充入上述空间，颗粒的形状优选为球形，颗粒的尺寸优选为0.5-4mm。摩擦颗粒不限于球形，也可为其它任意形状。组装完成的器件的主视图及右视图如图3及图4所示，摩擦颗粒组300的填充量优选为图中所示的填满一半球壳。
图5以剖切视图的形式给出了横向分隔片211及摩擦颗粒301组成的局部结构的工作原理。其中横向分隔片211包括分隔基片2115、附于分隔基片上表面的第一电极2111及第二电极2112、附于电极上的摩擦材料层A2113及摩擦材料层B2114等部分。当器件受到外界激励时，摩擦颗粒301将在横向分隔片211表面的两电极间滑动，并与摩擦材料层摩擦，表面产生静电荷，静电荷随着摩擦颗粒301的运动而运动，基于静电感应原理，在第一电极2111和第二电极2112中感应产生电势，并可在外电路中产生交变电流。在完整的器件中，每一个分隔片表面有若干个摩擦颗粒，其运动可以产生叠加效应，感应产生更大的电流。在分隔基片2115的下表面，以同样方式布置有电极及摩擦材料层，可用于与下一个分隔周期中的颗粒摩擦及感应生电。在此器件中，三维多层电极具有整体效应，除横向分隔片上的电极，还包括纵向分隔片上的电极，对于每个颗粒上的静电荷发散出来的电场，均由多方向的多层电极拦截，减少负载及电极尺寸造成的电场泄漏，提高能量收集效率和电荷量输出。本器件中，横向分隔片为平面或者曲面形状，优选为平面结构，当平面倾斜时，颗粒发生运动，或者被平面与颗粒间的相互作用力所驱动，相比现有的曲面壳-球结构，平面上的滑动阻力小，更容易被低频率的波浪激励。
应当理解，第一电极2111及第二电极2112并不限于上述设置方式，第一电极2111和第二电极2112可以分别独立地附着在分隔基片2115的上表面和/或下表面，即第一电极2111和第二电极2112可以同时附着在分隔基片2115的上表面，或者同时附着在分隔基片2115的下表面，或者或者同时附着在分隔基片2115的上表面和下表面，也可以其中一个电极附着在分隔基片2115的上表面，而另一个电极附着在分隔基片2115的下表面。
在另一个实施例中，横向分隔片211为图6所示结构。其中，分隔基片2115的两端分别与第一电极2111及第二电极2112相连形成一个整体，第一电极2111、第二电极2112和分隔基片2115的厚度可以相同或不同。
分隔基片2115为聚合物、复合材料等绝缘结构材料，第一电极2111及第二电极2112为金属、碳材料或ITO等导电材料，摩擦材料层A2113及摩擦材料层B2114为聚合物、无机氧化物、复合材料等绝缘的摩擦起电材料，摩擦颗粒301为金属、聚合物、无机氧化物、复合材料等摩擦起电材料，当摩擦颗粒301为绝缘材料时，摩擦材料层A2113和摩擦材料层B2114也可去掉，第一电极2111及第二电极2112可兼做摩擦层。
图7为横向分隔片211的示意图，给出了电极间隙2116、中心孔2117、接插槽2118等特征。其中电极间隙2116用于保证第一电极2111及第二电极2112不短路且气隙不被击穿；中心孔2117用于安装连接杆230；接插槽2118用于接插纵向分隔片组220。其它横向分隔片具有类似的结构。
图8为主纵向分隔片A221的示意图，其中的接插槽2212用于接插横向分隔片组210，第一连通电极2211用于连通所有横向分隔片上的第一电极，同时也起到在此方向上感应电荷的作用。第一连通电极2211表面可覆盖一层绝缘的摩擦材料层，当摩擦颗粒组300为金属等导电材料时，起到绝缘作用，同时产生摩擦起电的效果。主纵向分隔片B222具有类似结构，其上的第二连通电极用于连通所有横向分隔片上的第二电极，同时也起到在此方向上感应电荷的作用。连通第二电极表面也可覆盖一层绝缘的摩擦材料层。连通第一电极与第一连通电极的连接及第二电极与第二连通电极的连接可通过锡焊或导电胶粘接等方式实现。
图9为副纵向分隔片223的示意图，其中的接插槽2231用于接插横向分隔片组210。其它副纵向分隔片具有类似结构。副纵向分隔片也可参照主纵向分隔片设计相互绝缘的第一连通电极与第二连通电极及绝缘的摩擦材料层，从而加强此方向的多层静电感应。
各纵向分隔片的基片均为聚合物、复合材料等绝缘结构材料，纵向分隔片上的连通电极为金属、碳材料或ITO等导电材料，摩擦材料层为聚合物、无机氧化物、复合材料等绝缘的摩擦起电材料。
图10给出了本发明实施例的摩擦纳米发电系统。摩擦纳米发电机1的输出经过整流桥2整流之后，给电容3充电，稳定的电压即可经端口4输出给负载。
图11给出了本发明实施例摩擦纳米发电机在水中的总体工作原理。质量块400固连在封装外壳100的底部，使装置整体的重心在浮心的正下方位置，从而保证本发明在水面上的姿态正确，同时在波浪的激励下能产生类似单摆的摆动，激励摩擦颗粒组300在两电极间来回运动。
本发明不限定于收集波浪能，也可直接应用于风能或其它摆动及振动能量的收集，其工作模式也不仅限于图11中给出的方式，只要能激发颗粒在电极间运动，相应的机械能均可被收集。
本发明大幅提升了波浪能收集器件的输出电荷量，使7cm直径的球形单元可产生500nC以上的电荷量输出，如图12所示。
在本实施例中，可采用PCB板加工工艺实现横向分隔片组210、纵向分隔片组220的快速批量制作。另外，三维多层电极也可采用其它的构造方法，如3D打印等。
本发明通过新的内部结构和制作构造方法设计，充分利用了发电机的内部空间，使得发电机的输出性能和耐久性得到了大幅提升。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种三维多层电极，其特征在于，该三维多层电极用于摩擦纳米发电机，包括：横向分隔片组和纵向分隔片组，所述横向分隔片组包括相互间隔的多个横向分隔片，所述纵向分隔片组包括相互间隔的多个纵向分隔片，
其中，所述横向分隔片包括由绝缘材料制成的横向分隔基片、第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极附着在所述横向分隔基片的上表面和/或下表面，或者由所述横向分隔基片进行机械连接形成一个整体，并且所述第一电极和第二电极相互绝缘，其中，所述第一电极和所述第二电极相互独立；
所述纵向分隔片包括由绝缘材料制成的纵向分隔基片、第一连通电极和第二连通电极，所述第一连通电极和第二连通电极相互绝缘，所述第一连通电极与各横向分隔片上的第一电极连通，所述第二连通电极与各横向分隔片上的第二电极连通，其中，所述第一连通电极和所述第二连通电极上分别设置摩擦起电材料制成的摩擦材料层。
2.如权利要求1所述的三维多层电极，其中，所述横向分隔片上设置有接插槽，用于接插所述纵向分隔片；所述纵向分隔片上设置有接插槽，用于接插所述横向分隔片。
3.如权利要求1所述的三维多层电极，其中，所述三维多层电极还包括连接杆及间隙柱组，所述间隙柱组包括多个间隙柱，所述间隙柱用于将相邻的横向分隔片分隔一定的间距，所述横向分隔片和所述间隙柱具有通孔，所述连接杆交替穿过所述横向分隔片和所述间隙柱的通孔。
4.如权利要求1所述的三维多层电极，其中，处于中心位置的纵向分隔片被分成两个部分。
5.如权利要求1所述的三维多层电极，其中，所述横向分隔基片和所述纵向分隔基片由绝缘材料制成。
6.如权利要求5所述的三维多层电极，其中，所述绝缘材料为聚合物或复合材料。
7.如权利要求1所述的三维多层电极，其中，第一电极和第二电极上分别设置摩擦起电材料制成的摩擦材料层，所述摩擦起电材料选自聚合物、无机氧化物或复合材料。
8.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：权利要求1-7中任一项所述三维多层电极、封装外壳和摩擦颗粒组，其中所述封装外壳具有一内部空间，所述三维多层电极将所述内部空间分隔成多个子空间，所述摩擦颗粒组分布于所述子空间内。
9.根据权利要求8所述的摩擦纳米发电机，其中，所述封装外壳与所述三维多层电极相互绝缘。
10.根据权利要求9所述的摩擦纳米发电机，其中，所述封装外壳由聚合物、复合材料或内表面覆盖绝缘层的金属制成。
11.根据权利要求8所述的摩擦纳米发电机，其中，所述摩擦颗粒组包括摩擦起电材料制成的多个摩擦颗粒。
12.根据权利要求11所述的摩擦纳米发电机，其中，所述摩擦起电材料选自金属、聚合物、无机氧化物或复合材料。
13.根据权利要求11所述的摩擦纳米发电机，其中，所述摩擦颗粒的尺寸为0.5-4mm。
14.根据权利要求8所述的摩擦纳米发电机，其中，所述摩擦颗粒为绝缘材料，此时所述第一电极和第二电极上设置或不设置摩擦材料层。
15.根据权利要求8-14任一项中所述的摩擦纳米发电机，其中，所述摩擦纳米发电机的封装外壳上还包括负重部件，使摩擦纳米发电机整体的重心在浮心的下方位置。
16.一种摩擦纳米发电系统，包括如权利要求8-15任一项所述的摩擦纳米发电机和整流电路，其中所述整流电路包括整流桥和电容，所述整流桥的输入端与所述摩擦纳米发电机的电极相连，所述整流桥的输出端与所述电容的两端相连。
17.一种权利要求16中所述摩擦纳米发电系统在利用波浪能、风能、摆动能或振动能发电中的应用。
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