CN110350819A - 一种基于超滑材料的静电发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于超滑材料的静电发电机，包括定子与动子，动子包括：第一导电层(1)；定子包括：第一绝缘层(2)、第二导电层(3)、第二绝缘层(4)、第三导电层(5)；并提出最优结构参数，增加了静电发电机的输出效能。利用微加工工艺，降低第一和第二绝缘层的厚度，从而能够降低静电阻力到μN级别，提高了其应用范围与能力。极低的摩擦力大大降低了其由于摩擦损耗的能量，从而将发电机的转换效率提高到了一个极高的水平。

Description

一种基于超滑材料的静电发电机

技术领域

本发明涉及静电发电机领域，尤其涉及通过设计静电发电机的结构提高静电发电机的输出。

背景技术

随着人机结合、物联网、智慧城市等的迅猛发展，需要用到数目众多且分散的传感器等微型器件和信号接收/发射等电子设备，从而迫切需要能够有效从环境俘获能量并发电的微发电机。例如在人体血管中工作的微型机器人，在恶劣环境下工作的高精度传感器等。这些微纳米系统从外部供电将变的非常困难，然而像电池类似的消耗式供电方式，如何进行更换和反复充能又变成了一个非常复杂和困难的问题。

人们生活中很多持续的活动存在有非常大的能量耗散没有被采集和利用，而传统的发电装置转化效率低，无法将这些微小活动有效转化为电能，例如手指在触摸屏幕上滑动的动能，人的肢体运动的动能，心脏跳动的动能，以及一些微小物体或有着微小运动的物体的移动动能。这样，需要设计出能够通过采集和捕获这些持续性活动的动能，将其转化为电能的供电装置，为上述智能终端设备和植入医疗设备提供方便、可靠且持续的电能。

目前主要产生电流的方式有两种，一种是通过切割磁力线而产生感应电流，即磁感应发电机，另一种是通过(电容)静电感应产生电流，即静电发电机。因前者服从尺度(L)率：，后者服从尺度率L¹～L²，故一旦微型化，后者与前者比应该具有很大的优势，且结构更加简单，可与现有的微加工工艺相契合。

静电发电机的一般原理可由以下两个过程来描述，荷电过程：通过外部激励的方式让第二导电层带上电荷(这里不限于外部电源充电的形式)。发电过程：之后通过外界能量的传递驱动动子运动，从而改变第一电容结构的电容值；通过静电感应，产生电势差驱动电子移动形成电流。

目前静电式微发电机已经有了不少研究，按照荷电方式的不同主要有以下几类：

1.摩擦纳米发电机(TENG)：通过摩擦起电的方式，即通过电子亲合能不同的两种材料相互接触，摩擦使得电子发生转移，在两个表面产生等大异号的电荷，进而通过静电感应产生感应电流。

2.压电纳米发电机(PENG)：通过压电材料的压电特性，将外部的机械能转换为压电材料的形变，从而产生相应的电压与电荷。

3.驻极体式微型发电机(EBMG)：利用驻极体通过外部荷电的方式储存电荷，进而运动产生相应的感应电流。

尽管这些发电机的研究工作均取得了开拓性的进展，但是由于摩擦磨损问题的存在，导致相关结构参数无法达到最优状态，使得微型静电发电机难以走向应用；主要原因包括：1、摩擦力导致的能量损耗大大降低了能量转换效率，同时也增大了驱动发电机工作所需的外力大小，限制了其应用的范围。2、磨损问题大大降低了发电机的使用寿命。3、为了避免磨损，采用了一些复杂的结构大大降低了输出效能。

为了解决这些问题，前人做了很多的相关研究，提出了一些解决方案：例如，1、为了避免磨损而采用悬空的结构，可以通过滚珠以及一些支架弹簧结构避免接触的直接滑动；2、采用液体摩擦代替滑动摩擦；3、采用耐磨材料直接接触滑动，尽量减少动子与定子之间的距离。

然而上述方案虽然在一定程度上降低或者避免了直接滑动所带来的磨损，但是仍然存在问题，例如：1、为了避免悬空结构导致的空气层极易击穿，不利于提高发电机的电荷存储量；2、采用的悬空结构非常复杂，很难将发电机小型化；3、即使采用耐磨材料和液体润滑，仍然无法解决发电机的寿命以及转化效率的问题。

由此可见，目前的静电微发电机由于摩擦和磨损等问题的存在，使得相关的结构参数无法达到最优情况(为了避免摩擦和磨损)，而为了达到最优参数，往往无法避免的需要接触式的滑动(将造成磨损)。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于超滑材料的静电发电机，并对一般性结构进行参数优化，避免了摩擦磨损问题，同时大大增加了静电发电机的输出效能。本发明的技术方案如下：

一种静电发电机，包括定子与动子，动子包括：第一导电层(1)；定子包括：第一绝缘层(2)、第二导电层(3)、第二绝缘层(4)、第三导电层(5)；其中采用超滑材料作为第一绝缘层和第一导电层，并使得微发电机结构参数α,β，β_opt满足：

其中，无量纲参数α,β,β_opt满足：

其中，第一绝缘层的介电常数为ε₁,第二绝缘层的介电常数为ε₂,第一绝缘层的击穿电场强度为E_1cr,第二绝缘层的击穿电场强度为E_2cr，定子相对于动子运动的平均速度为v,电阻为R,第一导电层的长度为L，宽度为W，第二导电层以及第三导电层的面积为第一导电层的γ倍；第一绝缘层的厚度为d₁,第二绝缘层的厚度为d₂。

进一步地，所述超滑材料包括一个二维材料和一个具有原子级平整表面的任意材料，其分别作为第一导电层和第一绝缘层。

进一步地，第一导电层的超滑材料选自石墨、石墨烯、二硒化钼、氟化石墨烯；最优选为具有二维表面的石墨块材料。

进一步地，第一绝缘层的超滑材料为具有高击穿强度的固体材料；优选自介电陶瓷、类金刚石材料、绝缘聚合物材料、绝缘涂料；最优选自特氟龙、类金刚石材料。

进一步地，第一绝缘层的超滑材料选自六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母。

进一步地，第二绝缘层为具有高击穿强度的固体材料；优选自介电陶瓷、类金刚石材料、绝缘聚合物材料、绝缘涂料；最优选自特氟龙、类金刚石材料。

进一步地，β_opt约等于1。

进一步地，绝缘层厚度d1、d2为1-10nm。

采用超滑材料作为第一绝缘层和第一导电层时，其低摩擦力和无磨损的特性能够实现两个固体表面的直接接触滑动，使得静电发电机结构参数能够进一步优化，在材料设计时满足两个绝缘层的击穿电场强度基本接近，即β_opt≈1，从而进一步大大增加静电发电机的输出效能。

附图说明

图1：静电微发电机电容结构

图2：静电微发电机的充电过程

图3：静电微发电机的平衡过程与发电过程

图4：发电过程的等效电路图

图5：在保证不击穿的情况下实现最大充电电荷的充电电压与参数α和β的关系图

图6：单次运动周期中转移电荷q与参数α和β的关系图

图7：单次运动周期中输出峰值电流i与参数α和β的关系图

图8：单次运动周期中输出平均功率p与参数α和β的关系图

图9：达到结构最优参数后，静电发电机的最大转移电荷(q_m)随着材料参数(β_opt)的变化关系

图10：达到结构最优参数后，静电发电机的最大输出峰值电流(i_m)随着材料参数(β_opt)的变化关系

图11：达到结构最优参数后，静电发电机的最大平均功率(p_m)随着材料参数(β_opt)的变化关系

附图标记：

1.第一导电层 2.第一绝缘层 3.第二导电层 4.第二绝缘层

5.第三导电层 6.外部充电电源 7.外部负载 8.等效第一电容

9.等效第二电容

具体实施例

首先结合附图1-4说明静电微发电机的一般的发电过程，

充电过程：如图2所示，在第二导电层3和第三导电层5之间连接一个外部电源6，电压为V_c,使得第二导电层3和第三导电层5上带上等大反号的电荷q_c。

平衡过程：如图3所示，连接第一导电层1和第三导电层3形成回路。

发电过程：如图3所示，移动第一导电层1，改变第一导电层1和第二导电层3之间电容的大小，产生感应电动势驱动电子运动，形成电流。

其相应的等效电路图如图4所示，其中第一导电层和第二导电层之间形成电容C₁(7),第二导电层和第三导电层之间形成电容C₃(8),其中C₁(7)会随着第一导电层的运动而变化，从而产生感应电势差驱动电子移动产生电流。

当满足微发电机结构参数α，β，β_opt满足：

其中，无量纲参数α，β，β_opt分别是：

其中，第一绝缘层的介电常数为ε₁，第二绝缘层的介电常数为ε₂，第一绝缘层的击穿电场强度为E_1cr，第二绝缘层的击穿电场强度为E_2cr，定子相对于动子运动的平均速度为v，电阻为R，第一导电层的长度为L，宽度为W，第二导电层以及第三导电层的面积为第一导电层的γ倍；第一绝缘层的厚度为d₁，第二绝缘层的厚度为d₂。

满足上述公式(S1)时，发电机输出效能能够达到最优，此情况下其相应的转移电荷q_max，输出峰值电流i_max，和平均功率p_max满足

其中q_c，max＝ε₂E_2crγA为在充电过程中能够实现的最大电荷量，T＝L/v为单次运动的周期；可见在优化了结构参数(S1)之后其输出参数均反比于材料参数β_opt，正比于q_c，max；以往的静电发电机为了避免摩擦和磨损同时实现较大的充电电荷q_c，max，第一绝缘层一般采用的是空气，而第二层绝缘层采用的固体绝缘介质，而固体绝缘介质的击穿电场强度E_2cr要比气体介质的击穿电场强度E_1cr要大很多，导致β_opt很大(约10²～10³量级)，而在采用超滑材料后，使得第一绝缘层采用固体绝缘介质成为可能，尤其当第一绝缘层和第二绝缘层均采用具有高击穿强度(E_2cr和E_1cr)的固体绝缘材料，β_opt能够设计到很小，使得在提高q_c，max的同时，将β_opt降低到

β_opt≈1 (S4)

提高输出效能(q_max，i_max，p_max)能够达到量级的提升。

进一步的，基于超滑材料的静电微发电机能够在保证实现结构参数优化时还将带来更多的优势：利用微加工工艺，降低第一和第二绝缘层的厚度d₁，d₂到1-10nm，从而能够降低静电阻力到μN级别，提高其应用范围与能力。同时，极低的摩擦力大大降低了其由于摩擦损耗的能量，从而将发电机的转换效率提高到了一个极高的水平。

实施例中选择W＝L＝100μm，v＝1m/s；采用高温定向热解石墨制备的具有二维表面的石墨(超滑材料)作为第一导电层(1)，采用相同SiO₂材料作为第一绝缘层(2)和第二绝缘层(4)，此时β_opt＝1，其相对介电常数为ε₁₁＝ε₁₂＝4.9，击穿强度为E_1cr＝E_2cr≈10⁹V/m；其中通过微加工工艺(抛光处理等)实现第一绝缘层(2)的表面原子级光滑，达到超滑状态。采用金属电极Au，Al作为第二导电层(3)和第三导电层(5)。其中金属电极的长度与宽度与石墨块的长度，宽度相同(W＝L)。

首先让石墨块(第一导电层(1))和定子中的电极(第二导电层(3)和第三导电层(5))重合，在定子的两个电极之间(第二导电层(3)和第三导电层(5))连接一个电源，施加电压为V_c，然后断开电源，使得第二导电层储存上一定的电荷q_c，然后利用外部能量驱动第一导电层相对定子滑动，在第一导电层和第三导电层之间串联一个外部电阻R＝1kΩ，测量相应的电流。

图5给出了在保证不发生击穿情况下达到最大允许充电电荷q_c，max的充电电压，而不同参数α和β下的转移电荷q，输出电流峰值i和平均功率p如图6，7，8所示；综合来看，在参数β和α取最优情况(即满足公式(S1)时)：

能够有最优的输出效能。

而在上述最优结构参数的情况下，静电发电机的输出效能会随着β_opt的降低而增加，选择W＝L＝100μm，v＝1m/s，R＝1kΩ，在参数β和α均满足最优关系(S5)的时候，相应的转移电荷q_m，输出电流峰值i_m和平均功率p_m随β_opt的变化关系如图9，10，11所示；可见当β_opt较大时(目前静电发电机为了避免摩擦而采用空气作为第一绝缘层)输出效能明显降低，而当β_opt减小时(利用超滑材料的无磨损特性实现固体绝缘介质作为第一绝缘层时能够降低到约等于1，输出效能相应增大。

进一步的，在采用超滑材料达到上述优化情况后，还将有一些附加优势，主要体现为：

当采用超滑材料实现第一绝缘层为固体绝缘介质，并且能够与第一导电层进行直接滑动，从而能够利用微加工技术进一步的降低第一和第二绝缘层的厚度d₁,d₂到纳米尺度，驱动发电机运动所需要的静电阻力将大大降低，又由于超滑材料实现的低摩擦力，驱动静电发电机所需的外力可以降低到μN量级。

与此同时由于超滑材料实现的极低摩擦力所带来的能量耗散很低，其相应的转换效率也将大大提高。

超滑材料的无磨损性质，将大大提高静电微发电机的使用寿命。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种静电发电机，包括定子与动子，动子包括：第一导电层(1)；定子包括：第一绝缘层(2)、第二导电层(3)、第二绝缘层(4)、第三导电层(5)；其中采用超滑材料作为第一绝缘层和第一导电层，并使得微发电机结构参数α,β，β_opt满足：

其中，参数α,β,β_opt满足：

其中，第一绝缘层的介电常数为ε₁,第二绝缘层的介电常数为ε₂,第一绝缘层的击穿电场强度为E_1cr,第二绝缘层的击穿电场强度为E_2cr，定子相对于动子运动的平均速度为v,电阻是R,第一导电层的长度为L，宽度为W，第二导电层以及第三导电层的面积为第一导电层的γ倍；第一绝缘层的厚度为d₁,第二绝缘层的厚度为d₂。

2.如权利要求1所述的静电发电机，所述超滑材料包括一个二维材料和一个具有原子级平整表面的任意材料，其分别作为第一导电层和第一绝缘层。

3.如权利要求1所述的静电发电机，所述第一导电层的超滑材料选自石墨、石墨烯、二硒化钼、氟化石墨烯；优选为具有二维表面的石墨材料。

4.如权利要求1所述的静电发电机，所述第一绝缘层的超滑材料为具有高击穿强度的固体材料；优选自介电陶瓷、类金刚石材料、绝缘聚合物材料、绝缘涂料；最优选自特氟龙、类金刚石材料。

5.如权利要求1所述的静电发电机，所述第一绝缘层的超滑材料选自六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母。

6.如权利要求1所述的静电发电机，所述第二绝缘层为具有高击穿强度的固体材料；优选自介电陶瓷、类金刚石材料、绝缘聚合物材料、绝缘涂料；最优选自特氟龙、类金刚石材料。

7.如权利要求1所述的静电发电机，β_opt约等于1。

8.如权利要求1所述的静电发电机，绝缘层厚度d1、d2为1-10nm。