CN110601585A - 一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机 - Google Patents

一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及静电摩擦、能量转换领域，特指一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机。本发明采用腔体结构，通过增加摩擦纳米发电机的有效接触面积，进而提高摩擦纳米发电机的发电性能，提高了摩擦纳米发电机的输出功率和稳定性。本发明提供的一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机，可用于将自然环境中的丰富的波浪能或振动能转化为可利用的电能，结构简单，制造成本低，能量收集及转换效率高，应用范围广泛，具有极大的实用价值。

Description

一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机
技术领域
本发明涉及静电摩擦、能量转换领域，特指一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机。
背景技术
随着全球工业与经济的发展，能源供应问题成为了当下人类可持续发展亟待解决的问题之一，各种围绕新能源开发、可再生能源重复利用的研究正在世界各地如火如荼的进行；海洋能特别是波浪能作为环境中广泛存在的能量，一直以来由于能量转换装置收集转化效率较低，人类只能“望洋兴叹”；基于摩擦电效应以及静电感应原理的静电摩擦发电机在王中林团队等众多科学团队不断努力下取得了大量的研究成果，通过周期性垂直接触-分离、面内滑动、转动或者压电形式的静电摩擦发电机已经成功的用于收集环境中的波浪能。
申请号为201811261843.1的中国专利申请公开了一种基于摩擦纳米发电机的波浪能高效发电装置，通过柔性长条带状结构利用波浪能实现设备内部摩擦单元的接触分离，但是该种形式内部摩擦发电单元的有效接触面积较低，输出功率较低；申请号为201410232201.4的中国专利申请公开了一种基于电鳗仿生波浪能采集的摩擦纳米发电机及其制作方法，通过胀缩管结构利用波浪能等实现设备内部摩擦单元不断的接触分离，但是该种形式在对波浪等能量的收集转换过程中损耗太大，摩擦纳米发电机的有效接触面积小而且输出功率低、不稳定。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，采用独特的腔体结构，通过增加摩擦纳米发电机的有效接触面积，进而提高摩擦纳米发电机的发电性能，提高了摩擦纳米发电机的输出功率和稳定性。本发明提供的一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机，可用于将自然环境中的丰富的波浪能或振动能转化为可利用的电能，结构简单，制造成本低，能量收集及转换效率高，应用范围广泛，具有极大的实用价值。
本发明解决的技术问题是：提供一种基于独特腔体结构的高性能摩擦纳米发电机，通过增加摩擦纳米发电机的有效接触面积，提高发电效率和输出性能，主要用于解决摩擦纳米发电机输出功率小且输出性能不稳定的问题。
本发明提供的一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机，其特征在于，包括空心柱状外壳，位于所述空心柱状外壳内部且与空心柱状外壳左右两个侧面刚性连接的实心柱体，位于所述实心柱体上下、前后四个面上的水平导轨和与所述水平导轨滑动连接的滑块，第一摩擦发电单元，第二摩擦发电单元；其中第一摩擦发电单元包括分别对应于空心柱状外壳上下、前后四个内表面的4个摩擦纳米发电机；进一步的，每个摩擦纳米发电机包括位于空心柱状外壳内表面上的第一电极层，第一电极层采用栅状电极结构，位于第一电极层上方的第一摩擦层，位于实心柱体上且与水平导轨滑动连接的滑块以及设置于滑块表面正对于第一摩擦层的第二摩擦层，第二摩擦层既作为摩擦层也作为电极层；第二摩擦发电单元包括位于空心柱状外壳左内侧面或右内侧面上的第三电极层，位于第三电极层上的第三摩擦层，与第三摩擦层面对面且设置于滑块侧面的第二电极层，第二电极层既作为电极层也作为摩擦层；第一摩擦发电单元为独立层式摩擦纳米发电机，第二摩擦发电单元为垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机。
本发明采用的空心柱状外壳和实心柱体均为四棱柱，其分别包括上下、前后四个面和左右两个侧面。
优选的，第一摩擦层与第二摩擦层彼此接触且选用表面相对光滑的材质；
优选的，其中电极层、第二摩擦层选用束缚电子能力弱的金属导电层；第一摩擦层、第三摩擦层选用束缚电子能力强的非金属绝缘层；
优选的，电极层和第二摩擦层选用材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金的薄膜，厚度均为50μm-1㎜；第一摩擦层和第三摩擦层选用材质为PTFE的薄膜，厚度均为50μm-1㎜。
优选的，在第一电极层与空心柱状外壳内表面之间铺一层硅胶薄膜；
优选的，所述导轨和滑块采用滚珠轴承式配合；
优选的，所述空心柱体外壳和实心柱体选用亚克力板材料。
本发明提出的一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机的输出特性由往复运动或振动频率、摩擦层材料特性、栅状电极层宽度、彼此间距、栅状电极数量、有效摩擦面积等因素共同决定。
本发明一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机具有输出电流大、输出电压高、结构原理简单、制作成本低廉、耐磨耐用、输出性能稳定、输出的电压和电流可以通过调节栅状电极数量进行控制等特点，将该结构的摩擦纳米发电机接入电路中，经过整流电路将摩擦纳米发电机输出的交流电转化成直流电，即可对电容器、电池等储能元件进行充电存储，最终实现为电子元器件供电，该结构的摩擦纳米发电机可对波浪能和机械生产的振动能实现有效收集和转化。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、通过腔体结构设计，增加了摩擦纳米发电机的有效接触面积，保证了同一时间内多个摩擦层进行摩擦，极大地提高了摩擦纳米发电机的输出效率和稳定性；
2、在内部水平导轨的作用下，该装置有效地收集了环境中丰富的波浪能和振动能并转化为电能。该摩擦纳米发电机具有结构简单紧凑，制备方法简便，输出功率大等特点，在新能源和可再生能源领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为该发明的一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机整体结构示意图。
图2为该装置的第一摩擦发电单元。
图中1-空心柱状外壳 2-实心柱体 3-导轨 4-滑块 5-第一电极层 6-第一摩擦层7-第二摩擦层 010-第一摩擦发电单元。
图3为该装置的第二摩擦发电单元；
图中8-第三电极层 9-第三摩擦层 10-第二电极层 020-第二摩擦发电单元。
图4为该装置的第一摩擦发电单元发电原理图。
图5为该装置的第二摩擦发电单元发电原理图。
具体实施方式
本发明提供一种利用独特的腔体结构，通过增加摩擦纳米发电机的有效接触面积来提高输出性能超高性能的摩擦纳米发电机。该摩擦纳米发电机包括垂直接触-分离式摩擦纳米发电机和独立层式摩擦纳米发电机。
为了便于理解本发明的技术方案，下面结合附图详细介绍本发明的具体实施方法。
参见图1，本实施例的一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机，包括空心柱状外壳1、位于空心柱状外壳1内部且与空心柱状外壳1左右两侧面刚性连接的实心柱体2、第一摩擦单元010和第二摩擦发电单元020。本实施例中的空心柱状外壳和实心柱体均为四棱柱，其分别包括上下、前后四个面和左右两个侧面。其中，第一摩擦发电单元包括四个独立层式的摩擦纳米发电机，进一步的，其包括与水平导轨3滑动连接的滑块4、位于滑块4表面且与滑块4紧密结合的正对于第一摩擦层6的第二摩擦层7，第二摩擦层7即作为摩擦层也作为电极层，设置于空心柱状外壳内表面的第一电极层5以及位于第一电极层5上的第一摩擦层6，如图1所示。第二摩擦发电单元包括四个垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机，进一步的，其包括位于实心柱体2上的水平导轨3、与水平导轨3滑动连接的滑块4、位于滑块4左右两侧面且与滑块4紧密结合的第二电极层10，第二电极层10既作为电极层也作为摩擦层，与第二电极层10面对面且设置于空心柱状外壳1左右两侧内表面的第三电极层8、位于第三电极层8上的第三摩擦层9，如图2所示。本发明的超高性能的摩擦纳米发电机，在感受到外界环境(如波浪)的振动时，所述超高性能摩擦纳米发电机由于装置整体的不平衡，装置内部实心柱体2上水平导轨3上的滑块4沿着所在水平导轨3发生往复滑动，位于滑块4表面的第二摩擦层7与位于空心柱状外壳1内表面第一电极层5上的第一摩擦层6反复摩擦，根据摩擦起电和静电感应原理，由于第一摩擦层6与第二摩擦层7得失电子能力的差异性，使得两个摩擦层之间产生感应电势差驱动电子往复移动，接以外部负载便产生交变的电能，采用独立层模式的第一摩擦发电单元发电；与此同时，滑块4在沿着水平导轨3往复滑动的过程中，不可避免的会与空心柱状外壳1的左右内侧面不断的接触分离，位于滑块4左右侧面的第二电极层10与位于空心柱状外壳1左右内侧面第三电极层8上的第三摩擦层9不断地接触分离，根据摩擦起电和静电感应原理，采用垂直接触-分离模式的第二摩擦发电单元发电。
由此可知，本发明的一种用于收集波浪能的摩擦纳米发电机，通过巧妙的腔体结构设计，利用增加有效摩擦面积的方法，在有限的体积内设计了多个摩擦纳米发电机的工作面积，增加了接触面静电荷的转移量，提高了摩擦纳米发电机的输出性能和稳定性，具有结构简单、制作方便、成本低廉，输出功率高、输出性能稳定等优点。
本专利的结构、形状不仅局限于此文所述，可在此基础上设置为多层结构或适当改变空心柱状外壳的形状(如正六棱柱等)以得到更多的摩擦接触面积，注：实心柱体的形状、尺寸随着空心柱形外壳的形状、尺寸而变化；也可以将该装置集成为摩擦纳米发电机网络，将成百上千个摩擦纳米发电机产生的电信号经整流电路整流后并联到电路中，然后对储能元器件充电，最终实现对电子元器件的供电，本发明的装置可大规模运用到海洋中实现波浪能的收集与转化。
本发明的一种用于收集波浪能的摩擦纳米发电机通过巧妙的结构设计，极大地提高了摩擦纳米发电机的输出功率与稳定性，高效率的对环境中丰富的波浪能与机械能实现收集与转化，在新能源和可再生能源领域具有极大的应用前景。

Claims (7)

1.一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包括空心柱状外壳，位于所述空心柱状外壳内部且与空心柱状外壳左右两个侧面刚性连接的实心柱体，位于所述实心柱体上下、前后四个面上的水平导轨和与所述水平导轨滑动连接的滑块，第一摩擦发电单元，第二摩擦发电单元；其中第一摩擦发电单元包括分别对应于空心柱状外壳上下、前后四个内表面的4个摩擦纳米发电机；每个摩擦纳米发电机包括位于空心柱状外壳内表面上的第一电极层，第一电极层采用栅状电极结构，位于第一电极层上方的第一摩擦层，位于实心柱体上且与水平导轨滑动连接的滑块以及设置于滑块表面正对于第一摩擦层的第二摩擦层，第二摩擦层既作为摩擦层也作为电极层；第二摩擦发电单元包括位于空心柱状外壳左内侧面或右内侧面上的第三电极层，位于第三电极层上的第三摩擦层，与第三摩擦层面对面且设置于滑块侧面的第二电极层，第二电极层既作为电极层也作为摩擦层；第一摩擦发电单元为独立层式摩擦纳米发电机，第二摩擦发电单元为垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机。
2.如权利要求1所述的一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述空心柱状外壳和实心柱体均为四棱柱，其分别包括上下、前后四个面和左右两个侧面；所述空心柱状外壳和实心柱体选用亚克力板材料。
3.如权利要求1所述的一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机，其特征在于，第一摩擦层与第二摩擦层彼此接触且选用表面相对光滑的材质。
4.如权利要求1所述的一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机，其特征在于，电极层、第二摩擦层选用束缚电子能力弱的金属导电层；第一摩擦层、第三摩擦层选用束缚电子能力强的非金属绝缘层。
5.如权利要求4所述的一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机，其特征在于，电极层和第二摩擦层选用材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金的薄膜，厚度均为50μm-1㎜；第一摩擦层和第三摩擦层选用材质为PTFE的薄膜，厚度均为50μm-1㎜。
6.如权利要求1所述的一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机，其特征在于，在第一电极层与空心柱状外壳内表面之间铺一层硅胶薄膜。
7.如权利要求1所述的一种用于收集波浪能的高性能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述导轨和滑块采用滚珠轴承式配合。
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