CN111313745A - 一种摩擦纳米发电机、发电方法及发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种摩擦纳米发电机、发电方法及发电系统,涉及纳米新能源技术领域。在本发明实施例中,利用弹性的螺旋结构,形成涡旋形的支撑结构,使得外界波浪的激励能够引起支撑结构内部的重物发生翻滚运动,使得第一摩擦结构和第二摩擦结构发生接触和分离,从而输出电信号。如此,使得该种摩擦纳米发电机可以收集任意方向上的摇摆运动所产生的能量,从而使得摩擦纳米发电机具有较高的能量转化效率。并且,本发明实施例中的摩擦纳米发电机具有较大的摩擦面积,可以大大提高摩擦纳米发电机的能量密度。

Description

一种摩擦纳米发电机、发电方法及发电系统
技术领域
本发明涉及纳米新能源技术领域,尤指一种摩擦纳米发电机、发电方法及发电系统。
背景技术
大规模收集海洋中的波浪能能够减轻人们在生产生活中对化石能源的依赖,从而减轻二氧化碳排放,及能源短缺的问题。目前收集海洋能的方式大多采用电磁感应的方式,难以直接收集波浪的低频能量。
基于此,如何收集海洋波浪的低频能量,是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种摩擦纳米发电机、发电方法及发电系统,用以收集海洋波浪的低频能量。
第一方面,本发明实施例提供了一种摩擦纳米发电机,包括:支撑结构、第一柔性基板、第二柔性基板、以及重物;
所述支撑结构为具有弹性的螺旋结构,所述重物位于所述支撑结构的中心;
所述支撑结构包括多段连接的骨架,至少部分所述骨架位于不同的平面内,所述第一柔性基板沿着所述支撑结构的中心轴线环绕且贴合于各所述骨架靠近所述支撑结构中心的一侧,所述第二柔性基板沿着所述支撑结构的中心轴线环绕且贴合于各所述骨架远离所述支撑结构中心的一侧;
所述第一柔性基板面向所述支撑结构中心的一侧设置有第一摩擦结构,所述第二柔性基板远离所述支撑结构中心的一侧设置有第二摩擦结构,所述第一摩擦结构与所述第二摩擦结构在所述第一柔性基板表面上的正投影交叠;
在外力的作用下所述重物发生振动,所述支撑结构带动所述第一柔性基板和所述第二柔性基板发生变形,使得所述第一摩擦结构和所述第二摩擦结构发生接触和分离并产生电压信号。
可选地,所述第一摩擦结构设置有多个,所述第二摩擦结构设置有多个,各所述第一摩擦结构和各所述第二摩擦结构均沿着所述支撑结构的中心轴线的环绕方向排布。
可选地,所述第一柔性基板面向所述支撑结构中心的一侧还设置有多条第一连接线,每条所述第一连接线与部分所述第一摩擦结构电连接;所述第二柔性基板远离所述支撑结构中心的一侧还设置有多条第二连接线,每条所述第二连接线与部分所述第二摩擦结构电连接;
与同一条所述第一连接线电连接的多个所述第一摩擦结构,以及与同一条所述第二连接线电连接的多个所述第二摩擦结构平行设置。
可选地,所述第一摩擦结构包括第一电极;所述第二摩擦结构包括第二电极和介电层,所述介电层位于所述第二电极背离所述第二柔性基板的一侧,所述介电层与所述第一电极在所述支撑结构带动所述第一柔性基板和所述第二柔性基板发生变形时发生接触和分离;
或,所述第一摩擦结构包括第一电极和介电层,所述介电层位于所述第一电极背离所述第一柔性基板的一侧,所述第二摩擦结构包括第二电极,所述介电层与所述第二电极在所述支撑结构带动所述第一柔性基板和所述第二柔性基板发生变形时发生接触和分离。
可选地,所述第一摩擦结构包括第一电极和第一绝缘层,所述第一绝缘层位于所述第一电极远离所述第一柔性基板的一侧;
所述第二摩擦结构包括:依次层叠设置的第二电极、第二绝缘层和第三电极,所述第二电极位于所述第二柔性基板与所述第二绝缘层之间,所述第二摩擦结构设置有多个,各所述第二电极之间电连接,各所述第三电极之间电连接;所述第二电极和所述第三电极均用于接收从所述摩擦纳米发电机外部注入的不同极性的电荷;
所述第一绝缘层与所述第三电极在所述支撑结构带动所述第一柔性基板和所述第二柔性基板发生变形时发生接触和分离。
可选地,所述第二电极中注入正极性电荷,所述第三电极中注入负极性电荷,所述第一绝缘层为由强正电荷亲和能力的材料构成;
或,所述第二电极中注入负极性电荷,所述第三电极中注入正极性电荷,所述第一绝缘层为由强负电荷亲和能力的材料构成。
可选地,所述第二电极与所述第三电极注入电荷后形成的压差不大于所述第二绝缘层的击穿电压。
可选地,所述支撑结构在第一平面上的正投影外轮廓形状为四边形、圆形或椭圆形;
其中所述第一平面与所述第一柔性基板的表面垂直。
可选地,所述摩擦纳米发电机用于收集海洋能;
所述摩擦纳米发电机还包括封装结构,所述封装结构为球形或方形。
第二方面,本发明实施例提供了一种发电系统,包括至少一个如本发明实施例提供的上述摩擦纳米发电机,各所述摩擦纳米发电机之间彼此电连接。
可选地,第一摩擦结构包括第一电极和第一绝缘层,所述第一绝缘层位于所述第一电极远离第一柔性基板的一侧;第二摩擦结构包括:依次层叠设置的第二电极、第二绝缘层和第三电极,所述第二电极位于第二柔性基板与所述第二绝缘层之间,所述第二摩擦结构设置有多个,各所述第二电极之间电连接,各所述第三电极之间电连接;
所述发电系统还包括电荷补偿结构,所述电荷补偿结构分别与各所述摩擦纳米发电机中的所述第二电极和所述第三电极电连接,用于向各所述摩擦纳米发电机中的所述第二电极和所述第三电极注入不同极性的电荷。
可选地,所述电荷补偿结构为具有高输出电压的摩擦纳米发电机。
第三方面,本发明实施例提供了一种发电方法,包括:
提供摩擦纳米发电机,所述摩擦纳米发电机如本发明实施例提供的上述摩擦纳米发电机;
施加外力使所述摩擦纳米发电机中的重物发生振动,使得支撑结构带动第一柔性基板和第二柔性基板发生变形,以使第一摩擦结构和第二摩擦结构发生接触和分离;
输出脉冲式的电信号。
可选地,施加的外力为海洋波浪或机械振动。
本发明有益效果如下:
本发明实施例提供的一种摩擦纳米发电机、发电方法及发电系统,利用弹性的螺旋结构,形成涡旋形的支撑结构,使得外界波浪的激励能够引起支撑结构内部的重物发生翻滚运动,使得第一摩擦结构和第二摩擦结构发生接触和分离,从而输出电信号。
如此,使得该种摩擦纳米发电机可以收集任意方向上的摇摆运动所产生的能量,从而具有高震荡频率和易激发等优点,使得摩擦纳米发电机具有较高的能量转化效率。
并且,本发明实施例中的摩擦纳米发电机虽然结构紧凑,但因支撑结构为螺旋结构,且第一柔性基板沿着支撑结构的中心轴线环绕且贴合于各骨架靠近支撑结构中心的一侧,第二柔性基板沿着支撑结构的中心轴线环绕且贴合于各骨架远离支撑结构中心的一侧,使得摩擦纳米发电机具有较大的摩擦面积,从而可以提高摩擦纳米发电机的能量密度。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种摩擦纳米发电机的平面结构示意图;
图2为本发明实施例中提供的第一摩擦结构和第二摩擦结构的结构示意图;
图3为图1中所示的摩擦纳米发电机的工作原理示意图;
图4为本发明实施例中提供的另一种摩擦纳米发电机的平面结构示意图;
图5为图4中所示的摩擦纳米发电机的工作原理示意图;
图6为本发明实施例中提供的又一种摩擦纳米发电机的平面结构示意图;
图7为本发明实施例中提供的一种发电系统的结构示意图;
图8为本发明实施例中提供的另一种发电系统的结构示意图;
图9为本发明实施例中提供的发电方法的流程图。
其中,10-支撑结构,11-骨架,20-第一柔性基板,30-第二柔性基板,40-第一摩擦结构,50-第二摩擦结构,60-重物,41-第一电极,42-第一绝缘层,51-第二电极,52-介电层,53-第二绝缘层,54-第三电极,70-封装结构,100-摩擦纳米发电机,200-电荷补偿结构。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明实施例提供的一种摩擦纳米发电机、发电方法及发电系统的具体实施方式进行详细地说明。需要说明的是,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。
近年来,随着微纳技术的发展,摩擦纳米发电机应运而生,且表现出了突出的性能。摩擦纳米发电机具有结构简单、易加工、制作成本低、器件使用寿命长、电压输出高、以及容易和其他加工工艺集成等特点;可以收集环境中的机械能,并将其转换为电能,从而为电子设备供电,为自驱动设备的发展提供了一种新的方向。
因此,本发明实施例提供了一种摩擦纳米发电机,可以收集海洋波浪的低频能量,还可以具有较高的能量密度和能量转化效率,从而将海洋能有效地转化为电能,为需要电源的设备供电。
具体地,本发明实施例提供的摩擦纳米发电机,如图1所示,可以包括:支撑结构10、第一柔性基板20、第二柔性基板30、以及重物60;
支撑结构10为具有弹性的螺旋结构,重物60位于支撑结构10的中心;
支撑结构10包括多段连接的骨架11,至少部分骨架11位于不同的平面内,第一柔性基板20沿着支撑结构10的中心轴线环绕且贴合于各骨架11靠近支撑结构10中心(也即图1中重物60所在位置)的一侧,第二柔性基板30沿着支撑结构10的中心轴线环绕且贴合于各骨架11远离支撑结构10中心的一侧;图1中的曲线箭头表示沿着支撑结构10的中心轴线环绕方向;
第一柔性基板20面向支撑结构10中心的一侧设置有第一摩擦结构40,第二柔性基板30远离支撑结构10中心的一侧设置有第二摩擦结构50,第一摩擦结构40与第二摩擦结构50在第一柔性基板20表面上的正投影交叠;
在外力的作用下重物60发生振动,支撑结构10带动第一柔性基板20和第二柔性基板30发生变形,使得第一摩擦结构40和第二摩擦结构50发生接触和分离并产生电压信号。
在本发明实施例中,利用弹性的螺旋结构,形成涡旋形的支撑结构10,使得外界波浪的激励能够引起支撑结构10内部的重物60发生翻滚运动,使得第一摩擦结构40和第二摩擦结构50发生接触和分离,从而输出电信号。
如此,使得该种摩擦纳米发电机可以收集任意方向上的摇摆运动所产生的能量,从而具有高震荡频率和易激发等优点,使得摩擦纳米发电机具有较高的能量转化效率。
并且,本发明实施例中的摩擦纳米发电机虽然结构紧凑,但因支撑结构10为螺旋结构,且第一柔性基板20贴合于各骨架11靠近支撑结构10中心的一侧,第二柔性基板30贴合于各骨架11远离支撑结构10中心的一侧,使得摩擦纳米发电机具有较大的摩擦面积,从而可以提高摩擦纳米发电机的能量密度。
可选地,在本发明实施例中,支撑结构10在第一平面上的正投影外轮廓形状为四边形、圆形或椭圆形;
其中,第一平面与第一柔性基板20的表面垂直,在图1中,第一平面为与X方向和Y方向均平行的平面,第一柔性基板20的表面为与X方向垂直且与Y方向平行的平面,图1中示出的是第一柔性基板20的侧表面。
例如,参见图1所示,图中示出了支撑结构10的正投影形状,其中,正投影外轮廓形状为正方形,对于正方形的四个侧边,左侧边命名为A1、上侧边命名为A2、右侧边命名为A3、下侧边命名为A4,每个侧边上均对应设置有第一摩擦结构40和第二摩擦结构50,在位于支撑结构10的中心的重物60在海洋波浪的带动下发生振动时,因支撑结构10具有弹性,且第一柔性基板20和第二柔性基板30均具有柔性,所以支撑结构10可以带动第一性基板和第二柔性基板30发生变形,此时第一摩擦结构40和第二摩擦结构50就会发生接触和分离,从而产生电信号,也即摩擦纳米发电机将收集海洋波浪的低频能量转化为电能输出。
当然,支撑结构10在第一平面上的正投影外轮廓的形状,并不限于上述描述的四边形、圆形或椭圆形,还可以是其他形状,如五边形、六边形或是不规则形状,只要能够通过支撑结构10构建出摩擦纳米发电机,且通过该摩擦纳米发电机可以高效地将海洋波浪的低频能量转化为电能输出即可,此处对支撑结构10在第一平面上的正投影外轮廓的形状并不做具体限定。
在具体实施时,在本发明实施例中,第一摩擦结构40设置有多个,第二摩擦结构50设置有多个,各第一摩擦结构40和各第二摩擦结构50均沿着支撑结构10的中心轴线的环绕方向排布。
具体地,第一柔性基板20之上的第一摩擦结构40,以及第二柔性基板30之上的第二摩擦结构50的设置方式,可以参见图2所示,图中仅示出了部分第一柔性基板20和部分第二柔性基板30,图中的K方向表示沿着支撑结构10的中心轴线的环绕方向。
在图2中,对各第一摩擦结构40分别进行编号,即分别编号为M1-M8,那么:编号为M1的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A1的侧边,编号为M2的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A2的侧边,编号为M3的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A3的侧边,编号为M4的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A4的侧边,编号为M5的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A1的侧边,编号为M6的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A2的侧边,编号为M7的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A3的侧边,编号为M8的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A4的侧边。
同理,对各第二摩擦结构50分别进行编号,即分别编号为N1-N8,那么:编号为N1的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A1的侧边,编号为N2的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A2的侧边,编号为N3的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A3的侧边,编号为N4的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A4的侧边,编号为N5的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A1的侧边,编号为N6的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A2的侧边,编号为N7的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A3的侧边,编号为N8的第一摩擦结构可以认为位于图1中标记为A4的侧边。
如此,在重物60的振动下支撑结构10带动第一柔性基板20和第二柔性基板30发生变形时,第一摩擦结构40与第二摩擦结构50可以发生接触和分离,从而产生电信号,将海洋能转换为电能输出。
具体地,在本发明实施例中,第一柔性基板20面向支撑结构10中心的一侧还设置有多条第一连接线,每条第一连接线与部分第一摩擦结构40电连接;
第二柔性基板30远离支撑结构10中心的一侧还设置有多条第二连接线,每条第二连接线与部分第二摩擦结构50电连接;
与同一条第一连接线电连接的多个第一摩擦结构40,以及与同一条第二连接线电连接的多个第二摩擦结构50平行设置。
例如,参见图2所示,第一柔性基板20之上设置有四条第一连接线,分别标记为L11、L12、L13、L14,其中编号为M1和M5的第一摩擦结构与第一连接线L11电连接,编号为M2和M6的第一摩擦结构与第一连接线L12电连接,编号为M3和M7的第一摩擦结构与第一连接线L14电连接,编号为M4和M8的第一摩擦结构与第一连接线L13电连接。
同理,参见图2所示,第二柔性基板之上设置有四条第二连接线,分别标记为L21、L22、L23、L24,其中编号为N1和N5的第二摩擦结构与第二连接线L21电连接,编号为N2和N6的第二摩擦结构与第二连接线L22电连接,编号为N3和N7的第二摩擦结构与第二连接线L24电连接,编号为N4和N8的第二摩擦结构与第二连接线L23电连接。
如此,对于图1中的侧边A1而言,编号为M1和M5的第一摩擦结构、以及编号为N1和N5的第二摩擦结构均位于侧边A1,且编号为M1和M5的第一摩擦结构均与第一连接线L11电连接,编号为N1和N5的第二摩擦结构均与第二连接线L21电连接。因此,对于位于侧边A1上的各第一摩擦结构和各第二摩擦结构平行设置,也就是说,位于侧边A1上的各第一摩擦结构和各第二摩擦结构之间并联连接。同理,位于侧边A2上的各第一摩擦结构和各第二摩擦结构之间也并联连接,位于侧边A3上的各第一摩擦结构和各第二摩擦结构之间也并联连接,位于侧边A4上的各第一摩擦结构和各第二摩擦结构之间也并联连接。
在摩擦纳米发电机具有两个输出端时,将两个输出端分别与第一连接线和第二连接线对应连接起来,若将每个对应的第一摩擦结构40和第二摩擦结构50看作是一个发电组件时,该摩擦纳米发电机具有多个发电组件,各发电组件之间并联连接,从而使得该种摩擦纳米发电机具有较高输出电流,提高了能量转化效率和能量密度。
可选地,在本发明实施例中,第一摩擦结构40和第二摩擦结构50的具体结构设置可以有以下几种方式:
方式1:
第一摩擦结构40包括第一电极41;第二摩擦结构50包括第二电极51和介电层52,介电层52位于第二电极51背离第二柔性基板30的一侧,介电层52与第一电极41在支撑结构10带动第一柔性基板20和第二柔性基板30发生变形时发生接触和分离。
例如,如图1所示,第一摩擦结构40包括第一电极41,第二摩擦结构50包括第二电极51和介电层52,所以在重物60振动过程中,支撑结构10带动第一柔性基板20和第二柔性基板30发生变形时,是第一电极41与介电层52之间发生接触和分离,从而产生电信。
具体地,参见图3所示的与图1对应的第一摩擦结构40和第二摩擦结构50的工作原理图,以介电层52采用强负电荷亲和能力的材料制作而成为例。
当第一电极41与介电层52处于分离状态时,如状态(a)。
当第一电极41与介电层52接触后,如状态(b),介电层52面向第一电极41的一侧表面带负电,使得第一电极41面向介电层52的一侧表面带正电。
在第一电极41与介电层52分离后,如状态(c),第一电极41中的正电荷会通过外部电路(至少包括第一连接线和第二连接线)传输至第二电极51中。
当第一电极41与介电层52再次接触后,如状态(d),第二电极51中的正电荷再次通过外部电路(至少包括第一连接线和第二连接线)回到至第一电极41中,从而通过第一电极41与介电层52的接触和分离产生电信号。
方式2:
第一摩擦结构包括第一电极和介电层,介电层位于第一电极背离第一柔性基板的一侧,第二摩擦结构包括第二电极,介电层与第二电极在支撑结构带动第一柔性基板和第二柔性基板发生变形时发生接触和分离。
此时,与方式1相比,该方式2中为介电层与第二电极之间发生接触和分离,且工作过程与上述方式1中相似,具体可参见上述1中的描述,重复之处不再赘述。
方式3:
参见图4所示,第一摩擦结构40包括第一电极41和第一绝缘层42,第一绝缘层42位于第一电极41远离第一柔性基板20的一侧;
第二摩擦结构50包括:依次层叠设置的第二电极51、第二绝缘层53和第三电极54,第二电极51位于第二柔性基板30与第二绝缘层53之间,第二摩擦结构50设置有多个,各第二电极51之间电连接,各第三电极54之间电连接;第二电极51和第三电极54均用于接收从摩擦纳米发电机外部注入的不同极性的电荷;
第一绝缘层42与第三电极54在支撑结构10带动第一柔性基板20和第二柔性基板30发生变形时发生接触和分离。
如此,可以避免摩擦纳米发电机在工作一段时间后出现的电荷丢失的问题出现,通过向第二电极51和第三电极54注入不同极性的电荷,能够补充丢失的电荷,使其维持较高的电荷密度,从而提高摩擦纳米发电机的发电性能。
并且,通过将各第二电极51电连接,将各第三电极54电连接,使得将各第二电极51和各第三电极54分别串联起来,以便于同时为各第二电极51和各第三电极54注入电荷,从而便于操作。
说明一点,在本发明实施例中,第一摩擦结构40与第二摩擦结构50的结构设置还可以互换,并不限于图4所示。例如,第一摩擦结构40可以包括第二电极51、第二绝缘层53和第三电极54,第二摩擦结构50包括第一电极41和第一绝缘层42,未给出图示,此时,第一摩擦结构40中的第二电极51和第三电极54可以接收从外部注入的不同极性的电荷,以实现对电荷的补偿。在具体实施时,可以根据实际需要对第一摩擦结构40与第二摩擦结构50的结构进行设置,在此并不限定。
具体地,在本发明实施例中,第二电极51中注入正极性电荷,第三电极54中注入负极性电荷,第一绝缘层42为由强正电荷亲和能力的材料构成;
或,第二电极51中注入负极性电荷,第三电极54中注入正极性电荷,第一绝缘层42为由强负电荷亲和能力的材料构成。
如此,可以保证摩擦纳米发电机可以正常地工作以输出电信号,并且还可以保证该摩擦纳米发电机可以维持较高的电荷密度,避免长时间工作后丢失电荷的问题出现。
具体地,在本发明实施例中,第二电极51与第三电极54注入电荷后形成的压差不大于第二绝缘层53的击穿电压。如此,不仅可以保证电荷容易注入,还可以避免第二绝缘层53被击穿而造成摩擦纳米发电机造成损坏,同时也可而已保证摩擦纳米发电机可以正常工作。
具体地,在本发明实施例中,第一绝缘层42、第二绝缘层53、第一柔性基板20、以及第二柔性基板30均为用于制作柔性印刷电路板的基板,如聚酰亚胺等;并且,前面提及的介电层同样可以为用于制作柔性印刷电路板的基板,如聚酰亚胺等。
第一电极41、第二电极51和第三电极54采用金属铜或金属铝制作而成。
当然,第一电极41、第二电极51和第三电极54还可以采用除了金属铜或金属铝之外的其他金属制作而成,并且第一绝缘层42、第二绝缘层53、第一柔性基板20、介电层、以及第二柔性基板30还可以采用其他柔性且绝缘的物质制作而成,即可以根据实际需要进行设置,在此并不限定。
下面结合图5的原理图对图4中的摩擦纳米发电机的工作原理进行说明。
其中,参见图5所示,仅以一个第一摩擦结构40和一个第二摩擦结构50的工作原理,且第一绝缘层42由强负电荷亲和能力的材料构成为例进行说明。
状态(a):第一绝缘层42与第三电极54处于分离状态下,第三电极54接收到了从外部(如网格填充区域所示的电荷补偿单元)注入的大量正电荷,第二电极51接收到了从外部(如网格填充区域所示的电荷补偿单元)注入的大量负电荷。
状态(b):第一绝缘层42与第三电极54接触,此时为了达到静电平衡,使得第二电极51中的部分负电荷会通过外电路流向第一电极41。
状态(c):第一绝缘层42与第三电极54再次处于分离状态,负电荷从第一电极41回到第二电极51中,从而产生了电流。
同理,状态(a)还可以为第一绝缘层42与第三电极54处于接触状态,此时,第三电极54同样可以接收到从外部(如网格填充区域所示的电荷补偿单元)注入的大量正电荷,第二电极51接收到从外部(如网格填充区域所示的电荷补偿单元)注入的大量负电荷。
状态(b):第一绝缘层42与第三电极54分离,此时为了达到静电平衡,使得第二电极51中的部分负电荷会通过外电路流向第一电极41。
状态(c):第一绝缘层42与第三电极54再次处于接触状态,负电荷从第一电极41回到第二电极51中,从而产生了电流。
因此,不管第一绝缘层42与第三电极54在初始阶段处于接触状态还是处于分离状态,均可以通过外部的电荷补偿单元向第二电极51和第三电极54注入电荷,以维持摩擦纳米发电机中较高的电荷密度,同时还可以保证摩擦纳米发电机可以正常工作。
在具体实施时,在本发明实施例中,在摩擦纳米发电机可以用于收集海洋能时,摩擦纳米发电机还可以包括封装结构70,封装结构70为球形(如图6所示)或方形(未给出图示)。
当然,封装结构70的形状并不限于球形和方形,还可以是其他有助于提高摩擦纳米发电机的性能的形状,在此并不限定。
如此,在将摩擦纳米发电机放置在海洋中时,通过封装结构70可以避免海洋对内部的第一摩擦结构40和第二摩擦结构50进行侵蚀,从而提高摩擦纳米发电机的可靠性。
并且,将封装结构70设置为球形或方形,使得摩擦纳米发电机可以受到来自任意方向的冲击,在此冲击下使得内部的重物60可以发生任意方向的振动,进而带动支撑结构10、第一柔性基板20和第二柔性基板30发生变形,使得第一摩擦结构40和第二摩擦结构50发生接触和分离以产生电信号,实现海洋能的收集。
在具体实施时,在本发明实施例中,重物60的质量可以设置为45克-124克,支撑结构10的螺距可以设置为2毫米至6毫米,当然并不限于此,此处只是举例说明,可以根据实际需要进行设置。
并且,参见图1所示,若第一摩擦结构40与第二摩擦结构50在沿着垂直于第一柔性基板20表面方向上的距离用h0表示时,因第一柔性基板20、第二柔性基板30、第一摩擦结构40和第二摩擦结构50的厚度均较薄,所以可以认为h0即为螺距。
如此,可以保证本发明实施例提供的摩擦纳米发电机有效地收集海洋能,并且能够将海洋能转换为电能以便于为其他需要电源的设备提供电能。
基于同一发明构思,本发明实施例提供了一种发电系统,如图7所示,可以包括至少一个如本发明实施例提供的上述摩擦纳米发电机100,各摩擦纳米发电机100之间彼此电连接。
因此,在本发明实施例中,通过各摩擦纳米发电机100之间的彼此电连接,形成了网络状的发电系统,从而能够大规模地收集海洋能。
说明一点,发电系统中各摩擦纳米发电机100的排列方式,以及摩擦纳米发电机100的设置数量均并不限于图7所示,还可以是其他能够实现发电系统输出高电能的排列方式,设置数量可以根据实际需要进行设置,在此并不限定。
可选地,在第一摩擦结构包括第一电极和第一绝缘层,第一绝缘层位于第一电极远离第一柔性基板的一侧;第二摩擦结构包括:依次层叠设置的第二电极、第二绝缘层和第三电极,第二电极位于第二柔性基板与第二绝缘层之间,第二摩擦结构设置有多个,各第二电极之间电连接,各第三电极之间电连接时,在本发明实施例中,如图8所示,发电系统还包括电荷补偿结构200,电荷补偿结构200分别与各摩擦纳米发电机100中的第二电极和第三电极电连接,用于向各摩擦纳米发电机100中的第二电极和第三电极注入不同极性的电荷。
如此,通过电荷补偿结构200可以为各摩擦纳米发电机100中的第二电极和第三电极注入电荷,以使摩擦纳米发电机100成为电荷补偿发电机,提高或维持电荷补偿发电机内部电荷密度,从而提高发电系统的性能。
可选地,在本发明实施例中,电荷补偿结构200可以为具有高输出电压的摩擦纳米发电机100。也就是说,作为电荷结构的具有高输出电压的摩擦纳米发电机100,可以通过摩擦起电,静电感应,为自身建立起电压,该电压可以驱动电荷的流动,从而实现为发电系统中的摩擦纳米发电机100补偿电荷。
可选地,在本发明实施例中,发电系统还可以包括整流器(未给出图示);
整流器与各摩擦纳米发电机的输出端电连接,用于:将摩擦纳米发电机输出的交流信号进行整流处理后输出稳定的直流信号。
并且,在作为电荷结构的具有高输出电压的摩擦纳米发电机输出的是交变电流时,同样可以通过串联或者倍压整流电路使其输出直流电,以提高自身的输出电压,从而可以更容易地为摩擦纳米发电机注入更多的电荷。
可选地,在本发明实施例中,所有摩擦纳米发电机可以通过外部电路连接成一个成发电网络,其中电路可以为导线还可以具有连接绳索的功能,在此并不限定。
如此,可以实现摩擦纳米发电机之间的彼此电连接,从而实现发电系统的电能的有效输出。
可选地,在本发明实施例中,在发电系统中可以加入传感器(如温度传感器、溶解固体总量传感器等),发电系统可以直接为其自身内部的传感器供电,实现对环境的自供能监测。若加入加速度计、陀螺仪等传感器,可以实现对系统自身状态的监测,避免在恶劣天气下缺少必要的预防措施造成系统的损坏。
基于同一发明构思,本发明实施例提供了一种发电方法,如图9所示,可以包括:
S901、提供摩擦纳米发电机;
其中,该摩擦纳米发电机如本发明实施例提供的上述摩擦纳米发电机;
S902、施加外力使摩擦纳米发电机中的重物发生振动,使得支撑结构带动第一柔性基板和第二柔性基板发生变形,以使第一摩擦结构和第二摩擦结构发生接触和分离;
S903、输出脉冲式的电信号。
其中,输出的电信号可以是电压信号,还可以是电流信号。
可选地,在本发明实施例中,施加的外力可以为海洋波浪或机械振动。当然,并不限于海洋波浪或机械振动,还可以是其他低频能量,从而将低频能量转换成电能,为需要电源的设备供电。
显然,本领域的技术人员可以对本发明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 (14)

1.一种摩擦纳米发电机,其特征在于,包括:支撑结构、第一柔性基板、第二柔性基板、以及重物;
所述支撑结构为具有弹性的螺旋结构,所述重物位于所述支撑结构的中心;
所述支撑结构包括多段连接的骨架,至少部分所述骨架位于不同的平面内,所述第一柔性基板沿着所述支撑结构的中心轴线环绕且贴合于各所述骨架靠近所述支撑结构中心的一侧,所述第二柔性基板沿着所述支撑结构的中心轴线环绕且贴合于各所述骨架远离所述支撑结构中心的一侧;
所述第一柔性基板面向所述支撑结构中心的一侧设置有第一摩擦结构,所述第二柔性基板远离所述支撑结构中心的一侧设置有第二摩擦结构,所述第一摩擦结构与所述第二摩擦结构在所述第一柔性基板表面上的正投影交叠;
在外力的作用下所述重物发生振动,所述支撑结构带动所述第一柔性基板和所述第二柔性基板发生变形,使得所述第一摩擦结构和所述第二摩擦结构发生接触和分离并产生电压信号。
2.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述第一摩擦结构设置有多个,所述第二摩擦结构设置有多个,各所述第一摩擦结构和各所述第二摩擦结构均沿着所述支撑结构的中心轴线的环绕方向排布。
3.如权利要求2所述的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述第一柔性基板面向所述支撑结构中心的一侧还设置有多条第一连接线,每条所述第一连接线与部分所述第一摩擦结构电连接;所述第二柔性基板远离所述支撑结构中心的一侧还设置有多条第二连接线,每条所述第二连接线与部分所述第二摩擦结构电连接;
与同一条所述第一连接线电连接的多个所述第一摩擦结构,以及与同一条所述第二连接线电连接的多个所述第二摩擦结构平行设置。
4.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述第一摩擦结构包括第一电极;所述第二摩擦结构包括第二电极和介电层,所述介电层位于所述第二电极背离所述第二柔性基板的一侧,所述介电层与所述第一电极在所述支撑结构带动所述第一柔性基板和所述第二柔性基板发生变形时发生接触和分离;
或,所述第一摩擦结构包括第一电极和介电层,所述介电层位于所述第一电极背离所述第一柔性基板的一侧,所述第二摩擦结构包括第二电极,所述介电层与所述第二电极在所述支撑结构带动所述第一柔性基板和所述第二柔性基板发生变形时发生接触和分离。
5.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述第一摩擦结构包括第一电极和第一绝缘层,所述第一绝缘层位于所述第一电极远离所述第一柔性基板的一侧;
所述第二摩擦结构包括:依次层叠设置的第二电极、第二绝缘层和第三电极,所述第二电极位于所述第二柔性基板与所述第二绝缘层之间,所述第二摩擦结构设置有多个,各所述第二电极之间电连接,各所述第三电极之间电连接;所述第二电极和所述第三电极均用于接收从所述摩擦纳米发电机外部注入的不同极性的电荷;
所述第一绝缘层与所述第三电极在所述支撑结构带动所述第一柔性基板和所述第二柔性基板发生变形时发生接触和分离。
6.如权利要求5所述的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述第二电极中注入正极性电荷,所述第三电极中注入负极性电荷,所述第一绝缘层为由强正电荷亲和能力的材料构成;
或,所述第二电极中注入负极性电荷,所述第三电极中注入正极性电荷,所述第一绝缘层为由强负电荷亲和能力的材料构成。
7.如权利要求5所述的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述第二电极与所述第三电极注入电荷后形成的压差不大于所述第二绝缘层的击穿电压。
8.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述支撑结构在第一平面上的正投影外轮廓形状为四边形、圆形或椭圆形;
其中所述第一平面与所述第一柔性基板的表面垂直。
9.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机,其特征在于,所述摩擦纳米发电机用于收集海洋能;
所述摩擦纳米发电机还包括封装结构,所述封装结构为球形或方形。
10.一种发电系统,其特征在于,包括至少一个如权利要求1-9任一项所述的摩擦纳米发电机,各所述摩擦纳米发电机之间彼此电连接。
11.如权利要求10所述的发电系统,其特征在于,第一摩擦结构包括第一电极和第一绝缘层,所述第一绝缘层位于所述第一电极远离第一柔性基板的一侧;第二摩擦结构包括:依次层叠设置的第二电极、第二绝缘层和第三电极,所述第二电极位于第二柔性基板与所述第二绝缘层之间,所述第二摩擦结构设置有多个,各所述第二电极之间电连接,各所述第三电极之间电连接;
所述发电系统还包括电荷补偿结构,所述电荷补偿结构分别与各所述摩擦纳米发电机中的所述第二电极和所述第三电极电连接,用于向各所述摩擦纳米发电机中的所述第二电极和所述第三电极注入不同极性的电荷。
12.如权利要求11所述的发电系统,其特征在于,所述电荷补偿结构为具有高输出电压的摩擦纳米发电机。
13.一种发电方法,其特征在于,包括:
提供摩擦纳米发电机,所述摩擦纳米发电机如权利要求1-9任一项所述;
施加外力使所述摩擦纳米发电机中的重物发生振动,使得支撑结构带动第一柔性基板和第二柔性基板发生变形,以使第一摩擦结构和第二摩擦结构发生接触和分离;
输出脉冲式的电信号。
14.如权利要求13所述的发电方法,其特征在于,施加的外力为海洋波浪或机械振动。
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