CN111585466A - 一种基于空间电荷积累的摩擦发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，包括转子和定子，转子包括上电极，定子包括下电极、下绝缘介电膜、下基板和空间电荷积累区域，所述空间电荷积累区域由无下电极区域的下绝缘介电膜和下基板组成。本发明中空间电荷积累区域的设计，使得定子分布有大面积的无电极区域，大大减少制作成本并能大幅提高面电荷密度；上、下绝缘介电膜的设计，避免了金属与非金属材料之间的摩擦，使得发电机的寿命更长；本发明可以在正常温湿度的大气环境下有效的收集低频能量，产生高电荷密度，在驱动较大功率设备，自供电设备等方面具有一定潜力。

Description

一种基于空间电荷积累的摩擦发电机

技术领域

本发明涉及电气技术领域，特别涉及一种基于空间电荷积累的摩擦发电机。

背景技术

基于摩擦起电和静电感应耦合效应的摩擦发电机(TENG)相比传统发电机，具有质量轻、成本低廉、易于制造、形态多样和生态友好等优点，其输出一般表现为高电压、小电流。摩擦发电机被广泛用于收集环境中的机械能，如震动、声波、水波和风能等。目前TENG展现出了其在物联网中为众多小型设备、便携式设备、自供电设备和传感器供能的潜力。

目前TENG在实际应用和商业化道路上存在的主要问题是低频驱动下输出功率不够。TENG的输出功率与其电荷密度的平方成正比关系。对于传统的TENG，目前有大量的研究关注于如何提高TENG的电荷密度，例如通过材料筛选、电荷注入、材料表面修饰、环境控制以及激励补充等方式改善TENG的工作条件，期望提高电荷密度和输出功率。然而受制于工作模式和环境，很难在正常的温湿度环境中(例如温度25℃，湿度70％)实现低频大电荷密度。因此有必要发明一种新型结构的摩擦发电机在实际环境中获得大电荷密度，以实现广泛而高效的能量采集和应用。

发明内容

针对现有技术中摩擦发电机无法在正常的温湿度环境中实现低频大电荷密度的问题，本发明提出一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，包括转子和定子，转子包括上电极，所述定子包括下电极、下绝缘介电膜、下基板和空间电荷积累区域，所述空间电荷积累区域为无下电极的下绝缘介电膜和下基板之间的空间。

优选的,所述转子还包括上基板、接触层和上绝缘介电膜；所述接触层位于上基板和上电极之间，所述上绝缘介电膜覆盖在上电极的表面。

优选的,所述下基板上排列有下电极和空间电荷积累区域，所述下绝缘介电膜覆盖在下电极和空间电荷积累区域的表面。

优选的,所述空间电荷积累区域的长度大于上电极的长度，以保证运动过程中上电极能够与下电极不接触。

优选的,所述上电极接地或连接充能元器件，起到电荷屏蔽的作用。

优选的,所述定子中的空间电荷积累区域和下电极有如下的排列方式：

a,下电极-空间电荷积累区域-下电极-空间电荷积累区域；

b,空间电荷积累区域-下电极-间隔-下电极；

c，空间电荷积累区域-下电极。

优选的,所述上电极和下电极的材料是金属材料或非金属导电材料。

优选的,所述上电极和下电极的边缘倒圆角，避免对上绝缘介电膜和下绝缘介电膜的电击穿。

优选的,所述上绝缘介电膜和所述下绝缘介电膜为不同电负性的绝缘介电膜。

优选的,所述接触层是泡棉、硅胶垫、气垫的任意一种或组合。

综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供的摩擦发电机设计简单、灵活、成本低、适用场景广，发电机主体不需要额外的复杂电源管理辅助就可以产生高电荷密度。上电极电荷屏蔽的设计，使得转子在实现其功能的同时还可以作为一个输出源，结合定子输出形成主体发电机双输出；空间电荷积累区域的设计，使得定子部分分布大面积的无电极区域，大大减少制作成本并能大幅提高面电荷密度；上、下绝缘介电膜的设计，避免了金属与非金属材料之间的摩擦，使得发电机的寿命更长；转子和定子的设计灵活可变，可以变形为转动式，用于直接收集转动能量，且电极数量和尺寸均可调整以实现不同的需求。空间电荷积累摩擦发电机，在正常温湿度的大气环境下能够有效的收集低频能量，产生高电荷密度，在驱动较大功率设备，自供电设备等方面具有一定潜力。

附图说明：

图1为现有技术中摩擦发电机结构示意图。

图2为根据本发明示例性实施例1的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机结构示意图。

图3为根据本发明示例性实施例1的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机的定子俯视示意图。

图4中a～l图为根据本发明示例性实施例1的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机中空间电荷积累原理示意图。

图5a～图5g为根据本发明示例性实施例1的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机中的输出数据图。

图6为根据本发明示例性实施例2的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，传统的滑动摩擦发电机一般是由转子和定子组成的，转子和定子互相配合产生交流电输出，为负载提供电能。定子中的下电极6是呈现均匀排列的，即下电极6之间的间隙是相同的，转子和定子之间的摩擦层面电荷密度总会饱和，从而无法实现高面电荷密度输出。

实施例1

如图2所示，本发明提供一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，包括转子和定子，转子和定子互相配合产生交流电输出，为负载提供电能。转子包括上基板1、接触层2、上电极3和上绝缘介电膜4，上绝缘介电膜4覆盖在上电极 3的表面；定子包括下绝缘介电膜5、下电极6、下基板7以及空间电荷积累区域8，下绝缘介电膜5覆盖在下电极6的表面，空间电荷积累区域8位于下电极 6的两侧，所述空间电荷积累区域8为无下电极6的下绝缘介电膜和下基板之间的空间，可以起到积累电荷的作用。所述上绝缘介电膜4和下绝缘介电膜5具有不同的电负性，例如上绝缘介电膜4为聚四氟乙烯薄膜，下绝缘介电膜5为尼龙薄膜，从而可以摩擦起电。所述空间电荷积累区域8的绝缘介电膜与转子上的绝缘介电膜具有不同的电负性，以容易逸散电荷的如尼龙(PA)等弱驻极体摩擦材料为佳。

本实施例中，转子是相对于定子滑动，定子可以固定也可以运动。

本实施例中，转子中的上基板1、接触层2、上绝缘介电膜4的长度相同，上电极3的长度要小于上绝缘介电膜4的长度以防止上电极3边缘空气击穿，上电极3位于接触层2和上绝缘介电膜4之间；定子中的下绝缘介电膜5、下电极6、下基板7的长度相同，下电极6的长度要小于下绝缘介电膜5的长度以防止下电极6边缘空气击穿，下电极6位于下绝缘介电膜5和下基板7之间。

所述定子上的下电极6可以是带有间隙的双电极也可以是单电极。双电极模式中两个下电极之间产生交流电驱动负载；单电极模式中下电极与接地端之间产生交流电驱动负载。

所述接触层2可以是泡棉、硅胶垫、气垫等其他具有可回弹性质的材料，可以根据需要安装在定子上或者动子上。上绝缘介电膜4和下绝缘介电膜5的双绝缘介电膜的设计，避免了金属与非金属材料之间的摩擦，使得发电机的寿命更长，可以是介电常数较高的高分子聚合物膜，其厚度在0.03mm-0.1mm之间时对输出影响不大，绝缘介电膜越厚，对发电机的保护作用越强。上基板1和下基板7为硬质绝缘材料或带有绝缘涂层的金属基底。

例如本发明提供的摩擦发电机的上基板1为长、宽、厚分别为47mm、28mm、 3mm的亚克力板；接触层2的长宽与上基板1的长度相同，厚度为1.2mm；上电极3、下电极6均为铝电极，其面积为5cm²,长34.4mm、宽15mm,倒4mm半径圆角；上绝缘介电膜4采用30微米厚度的聚四氟乙烯薄膜，长宽与接触层2的长度相同；下基板7为长、宽、厚分别为77.5mm、54mm、3mm的亚克力板。下绝缘介电膜5采用30微米厚度的尼龙薄膜，长宽与下基板7的长度相同。

硬质上基板1、接触层2、上电极3和上绝缘介电膜4居中对齐，通过金手指双面胶带依次粘附在一起。下电极6通过金手指胶带粘附在下基板7中间位置；下绝缘介电膜5通过金手指胶带粘贴覆盖在下电极6以及空间电荷积累区域8之上。

本发明的摩擦发电机在滑动或转动驱动方式下快速的将机械能转化成电能并产生远高于传统TENG的高面电荷密度，且其结构简单灵活。

如图3所示，为本发明提供的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机的定子的俯视图，下基板7上铺设有下电极6，下电极6之间存在间隙，下电极6的左右两侧为空间电荷积累区域8。

空间电荷积累区域8，使得定子分布有大面积的无电极区域，大大减少制作成本并能大幅提高电荷密度

本实施例中，上电极3和下电极6可以是金属材料电极，也可以是石墨、导电硅胶、ITO等非金属导电材料。

本实施例中，为更好地起到电荷积累的效果，可以将上电极3的一端进行接地或在上电极3的一端串联电容等充能的电子器件，起到对上电极3的电荷进行屏蔽的作用。同时可使得转子构成单电极摩擦发电机，产生交流电驱动负载，结合定子可得到摩擦发电机的双输出。

本实施例中，空间电荷积累区域8的长度大于上电极3的长度，以保证上电极3能够完全离开下电极6，从而使得上电极3中的电荷能够被屏蔽。

本实施例中，空间电荷积累区域8的绝缘介电膜可以与下电极6上覆盖的绝缘介电膜相同或不同，已达到不同电荷积累效果。

本实施例中，上电极3和下电极6的边缘可以倒圆角，来更有效的避免电极之间的电击穿和对上绝缘介电膜4和下绝缘介电膜5的电击穿。

本实施例中，上电极3、下电极6和空空间电荷积累区域8的长度可以根据需求进行改变，以达到相同频率下更大的电流输出。

本实施例中，以双电极滑动摩擦发电机为例来说明本发明的工作原理：

对于传统的滑动摩擦发电机，其上电极未屏蔽，下电极周围无空间电荷积累区域，摩擦层面电荷密度总会饱和，从而无法在正常的温湿度环境中实现大电荷密度，输出的功率较低。

对于滑动摩擦发电机发电机，其表面积固定，因此有饱和面电荷量，假设这个饱和面电荷量为Q。因此当上电极位于左下电极上方时，传统发电机的电荷分布为上电极为-Q，左下电极为+1/2Q，右下电极为-1/2Q；然后，将上电极和左下电极接地，则上电极电荷量Q_0g、左下电极电荷量Q_3g和右下电极电荷量 Q_2g有

其中d₁，ε_r1分别为上绝缘介电膜的厚度和相对介电常数，d₂，ε_r2分别为下绝缘介电膜的厚度和相对介电常数；为更好地阐明原理，假设d₁/ε_r1＝d₂/ε_r2。将上电极接地后将达到新的静电平衡，由上述公式可知，上绝缘介电膜4表面有效电荷量为-4/3Q，下绝缘介电膜5表面有效电荷量为+2/3Q。当转子从定子的左侧移动到右侧时，有-Q的电荷在电极之间转移。

对于本发明提供的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机来说，当转子开始接近定子的左侧空间电荷积累区域时，上绝缘介电膜4的电荷-Q被接地的上电极屏蔽，如图4中a图所示；当转子滑动时，上绝缘介电膜4的有效表面电荷仍然可以达到Q，设新面电荷量为Q_T，有Q＝Q_T-1/4Q_T，因此上绝缘介电膜4上有-7/3Q负电荷，下绝缘介电膜5上由于摩擦起电而有+Q正电荷，如图4中b 图所示；当转子从定子的左侧空间电荷积累区域移动到下电极6的左侧电极时，由于静电平衡，在上电极3和下电极6的左侧电极上都有+5/6Q电荷，如图4 中c图所示；当转子移动到下电极6的右侧电极时，传输的电荷增加到-3/2Q，如图4中d图所示；如图4中e、f图所示，由于没有电极的束缚，定子的左侧空间电荷积累区域上的电荷会耗散到空气中，当转子继续向右移动到定子的右侧空间电荷积累区域时，根据同样的原理，下绝缘介电膜5上的电荷将再次增加+Q，上绝缘介电膜4上的电荷将再次增加-Q；由于电荷的感应和耗散之间的平衡，在空间电荷积累区域8上电荷很少，上绝缘介电膜4的表面电荷经过几个周期后达到最大值。

当转子在下电极6的右侧电极上移动时，-2Q电荷从地面转移到上电极3，如图4中g图所示；当转子在下电极6的左侧电极上移动时，-2Q电荷从下电极6 的左侧电极转移到接地，如图4中h图所示；当转子移动到定子的左侧空间电荷积累区域时，上绝缘介电膜4上有-10/3Q电荷，上电极3上有+10/3Q电荷，下电极6上有-2/3Q电荷，下绝缘介电膜5上有+2/3Q电荷，如图4中i图所示；当转子在下电极6的左侧电极上移动时，-2Q电荷从地面转移到上电极3，如图 4中j图所示；当转子在下电极6的左侧电极上移动时，-2Q电荷从下电极6的左侧电极上移动时转移到下电极6的右侧电极上，如图4中k图所示；当转子移动到定子的右侧空间电荷积累区域时，-2Q电荷从上电极3转移到地面，而相等的-2Q电荷转移到下电极6的左侧电极上，如图4中l图所示，上绝缘介电膜 4的电荷达到-10/3Q，从而实现了高面电荷密度输出，提高了输出效率。

为了测试本发明提供的摩擦发电机的输出电性能，用直线电机在匀速直线运动模式下驱动发电机，同时使用吉时利静电计(Keithley 6514)和高速静电计(Trek model370)测量发电机输出性能。

图5a是无空间电荷积累区的TENG在固定滑动距离时输出电荷量随间隙变化关系图，在上电极屏蔽模式下，输出电荷量随间隙增大从200nC增加到700nC；在未屏蔽模式下，输出电荷增长到400nC后不再增长。图5b是有空间电荷积累区的TENG在固定滑动距离时输出电荷量随间隙变化关系图，在上电极屏蔽模式下，输出电荷量保持在约800nC，不随间隙变化而变化；在未屏蔽模式下，输出电荷量随间隙增大从300nC增长到400nC后不再增长。图5c是空间电荷积累发电机在固定电极间隙时输出电荷量随滑动距离变化的关系图，当选定间隙为 1.5mm时，其输出电荷量和电流随滑动距离的增加而线性增加。图5d是空间电荷积累发电机在固定滑动距离和电极间隙时输出电荷量随滑动速度变化的关系图，当既固定滑动距离又固定间隙时，发电机输出电荷量不随滑动速度变化而改变，但输出电流随滑动速度增加而增加。图5e是发电机表面电荷密度曲线, 展示了发电机输出电荷面密度达到了1.63mC/m²。图5f是在不同负载下滑动式发电机的功率密度、电流密度和电压曲线图,表明在负载为250MΩ时发电机有最大输出功率1.4W/m²/Hz。图5g是发电机双电荷输出曲线图,展示了发电机的双输出特性，上电极和下电极均能达到800nC的输出。

图5a～图5g均表明空间电荷积累区域和上电极屏蔽对空间电荷积累效应的重要性，且空间积累区域可以位于下电极两侧，也可以位于下电极之间。

所述空间电荷积累区域和下电极有如下的排列方式，实际器件可以按照如下基本单元的倍数设计：

a,下电极-空间电荷积累区域-下电极-空间电荷积累区域；

b,空间电荷积累区域-下电极-间隔-下电极；

c，空间电荷积累区域-下电极；

定子上的下电极和空间电荷积累区的总单元数及面积比例可以根据所需要的电荷、电压、电流要求进行调整。

实施例2

定子和转子可以绕圆周放射性排列形成转动摩擦发电机，如图6所示。转子包括上基板1和上电极3；定子包括下电极6、下基板7和空间电荷积累区域8。

上基板1和下基板7均为直径为10cm、厚度为3mm的圆形亚克力板；上电极3和下电极6为铝电极，排列角度为6.5度，面积为11mm²；下电极6之间间隙角度为4度；空间电荷积累区域8角度为13度。接触层(1.2mm厚20Psi 聚氨酯泡棉)直径与上基板1的直径相同；定子和转子的绝缘介电膜材料与实施例1相同，尺寸与上基板1相同。

通过金手指双面胶带，将下电极6在下基板7上放射性排列粘附，将绝缘介电膜材料(尼龙膜)用金手指胶带粘贴在下电极6上。接触层(聚氨酯泡棉) 用金手指胶带粘贴在上基板1上，随后将上电极3粘贴在接触层上，然后再使用金手指将绝缘介电膜材料(聚四氟乙烯薄膜)粘附在上电极3表面。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，包括转子和定子，转子包括上电极，其特征在于,所述定子包括下电极、下绝缘介电膜、下基板和空间电荷积累区域，所述空间电荷积累区域为无下电极的下绝缘介电膜和下基板之间的空间。

2.如权利要求1所述的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，其特征在于,所述转子还包括上基板、接触层和上绝缘介电膜；所述接触层位于上基板和上电极之间，所述上绝缘介电膜覆盖在上电极的表面。

3.如权利要求1所述的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，其特征在于,所述下基板上排列有下电极和空间电荷积累区域，所述下绝缘介电膜覆盖在下电极和空间电荷积累区域的表面。

4.如权利要求1所述的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，其特征在于,所述空间电荷积累区域的长度大于上电极的长度，以保证运动过程中上电极能够与下电极不接触。

5.如权利要求2所述的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，其特征在于,所述上电极接地或连接充能元器件，起到电荷屏蔽的作用。

6.如权利要求1所述的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，其特征在于,所述定子中的空间电荷积累区域和下电极有如下的排列方式：

a,下电极-空间电荷积累区域-下电极-空间电荷积累区域；

b,空间电荷积累区域-下电极-间隔-下电极；

c，空间电荷积累区域-下电极。

7.如权利要求1所述的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，其特征在于,所述上电极和下电极的材料是金属材料或非金属导电材料。

8.如权利要求1所述的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，其特征在于,所述上电极和下电极的边缘倒圆角，避免对上绝缘介电膜和下绝缘介电膜的电击穿。

9.如权利要求8所述的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，其特征在于,所述上绝缘介电膜和所述下绝缘介电膜为不同电负性的绝缘介电膜。

10.如权利要求2所述的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，其特征在于,所述接触层是泡棉、硅胶垫、气垫的任意一种或组合。

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