CN111800032B - 一种三维密集摩擦纳米发电模块及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维密集摩擦纳米发电模块及系统。模块包括：外壳，所述外壳被设置为截角八面体；纳米球，所述纳米球被设置于外壳内部，其尺寸与所述外壳匹配，使得二者能够产生相对运动；摩擦电极，所述摩擦电机贴服于所述外壳的内表面，用于与所述纳米球相互摩擦产生电流。本发明摩擦纳米发模块的外壳设计为截角八面体形状，使单位空间内可放置的摩擦纳米发电单元数量达到最多，大大提高了系统的空间利用率。

Description

一种三维密集摩擦纳米发电模块及系统

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机，具体而言，尤其涉及一种三维密集摩擦纳米发电模块及系统。

背景技术

随着化石能源的快速消耗及电池技术发展的减速，基于摩擦电和静电感应原理的摩擦纳米发电机近年来发展迅猛，其具有制作工艺简单、材料便宜易得以及发电电压高及等特点，也因此成为未来收集环境能量向电能转换的重要选择。然而，目前摩擦纳米发电机的结构、性能还有极大的提升空间，因此寻找性能更加优越的摩擦纳米发电机也成为研究人员研究目标，实现这一目标的一种途径是对摩擦纳米发电机进行结构的优化。对于多个摩擦纳米发电机组成的摩擦纳米发电系统而言，提升空间利用率是提升摩擦纳米发电机的输出性能的解决方法之一。目前摩擦纳米发电机采用蜂窝结构进行了二维的密堆积以提高空间利用率。

现有摩擦纳米发电机的外壳形状有：球体、蜂窝状等。当外壳为球体时，缺点有：摩擦纳米发电机之间无法固定或接触；单位空间内的摩擦纳米发电机数量较少。当外壳为蜂窝状时，虽然摩擦纳米发电单元之间可以固定或接触，但其单位空间内的摩擦纳米发电机数量依旧较少。

发明内容

根据上述提出的现有蜂窝结构及球体结构摩擦纳米发电机没有达到最大空间利用率的技术问题，而提供一种模块化三维密集摩擦纳米发电机，其具有可拓展特性，既能提高摩擦纳米发电机的空间利用率、又能实现摩擦纳米发电机的模块化工作。

本发明采用的技术手段如下：

一种三维密集摩擦纳米发电模块，包括：

外壳，所述外壳被设置为截角八面体；

纳米球，所述纳米球被设置于外壳内部，其尺寸与所述外壳匹配，使得二者能够产生相对运动；

摩擦电极，所述摩擦电极贴服于所述外壳的内表面，用于与所述纳米球相互摩擦产生电流。

进一步的，模块还包括连接电极，所述连接电极贴服于所述外壳的外表面，用于与其他发电模块进行电路连接。

进一步的，所述壳体包括结构对称的上、下两部分，所述上下部分以第一平面分界，所述第一平面根据以下方式获取：

以外壳的一个正方形面为底，将所述壳体水平放置，

由上向下分别以不同水平面切割所述壳体，所得截面面积最大的水平面即为第一平面；

在上、下部分所包含的、与所述第一平面相交的各平面上粘贴连接电极。

进一步的，所述壳体包括结构对称的上、下两部分以及一个中间隔离部分，所述上部分与中间隔离部分以第二平面分界，所述下部分与中间隔离部分以第三平面分界；

所述第二、第三平面根据以下方式获取：

以外壳的一个正方形面为底，将所述壳体水平放置，

由上向下分别以不同水平面切割所述壳体，首次使所得截面面积达到阈值的水平面即为第二平面，

继续由上向下分别以不同水平面切割所述壳体，二次使所得截面面积达到阈值的水平面即为第三平面；

在上部分所包含的、与所述第二平面垂直的各平面上粘贴连接电极；

在下部分所包含的、与所述第三平面垂直的各平面上粘贴连接电极。

进一步的，在所述外壳上，任选一对正方形表面，在此正方形表面上设置气口，使得气流能够从一个正方形表面上的气口进入所述壳体内部，并从另与之相对的另一个正方形表面上的气口流出。

一种摩擦纳米发电系统，由上述的三维密集摩擦纳米发电模块堆叠构成，各摩擦纳米发电模块外壳通过连接电极紧密接触构成等势体；

增加负载时，负载的一端通过导线连接在任意一个摩擦纳米发电模块的任意的连接电极，负载的另一端连接大导体或接地充当电子源。

一种摩擦纳米发电系统，由上述的三维密集摩擦纳米发电模块堆叠构成，各摩擦纳米发电模块外壳通过连接电极紧密接触构成等势体，其中某一摩擦纳米发电模块的连接电极只能与同一层的、来自其他摩擦纳米发电模块的连接电极相连；

增加负载时，在每一层摩擦纳米发电模块中任选一个上半部分外壳的连接电极，将这些电极并联作为负载的一端，在每一层摩擦纳米发电模块中任选一个下半部分外壳的连接电极，将这些电极并联作为负载的另一端。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的摩擦纳米发模块外壳设计为截角八面体形状，因此在单位空间内可放置的摩擦纳米发电单元数量可达到最多，提高了系统空间利用率。

2、本发明的工作场景多样，可使用在振动能量收集和风能的收集。同时本发明的发电模式多样，可分为接触分离发电以及单电极发电。

3、本发明的摩擦纳米发电系统具有模块化设计，因此任意两个同尺寸的摩擦纳米发电模块都可通过外壳上的电极连接，具有使用灵活、拆卸方便的优点。

基于上述理由本发明可在摩擦纳米发电领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为截角八面体结构示意图。

图2为单电极模式下的摩擦纳米发电模块结构示意图。

图3为单电极模式下的摩擦纳米发电系统结构示意图。

图4为接触分离模式下的摩擦纳米发电模块结构示意图。

图5为接触分离模式下的摩擦纳米发电系统结构示意图。

图6为风能采集摩擦纳米发电模块气口位置示意图。

图中：1、外壳；2、摩擦电极；3、纳米球；4、连接电极；5、中间隔离层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

现有摩擦纳米发电模块的外壳形状有：球体、蜂窝状等，本发明将以截角八面体为基础，对其外壳形状加以改进。

如图1所示，截角八面体，是二十八种三维空间的半正密铺形状之一，也是其中唯一一种各面距离原心距离相等的形状。因此以截角八面体为基础构建摩擦纳米发电机将具有空间利用率大、可模块化的优点。

若在截角八面体的内部装有直径最大的球体，再将其进行三维空间密铺堆积，则可看为等直径小球堆积问题。而截角八面体为三维面心立方堆积的第一布里渊区形状，因此，以截角八面体为基础构建的摩擦纳米发电机将有着与三维面心立方堆积相同的空间性质。

三维面心立方堆积为单位空间的最密堆积，即其空间利用率最高，高达74％，故以等直径小球构建的摩擦纳米发电机，以截角八面体为外壳形状时，在单位空间内的摩擦纳米发电机数量最多。

基于上述研发背景，本发明公开了一种三维密集摩擦纳米发电模块，包括：外壳、纳米球和摩擦电极。其中外壳被设置为截角八面体。纳米球被设置于外壳内部，其尺寸与外壳匹配，使得二者能够产生相对运动。摩擦电极贴服于外壳的内表面，用于与纳米球相互摩擦产生电流。进一步的，模块还包括连接电极，所述连接电极贴服于所述外壳的外表面，用于与其他发电模块进行电路连接。

通过对外壳上设计多个摩擦纳米发电模块之间实现电路连接的连接电极，可以使多个模块较为简易的实现电路连接。同时，通过这种多个摩擦纳米发电模块的电路连接可改善整个摩擦纳米发电系统的发电特性，可提高发电性能。

具体来说，外壳可由3D打印技术制作也可使用注塑技术制作，通过对截角八面体外壳的不同分割形式，可有两种发电模式的摩擦纳米发电模块：单电极式摩擦纳米发电模块(如图2所示)，接触分离式摩擦纳米发电模块(如图4所示)。

单电极式摩擦纳米发电模块的壳体包括结构对称的上、下两部分，所述上下部分以第一平面分界，且在上、下部分所包含的、与所述第一平面相交的各平面上粘贴连接电极。

其中，第一平面根据以下方式获取：以外壳的一个正方形面为底，将所述壳体水平放置，由上向下分别以不同水平面切割壳体，所得截面面积最大的水平面即为第一平面。

接触分离式摩擦纳米发电模块的壳体包括结构对称的上、下两部分以及一个中间隔离部分，上部分与中间隔离部分以第二平面分界，下部分与中间隔离部分以第三平面分界；在上部分所包含的、与第二平面垂直的各平面上粘贴连接电极；在下部分所包含的、与第三平面垂直的各平面上粘贴连接电极。

其中第二、第三平面根据以下方式获取：以外壳的一个正方形面为底，将所述壳体水平放置，由上向下分别以不同水平面切割所述壳体，首次使所得截面面积达到阈值的水平面即为第二平面，继续由上向下分别以不同水平面切割所述壳体，二次使所得截面面积达到阈值的水平面即为第三平面。面积阈值根据摩擦纳米发电模块的大小设定。

作为本发明的优选在单电极式摩擦纳米发电模块或者接触分离式摩擦纳米发电模块的外壳上，任选一对正方形表面，在此正方形表面上设置气口，使得气流能够从一个正方形表面上的气口进入所述壳体内部，并从另与之相对的另一个正方形表面上的气口流出，如图6所示。气口设置可以通过3D打印外壳实现，从而产生两种摩擦纳米发电模块的工作环境：无孔时工作环境为振动能手机，有孔时工作环境为风能的收集。在采集风能时，摩擦纳米发电单元的外壳需在其为正方体的一面及其相对的一面进行开孔处理以供气流通过。在收集风能时，气流通过两孔在摩擦纳米发电机内部流过，在气流的作用下摩擦纳米发电机内部的纳米球将产生振动。风能采集时摩擦纳米发电机也可有单电极模式和独立层模式，其发电原理与振动能采集时相同，结构及带负载方式也相同。

进一步地，纳米球的材料可为EPP粒子、EPS粒子、FEP球体、PTFE球体、PDMS球体等。直径可从0.5mm-10mm不等。外壳由3D打印制作，材料为常用3D打印材料，如：PLA、PETG、PU、PP等。外壳的尺寸与内部纳米球直径匹配，使外壳与内部纳米球之间有细微的空隙以便产生良好的运动与摩擦。内部摩擦电极及外壳间的连接电极可由铜箔、铝箔贴敷的方式，更推荐铜浆、银浆喷涂的方式制作。接触分离式摩擦纳米发电模块的外壳内还设置有介电层，介电层的材料可谓尼龙薄膜、kapton薄膜等。

模块工作时，纳米球与外壳内壁的金属电极的得失电子能力不同，当摩擦纳米发电机收集振动能或风能时内部纳米球会在外力的作用下与金属电极反复摩擦产生电荷转移，纳米球的运动会改变内部电场状态从而产生电流。

本发明还公开了一种摩擦纳米发电系统，由单电极式摩擦纳米发电模块堆叠构成，各摩擦纳米发电模块外壳通过连接电极紧密接触构成等势体，如图3所示。

若加负载时，负载的一端可使用导线连接在任意一个发电单元的任意一个面上的电极，负载的另一端可连接大导体或接地充当电子源。当收集振动能时，纳米球振动改变电极与地之间的电势从而驱动负载工作。

本发明还公开了另一种摩擦纳米发电系统，由上述接触分离式摩擦纳米发电模块堆叠构成，各摩擦纳米发电模块外壳通过连接电极紧密接触构成等势体。上下外壳内部都有金属电极而中间隔离层没有用来隔绝上下外壳金属电极的电路连接。接触电极的布置与单电极模式下的布置有所不同，只在与上下外壳接触面垂直的四个面贴有接触电极。因此接触电机只能与同一层的外壳相连，以避免上下外壳的输出在不同的相位从而相抵降低发电量。内部的纳米球在收集振动能时在上下外壳之间振动，将电荷在上下两个电极之间输送从而发电。在连接负载时需在每一层任选一个上半部分外壳的接触电极并将它们并联作为负载的一端，再在每一层任选一个下半部分外壳上的接触电极将他们并联作为负载的另一端。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种三维密集摩擦纳米发电模块，其特征在于，包括：

外壳，所述外壳被设置为截角八面体，所述壳体包括结构对称的上、下两部分，所述上下部分以第一平面分界，所述第一平面根据以下方式获取：

以外壳的一个正方形面为底，将所述壳体水平放置，

由上向下分别以不同水平面切割所述壳体，所得截面面积最大的水平面即为第一平面，

在上、下部分所包含的、与所述第一平面相交的各平面上粘贴连接电极；

纳米球，所述纳米球被设置于外壳内部，其尺寸与所述外壳匹配，使得二者能够产生相对运动；

摩擦电极，所述摩擦电极贴服于所述外壳的内表面，用于与所述纳米球相互摩擦产生电流；

以及连接电极，所述连接电极贴服于所述外壳的外表面，用于与其他发电模块进行电路连接。

2.根据权利要求1所述的三维密集摩擦纳米发电模块，其特征在于，所述壳体包括结构对称的上、下两部分以及一个中间隔离部分，所述上部分与中间隔离部分以第二平面分界，所述下部分与中间隔离部分以第三平面分界；

所述第二、第三平面根据以下方式获取：

以外壳的一个正方形面为底，将所述壳体水平放置，

由上向下分别以不同水平面切割所述壳体，首次使所得截面面积达到阈值的水平面即为第二平面，

继续由上向下分别以不同水平面切割所述壳体，二次使所得截面面积达到阈值的水平面即为第三平面；

在上部分所包含的、与所述第二平面垂直的各平面上粘贴连接电极；

在下部分所包含的、与所述第三平面垂直的各平面上粘贴连接电极。

3.根据权利要求1所述的三维密集摩擦纳米发电模块，其特征在于，在所述外壳上，任选一对正方形表面，在此正方形表面上设置气口，使得气流能够从一个正方形表面上的气口进入所述壳体内部，并从另与之相对的另一个正方形表面上的气口流出。

4.一种摩擦纳米发电系统，其特征在于，由多个权利要求1所述的三维密集摩擦纳米发电模块堆叠构成，各摩擦纳米发电模块外壳通过连接电极紧密接触构成等势体；

增加负载时，负载的一端通过导线连接在任意一个摩擦纳米发电模块的任意的连接电极，负载的另一端连接大导体或接地充当电子源。

5.一种摩擦纳米发电系统，其特征在于，由多个权利要求2所述的三维密集摩擦纳米发电模块堆叠构成，各摩擦纳米发电模块外壳通过连接电极紧密接触构成等势体，其中某一摩擦纳米发电模块的连接电极只能与同一层的、来自其他摩擦纳米发电模块的连接电极相连；

增加负载时，在每一层摩擦纳米发电模块中任选一个上半部分外壳的连接电极，将这些电极并联作为负载的一端，在每一层摩擦纳米发电模块中任选一个下半部分外壳的连接电极，将这些电极并联作为负载的另一端。