CN111817602A - 柔性薄膜发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了柔性薄膜发电机，所述柔性薄膜发电机包括：安装架；第一摩擦单元，所述第一摩擦单元设在所述安装架上，所述第一摩擦单元包括第一塑料薄膜层以及设在所述第一塑料薄膜层上的第一电极层；和第二摩擦单元，所述第二摩擦单元设在所述安装架上，所述第二摩擦单元包括第二塑料薄膜层以及设在所述第二塑料薄膜层上的第二电极层，其中所述第一塑料薄膜层与所述第二电极层配合或者所述第二塑料薄膜层与所述第一电极层配合，以便摩擦起电。根据本发明实施例的柔性薄膜发电机具有在低风速环境下输出功率高、能量利用率高、功率密度大等优点。

Description

柔性薄膜发电机

技术领域

本发明涉及能量转化领域，具体地，涉及柔性薄膜发电机。

背景技术

随着物联网(IoTs)应用中的无线传感器和便携式电子设备的快速发展，其供能问题亟待解决。电池因寿命、尺寸和维护等问题无法满足可持续的能源需求。因此，环境能量的收集技术具有极大的研究价值。在自然界各种各样的绿色能源中，风能因其分布的广泛性因而可被充分收集与利用，但传统的风力发电设备的主要缺点是体积大、重量大、器件结构复杂、启动风速高、低频效率低等，严重阻碍了其在弱风环境下工作的小型电子器件中的实际应用。

自2012年以来，以美国佐治亚理工学院王中林教授为代表的研究团队发明了摩擦纳米发电机，其利用摩擦起电效应和静电感应效应二者的耦合效应把微小的非电能的能量转换为电能，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种柔性薄膜发电机。

根据本发明实施例的柔性薄膜发电机包括：安装架；第一摩擦单元，所述第一摩擦单元设在所述安装架上，所述第一摩擦单元包括第一塑料薄膜层以及设在所述第一塑料薄膜层上的第一电极层；和第二摩擦单元，所述第二摩擦单元设在所述安装架上，所述第二摩擦单元包括第二塑料薄膜层以及设在所述第二塑料薄膜层上的第二电极层，其中所述第一塑料薄膜层与所述第二电极层配合或者所述第二塑料薄膜层与所述第一电极层配合，以便摩擦起电。

根据本发明实施例的柔性薄膜发电机具有在低风速环境下输出功率高、能量利用率高、功率密度大的优点。

可选地，所述第一塑料薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层或氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层，所述第二塑料薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层或氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层。

可选地，所述第一塑料薄膜层的厚度为0.05毫米-0.15毫米，所述第二塑料薄膜层的厚度为0.05毫米-0.15毫米。

可选地，所述第一电极层为银电极层，所述第二电极层为银电极层，所述第一电极层的厚度为80纳米-120纳米，所述第二电极层的厚度为80纳米-120纳米。

可选地，所述安装架包括：架体；螺杆件，所述螺杆件穿设在所述架体上，所述架体抵靠在所述螺杆件的螺帽上；第一夹持件，所述第一夹持件套设在所述螺杆件上，所述第一摩擦单元的一部分夹持在所述第一夹持件与所述架体之间；第二夹持件和第三夹持件，所述第二夹持件和所述第三夹持件中的每一者套设在所述螺杆件上，所述第二摩擦单元的一部分夹持在所述第二夹持件与所述第三夹持件之间；和螺母，所述螺母螺纹配合在所述螺杆件上，所述螺母抵靠在所述第二夹持件和所述第三夹持件中的一者上。

可选地，所述安装架进一步包括间隔件，所述间隔件、所述第一夹持件、所述第二夹持件和所述第三夹持件中的每一者沿所述螺杆件的长度方向可移动地套设在所述螺杆件上，其中所述间隔件在所述螺杆件的长度方向位于所述第一夹持件与所述第二夹持件和所述第三夹持件中的另一者之间。

可选地，所述间隔件为多个，多个所述间隔件的在所述螺杆件的长度方向上的长度彼此相等或彼此不等。

可选地，所述架体、所述第一夹持件、所述第二夹持件和所述第三夹持件中的每一者为矩形板。

可选地，所述柔性薄膜发电机进一步包括：第一导线，所述第一导线夹持在所述第一电极层与所述架体和所述第一夹持件中的一者之间，所述第一导线与所述第一电极层电连接；和第二导线，所述第二导线夹持在所述第二电极层与所述第二夹持件和所述第三夹持件中的一者之间，所述第二导线与所述第二电极层电连接。

可选地，所述柔性薄膜发电机进一步包括支架，所述支架包括竖直部以及设在所述竖直部上的水平部，所述柔性薄膜发电机包括多个所述安装架、多个所述第一摩擦单元和多个所述第二摩擦单元，其中多个所述安装架的一部分的所述架体设在所述水平部的第一端部上，多个所述安装架的其余部分的所述架体设在所述水平部的第二端部上，多个所述第一摩擦单元一一对应地设在多个所述安装架上，多个所述第二摩擦单元一一对应地设在多个所述安装架上，或者，所述柔性薄膜发电机进一步包括风向标，所述风向标包括固定部和旋转部，所述旋转部可旋转地设在所述固定部上，其中所述安装架设在所述旋转部上。

附图说明

图1是根据本发明实施例的柔性薄膜发电机的银电极层的扫描电镜图像；

图2是根据本发明实施例的柔性薄膜发电机的局部结构示意图；

图3是根据本发明实施例的柔性薄膜发电机的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的柔性薄膜发电机的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的柔性薄膜发电机的结构示意图；

图6a-图6d是根据本发明实施例的柔性薄膜发电机的发电原理示意图；

图7a是根据本发明实施例的柔性薄膜发电机的峰峰值功率密度-风速-摩擦单元间距的关系图；

图7b是根据本发明实施例的柔性薄膜发电机的均方根功率密度-风速-摩擦单元间距的关系图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述根据本发明实施例的柔性薄膜发电机100。如图1-图5所示，根据本发明实施例的柔性薄膜发电机100包括安装架3、第一摩擦单元1和第二摩擦单元2。

第一摩擦单元1设在安装架3上，第一摩擦单元1包括第一塑料薄膜层11以及设在第一塑料薄膜层11上的第一电极层12。第二摩擦单元2设在安装架3上，第二摩擦单元2包括第二塑料薄膜层21以及设在第二塑料薄膜层21上的第二电极层22。其中，第一塑料薄膜层11与第二电极层22配合或者第二塑料薄膜层21与第一电极层12配合，以便摩擦起电。

由于第一摩擦单元1包括第一塑料薄膜层11、第二摩擦单元2包括第二塑料薄膜层21，因此第一摩擦单元1和第二摩擦单元2均为柔性。

为了使本申请的技术方案更加容易被理解，下面以第二塑料薄膜层21与第一电极层12配合为例，参考图6a-图6d描述利用根据本发明实施例的柔性薄膜发电机100进行发电的过程。

当风流动时，由于内外流区风速的变化和压力的差异，柔性的第一摩擦单元1和柔性的第二摩擦单元2会相互摆动，以便第二塑料薄膜层21和第一电极层12能够相互接触。在风力作用下，在一个摆动周期内第一摩擦单元1和第二摩擦单元2先后经历了接触状态(如图6a所示)、初始分离状态(如图6b所示)、最大分离状态(如图6c所示)和初始接触状态(如图6d所示)。

如图6a所示，第二塑料薄膜层21和第一电极层12相互接触，第二塑料薄膜层21和第一电极层12的接触表面摩擦电荷转移，因此两个接触面产生电量相等但电性相反的电荷。由于第二塑料薄膜层21的绝缘性能，因此电荷将在第二塑料薄膜层21的表面停留一段时间。

如图6b所示，当第一摩擦单元1和第二摩擦单元2开始分离时，第一摩擦单元1和第二摩擦单元2之间的电场将正电荷从第一电极层12驱动到第二电极层22，从而产生电流输出。当第一摩擦单元1和第二摩擦单元2处于最大分离状态时，流过外部电路的电流为零(如图6c所示)。

如图6d所示，当第一摩擦单元1和第二摩擦单元2开始趋向接触运动时，摩擦电荷产生的电位差逐渐减小，正电荷返回产生反向电流。最后，第一摩擦单元1和第二摩擦单元2再次处于接触状态(如图6a所示)，以便完成一个完整的发电周期，并产生交流电流信号以便能够驱动外部负载R(例如低功耗用电设备)工作。

根据本发明实施例的柔性薄膜发电机100通过设置第一塑料薄膜层11和第二塑料薄膜层21，从而可以使第一摩擦单元1和第二摩擦单元2具有柔性。由此可以使柔性薄膜发电机100能够在较低的风速阈值下发生颤振，从而能够在低风速环境下将风能转化为电能。

因此，根据本发明实施例的柔性薄膜发电机100具有在低风速环境下输出功率高、能量利用率高、功率密度大等优点。

如图2-图5所示，柔性薄膜发电机100包括安装架3、第一摩擦单元1和第二摩擦单元2。

第一摩擦单元1包括第一塑料薄膜层11以及设在第一塑料薄膜层11上的第一电极层12，第二摩擦单元2包括第二塑料薄膜层21以及设在第二塑料薄膜层21上的第二电极层22。其中，第一塑料薄膜层11与第二电极层22配合或者第二塑料薄膜层21与第一电极层12配合，以便摩擦起电。

可选地，第一塑料薄膜层11为氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层或氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层，即第一塑料薄膜层11可以由氟化乙烯丙烯共聚物或氟化乙烯丙烯共聚物制成。第二塑料薄膜层21为氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层或氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层，即第二塑料薄膜层21可以由氟化乙烯丙烯共聚物或氟化乙烯丙烯共聚物制成。

可选地，第一塑料薄膜层11的厚度为0.05毫米-0.15毫米，第二塑料薄膜层21的厚度为0.05毫米-0.15毫米。由此可以使第一摩擦单元1和第二摩擦单元2具有良好的柔性，从而使第一摩擦单元1和第二摩擦单元2能够在更低的风速阈值下发生颤振，以便进一步提高柔性薄膜发电机100在低风速环境下的输出功率、能量利用率和功率密度。

第一摩擦单元1可以是矩形、梯形或圆形，第二摩擦单元2可以是矩形、梯形或圆形。

第一电极层12为银电极层，第一电极层12的厚度为80纳米-120纳米。第二电极层22为银电极层，第二电极层22的厚度为80纳米-120纳米。

如图3-图5所示，安装架3包括架体31、螺杆件32、第一夹持件33、第二夹持件34、第三夹持件35和螺母36。螺杆件32穿设在架体31上，即架体31套设在螺杆件32上，架体31抵靠在螺杆件32的螺帽321上。

第一夹持件33套设在螺杆件32上，第一摩擦单元1的一部分夹持在第一夹持件33与架体31之间。第二夹持件34和第三夹持件35中的每一者套设在螺杆件32上，第二摩擦单元2的一部分夹持在第二夹持件34与第三夹持件35之间。螺母36螺纹配合在螺杆件32上，螺母36抵靠在第二夹持件34和第三夹持件35中的一者上。

也就是说，螺帽321和螺母36将架体31、第一摩擦单元1的该一部分、第一夹持件33、第二夹持件34、第二摩擦单元2的该一部分和第三夹持件35夹持在它们之间。由此可以将第一摩擦单元1和第二摩擦单元2更加容易地、更加稳固地安装在安装架3上。

如图4和图5所示，架体31、第一夹持件33、第二夹持件34和第三夹持件35中的每一者为矩形板。由此可以更加牢固地夹持第一摩擦单元1和第二摩擦单元2。

如图3-图5所示，安装架3进一步包括间隔件37，间隔件37、第一夹持件33、第二夹持件34和第三夹持件35中的每一者沿螺杆件32的长度方向可移动地套设在螺杆件32上。其中，间隔件37在螺杆件32的长度方向位于第一夹持件33与第二夹持件34和第三夹持件35中的另一者之间。由此可以通过间隔件37来调节第一摩擦单元1与第二摩擦单元2在螺杆件32的长度方向上的距离。由此可以进一步提高柔性薄膜发电机100将风能转化为电能的能力，从而进一步提高柔性薄膜发电机100在低风速环境下的输出功率、能量利用率和功率密度。

具体地，如图3所示，间隔件37在螺杆件32的长度方向位于第一夹持件33与第二夹持件34之间，螺母36抵靠在第三夹持件35上。

如图3-图5所示，可选地，间隔件37为多个，多个间隔件37的在螺杆件32的长度方向上的长度彼此相等或彼此不等。由此可以更加精确地调节第一摩擦单元1与第二摩擦单元2在螺杆件32的长度方向上的距离。由此可以进一步提高柔性薄膜发电机100将风能转化为电能的能力，从而进一步提高柔性薄膜发电机100在低风速环境下的输出功率、能量利用率和功率密度。

其中，图7a示出了根据本发明实施例的柔性薄膜发电机100的峰峰值功率密度-风速-摩擦单元间距的关系，图7b示出了根据本发明实施例的柔性薄膜发电机100的均方根功率密度-风速-摩擦单元间距的关系。“摩擦单元间距”是指：第一摩擦单元1与第二摩擦单元2在螺杆件32的长度方向上的距离。

如图2和图3所示，柔性薄膜发电机100进一步包括第一导线41和第二导线42。第一导线41夹持在第一电极层12与架体31和第一夹持件33中的一者之间，第一导线41与第一电极层12电连接。第二导线42夹持在第二电极层22与第二夹持件34和第三夹持件35中的一者之间，第二导线42与第二电极层22电连接。由此可以使柔性薄膜发电机100的结构更加合理，从而可以使柔性薄膜发电机100更加容易地与负载R电连接。

如图4所示，柔性薄膜发电机100进一步包括支架5，支架5包括竖直部51以及设在竖直部51上的水平部52。柔性薄膜发电机100包括多个安装架3、多个第一摩擦单元1和多个第二摩擦单元2。多个安装架3的一部分的架体31设在水平部52的第一端部上，多个安装架3的其余部分的架体31设在水平部52的第二端部上。换言之，一部分安装架3的设在水平部52的该第一端部上，其余的安装架3的架体31设在水平部52的该第二端部上。可选地，水平部52的该第一端部与水平部52的该第二端部在水平部52的长度方向上相对。

多个第一摩擦单元1一一对应地设在多个安装架3上，多个第二摩擦单元2一一对应地设在多个安装架3上。也就是说，安装架3的数量、第一摩擦单元1的数量和第二摩擦单元2的数量可以彼此相等，一个安装架3上设有一个第一摩擦单元1和一个第二摩擦单元2。由此可以进一步提高柔性薄膜发电机100的能量利用率和电量输出。

如图5所示，柔性薄膜发电机100进一步包括风向标6，风向标6包括固定部(图中未示出)和旋转部61，旋转部61可旋转地设在该固定部上。安装架3设在旋转部61上。由此可以使第一摩擦单元1和第二摩擦单元2始终处于迎风状态，从而可以进一步提高柔性薄膜发电机100的输出功率、能量利用率和功率密度。

根据本发明实施例的柔性薄膜发电机100至少具有以下优点：(1)大大提高了接触分离式摩擦纳米发电机的输出电量；(2)本装置将第一摩擦单元1(电极)和第二摩擦单元2(电极)设计为柔性结构，克服了其他结构中电极是刚性和固定的缺点，可以在较低风速阈值下发生颤振来进行工作；(3)柔性薄膜发电机100结构简单且紧凑，实现较为容易，可靠性高，还可同时多个并联组合使用进一步提高输出电量，具有解决无线传感器网络节点供电问题的潜力。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种柔性薄膜发电机，其特征在于，包括：

安装架；

第一摩擦单元，所述第一摩擦单元设在所述安装架上，所述第一摩擦单元包括第一塑料薄膜层以及设在所述第一塑料薄膜层上的第一电极层；和

第二摩擦单元，所述第二摩擦单元设在所述安装架上，所述第二摩擦单元包括第二塑料薄膜层以及设在所述第二塑料薄膜层上的第二电极层，其中所述第一塑料薄膜层与所述第二电极层配合或者所述第二塑料薄膜层与所述第一电极层配合，以便摩擦起电。

2.根据权利要求1所述的柔性薄膜发电机，其特征在于，所述第一塑料薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层或氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层，所述第二塑料薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层或氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层。

3.根据权利要求1所述的柔性薄膜发电机，其特征在于，所述第一塑料薄膜层的厚度为0.05毫米-0.15毫米，所述第二塑料薄膜层的厚度为0.05毫米-0.15毫米。

4.根据权利要求1所述的柔性薄膜发电机，其特征在于，所述第一电极层为银电极层，所述第二电极层为银电极层，所述第一电极层的厚度为80纳米-120纳米，所述第二电极层的厚度为80纳米-120纳米。

5.根据权利要求1所述的柔性薄膜发电机，其特征在于，所述安装架包括：

架体；

螺杆件，所述螺杆件穿设在所述架体上，所述架体抵靠在所述螺杆件的螺帽上；

第一夹持件，所述第一夹持件套设在所述螺杆件上，所述第一摩擦单元的一部分夹持在所述第一夹持件与所述架体之间；

第二夹持件和第三夹持件，所述第二夹持件和所述第三夹持件中的每一者套设在所述螺杆件上，所述第二摩擦单元的一部分夹持在所述第二夹持件与所述第三夹持件之间；和

螺母，所述螺母螺纹配合在所述螺杆件上，所述螺母抵靠在所述第二夹持件和所述第三夹持件中的一者上。

6.根据权利要求5所述的柔性薄膜发电机，其特征在于，所述安装架进一步包括间隔件，所述间隔件、所述第一夹持件、所述第二夹持件和所述第三夹持件中的每一者沿所述螺杆件的长度方向可移动地套设在所述螺杆件上，其中所述间隔件在所述螺杆件的长度方向位于所述第一夹持件与所述第二夹持件和所述第三夹持件中的另一者之间。

7.根据权利要求6所述的柔性薄膜发电机，其特征在于，所述间隔件为多个，多个所述间隔件的在所述螺杆件的长度方向上的长度彼此相等或彼此不等。

8.根据权利要求5所述的柔性薄膜发电机，其特征在于，所述架体、所述第一夹持件、所述第二夹持件和所述第三夹持件中的每一者为矩形板。

9.根据权利要求5所述的柔性薄膜发电机，其特征在于，进一步包括：

第一导线，所述第一导线夹持在所述第一电极层与所述架体和所述第一夹持件中的一者之间，所述第一导线与所述第一电极层电连接；和

第二导线，所述第二导线夹持在所述第二电极层与所述第二夹持件和所述第三夹持件中的一者之间，所述第二导线与所述第二电极层电连接。

10.根据权利要求5所述的柔性薄膜发电机，其特征在于，进一步包括支架，所述支架包括竖直部以及设在所述竖直部上的水平部，所述柔性薄膜发电机包括多个所述安装架、多个所述第一摩擦单元和多个所述第二摩擦单元，其中多个所述安装架的一部分的所述架体设在所述水平部的第一端部上，多个所述安装架的其余部分的所述架体设在所述水平部的第二端部上，多个所述第一摩擦单元一一对应地设在多个所述安装架上，多个所述第二摩擦单元一一对应地设在多个所述安装架上，

或者，所述柔性薄膜发电机进一步包括风向标，所述风向标包括固定部和旋转部，所述旋转部可旋转地设在所述固定部上，其中所述安装架设在所述旋转部上。

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