CN111865133A - 摆式摩擦纳米发电机及能量采集器 - Google Patents

Abstract

一种摆式摩擦纳米发电机及能量采集器，摆式摩擦纳米发电机包括：外壳，为一封闭的壳体结构，内部具有一空腔；一摆动结构，位于该空腔中，包含：摆杆；以及自由摆动摩擦层，与摆杆的末端刚性连接；电极层，位于外壳的内表面上，包含间隔开的第一电极层和第二电极层；以及分布式摩擦层，与自由摆动摩擦层的材料位于不同的摩擦电序列，一端固定于电极层之上，另一端为自由端；其中，摆动结构由于外界激励在外壳内部摆动时，该摆动结构的自由摆动摩擦层随之摆动，通过与分布式摩擦层发生摩擦带电，对应在电极层上产生电学输出。具有较高的能量采集效率，能适应各种环境，具有高稳定性及可靠性，并能够响应任意角度的外部激励，具有广泛的应用前景。

Description

摆式摩擦纳米发电机及能量采集器

技术领域

本公开属于能源收集技术领域，涉及一种摆式摩擦纳米发电机及能量采集器。

背景技术

随着互联网和微纳电子设备的快速发展，世界范围内正面临着能源的消耗过快及能源短缺等严重问题，寻找可持续能源成为未来万物互联发展的迫切需求，尤其是分布在世界各个角落的传感节点，对这些亿级的分散电子设备供电将成为巨大的工程和需求巨量的能源。

现有的传统能源如锂电池不但寿命短，不能持续更换，同时维护巨量的电池需要大量的人力和物力。此外传统的电池存在潜在的环境污染；同时电池相对笨重，不利于可穿戴电子设备的应用。因此，探索新型的能量采集技术，从环境中采集能量为电子设备供电正成为研究人员的关注焦点。

当前主要的能量采集方式包括电磁、压电和太阳能电池等，然而，由于所用材料(如硅或镓)的易碎性以及制作的高成本和复杂性很大程度限制了能量采集器的应用；此外，电磁采集器在低频下工作效率极低。压电式能量采集器能量转化效率很低，太阳能电池技术的工作则受周围环境影响。因此，发展具有较高输出、能量转化率高和稳定的能量采集器是一种迫切需求。

近年来开发的摩擦纳米发电机具有高输出、成本低、制作简单和高转化率等特点，获得了广泛的关注。其工作原理是利用摩擦起电效应和静电感应的耦合作用实现能量由机械能到电能的转化。摩擦纳米发电机能够将环境中的各种形式的机械能，如振动、旋转、波浪以及风力等等，有效地转化为电能。

然而，现有的基于摩擦纳米发电机的能量采集器仍存在诸多欠缺，诸如：一、低频工作下能量采集效率很低，有待进一步提升；二、能量收集过程多数在一维方向，例如基于摩擦纳米发电机的风能采集器，位于中间的振动膜在风力的作用下与上下摩擦层接触发电，仅能响应单一方向的风吹以获得能量转化，在多维空间工作具有限制性。

因此，开发一种具有倍频特点、耐久性强、成本低、制作简单、高能量转换率以及多方向适用于低频的摩擦纳米发电机是目前能量采集领域急需解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种摆式摩擦纳米发电机及能量采集器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种摆式摩擦纳米发电机，包括：外壳，为一封闭的壳体结构，内部具有一空腔；一摆动结构，位于该空腔中，包含：摆杆；以及自由摆动摩擦层，与摆杆的末端刚性连接；电极层，位于外壳的内表面上，包含间隔开的第一电极层和第二电极层；以及分布式摩擦层，位于能与摆动结构在摆动过程中接触的范围内，与自由摆动摩擦层的材料位于不同的摩擦电序列，一端固定于电极层之上，另一端为自由端。其中，摆动结构由于外界激励在外壳内部摆动时，该摆动结构的自由摆动摩擦层随之摆动，通过与分布式摩擦层发生摩擦带电，在自由摆动摩擦层摆动过程中对应在电极层上产生电学输出。

在本公开的一些实施例中，自由摆动摩擦层与电极层之间存在间隙；

优选的，该间隙为0.2mm-1mm；

优选的，自由摆动摩擦层和分布式摩擦层接触的表面部分或全部包括纳米或微米结构。

根据本公开的另一个方面，提供了一种摆式摩擦纳米发电机，包括：外壳，为一封闭的壳体结构，内部具有一空腔；一摆动结构，位于该空腔中，包含：摆杆；以及自由摆动摩擦层，与摆杆的末端刚性连接；电极层，位于外壳的内表面上，包含间隔开的第一电极层和第二电极层；介电层，覆盖于电极层之上；以及分布式摩擦层，位于能与摆动结构在摆动过程中接触的范围内，与自由摆动摩擦层的材料位于不同的摩擦电序列，一端固定于介电层之上，另一端为自由端。其中，摆动结构由于外界激励在外壳内部摆动时，该摆动结构的自由摆动摩擦层随之摆动，通过与分布式摩擦层发生摩擦带电，在自由摆动摩擦层摆动过程中对应在电极层上产生电学输出。

在本公开的一些实施例中，自由摆动摩擦层与介电层之间存在间隙；

优选的，该间隙为0.2mm-1mm；

优选的，自由摆动摩擦层和分布式摩擦层接触的表面部分或全部包括纳米或微米结构。

在本公开的一些实施例中，自由摆动摩擦层背离分布式摩擦层的一面上设置有一磁铁，对应外壳内表面上设置有线圈，该磁铁和自由摆动摩擦层同时随着摆动结构进行摆动，由于磁铁与线圈之间产生相对位置的变化，从而产生感应电动势，即实现电磁式发电，同时自由摆动摩擦层与分布式滑动摩擦层发生摩擦带电，在带电的自由摆动摩擦层摆动过程中，在其下方的第一电极层或第二电极层上的感应电荷发生变化，在第一电极层和第二电极层之间产生电势差，对应在第一电极层和第二电极层之间产生电子流动以达到电势平衡，即实现摩擦发电，从而实现摩擦发电与电磁式发电两种形式能量的复合收集。

在本公开的一些实施例中，摆动结构为一单摆式结构，摆杆通过一连接部连接于外壳之上，使自由摆动摩擦层及摆杆形成的摆动结构在外界激励下进行单摆或圆锥摆。

在本公开的一些实施例中，连接部的材料为柔性材料。

在本公开的一些实施例中，外壳为一球体，所述电极层为弧形双电极层，第一电极层和第二电极层呈现内外圈分布的形式，第一电极层为内圈电极，第二电极层为与内圈电极间隔开的外围环形电极；

优选的，自由摆动摩擦层与第一电极层的面积相等。

在本公开的一些实施例中，摆动结构为一双摆式结构，摆杆包含一空心中心，该空心中心套接于一轴结构上，在该摆杆的两个末端连接有质量大小不等的两个自由摆动摩擦层，在外界激励下两个自由摆动摩擦层绕着该轴结构进行360°范围内的自由摆动。

根据本公开的又一个方面，提供了一种能量采集器，包含本公开提及的任一种摆式摩擦纳米发电机。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的摆式摩擦纳米发电机及能量采集器，具有以下有益效果：

1、通过将外界激励转化为单摆、圆锥摆或者双摆等形式的摆动结构的摆动机械能，并结合自由滑动式摩擦将摆动机械能转化为电能进行输出，能够采集各个角度的能量，不局限于一维的激励形式，并且通过摆动形式的设置，能在低频作用下实现高频输出，将大部分外界激励转化为摆动能，大大提高了能量转换效率，具有较高的能量采集效率，通过设置封闭的外壳，该摆式摩擦纳米发电机能够适应各种环境，具有高稳定性和高可靠性，并且能够响应任意角度的外部激励，具有广泛的应用前景。

2、一方面，通过两个进行摩擦的摩擦层之间的间隙设置使得摩擦阻力很小，摆动过程中的损耗降至最低，另一方面由于分布式摩擦层中包含多个摩擦层，增加了自由摆动摩擦层在摆动过程中与包含多个摩擦层的分布式摩擦层的接触几率，有助于提高低频作用下的能量收集效率。另外，通过优化设置两个摩擦层之间的间隙(距离)以及摩擦表面的微纳结构，更进一步提高摩擦起电转移的电荷数量，有助于能量收集效率的进一步提高。

3、通过在摆动结构上设置磁铁，在外壳内表面设置线圈，该磁铁和自由摆动摩擦层同时随着摆动结构进行摆动，磁铁与线圈之间产生相对位置的变化，从而产生感应电动势，同时在带电的自由摆动摩擦层摆动过程中，位于其下方的第一电极层或第二电极层上的感应电荷发生变化，在第一电极层和第二电极层之间产生电势差，对应在第一电极层和第二电极层之间产生电子流动以达到电势平衡，即实现摩擦发电，从而实现摩擦发电与电磁式发电两种形式能量的复合收集，实现多种能量形式的采集。

附图说明

图1为根据本公开第一实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的结构示意图。

图2为如图1所示的摆式摩擦纳米发电机从弧形双电极层的一半位置剖开得到的剖面示意图。

图3为如图1所示的摆式摩擦纳米发电机中弧形双电极层的俯视图。

图4-图5为根据本公开一实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的发电原理图。

图4为摆式摩擦纳米发电机摆动过程中的摩擦起电原理示意图。

图5为摆式摩擦纳米发电机摆动过程中的摩擦起电效应和静电感应的耦合作用示意图。

图6和图7分别为第一实施例所示的摆式摩擦纳米发电机在一次激励下的开路电压输出和短路电流输出。

图8为根据本公开第二实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的结构示意图。

图9根据本公开第三实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的结构示意图。

【符号说明】

1，10-外壳；

2-弧形双电极层；

21-第一电极层； 22-第二电极层；

3，13-介电层； 4-第一分布式摩擦层；

5-第一摆杆； 6-第一自由摆动摩擦层；

7-连接部/线绳； 8-磁铁；

9-线圈； 11-第二自由摆动摩擦层；

12-第三自由摆动摩擦层；

14-环绕电极层；

141-第一电极层； 142-第二电极层；

15-第二分布式摩擦层； 16-第二摆杆。

具体实施方式

本公开提供了一种摆式摩擦纳米发电机及能量采集器，通过利用单摆或双摆等摆动结构在外界激励下能够多次往复运动的原理，与自由滑动模式下的摩擦纳米发电机相结合以实现有效地机械能采集。本公开的摆式摩擦纳米发电机及能量采集器具有较高的能量采集效率，能够适应各种环境，具有高稳定性和高可靠性，并且能够响应任意角度的外部激励，具有广泛的应用前景。

本公开的摆式摩擦纳米发电机，包括：外壳，为一封闭的壳体结构，内部具有一空腔；一摆动结构，位于该空腔中，包含：摆杆；以及自由摆动摩擦层，与摆杆的末端刚性连接；电极层，位于外壳的内表面上，包含间隔开的第一电极层和第二电极层；以及分布式摩擦层，位于能与摆动结构在摆动过程中接触的范围内，与自由摆动摩擦层的材料位于不同的摩擦电序列，一端固定于电极层(第一电极层或第二电极层)之上，另一端为自由端。其中，摆动结构由于外界激励在外壳内部摆动时，该摆动结构的自由摆动摩擦层随之摆动，通过与分布式摩擦层发生摩擦带电，在自由摆动摩擦层摆动过程中对应在电极层上产生电学输出。

其中优选的，摆杆末端的自由摆动摩擦层与电极层之间存在间隙，在一实例中，间隙范围例如为0.2mm-1mm。如此，以保证自由摆动摩擦层在随摆杆进行摆动过程中，几乎没有摩擦，与电极层之上的分布式摩擦层之间为轻微接触，具有较小的摩擦阻力。

在一优选实施例中，出于静电保护的目的，在电极层之上覆盖有介电层，该分布式摩擦层的一端固定于介电层之上，另一端为自由端。同理，优选的，摆杆末端的自由摆动摩擦层与介电层之间存在间隙，在一实例中，间隙范围例如为0.2mm-1mm。如此，以保证自由摆动摩擦层在随摆杆进行摆动过程中，与介电层之上的分布式摩擦层之间为轻微接触，具有较小的摩擦阻力。

在一些实施例中，电极层上的介电层采用具有电负性的材料。分布式摩擦层可以采用与介电层相同的材料。自由摆动摩擦层与分布式摩擦层的材料存在电子得失能力差异，优选二者采用电子得失能力差异大的材料。

在本公开的一些实施例中，摆动形式可以进行灵活设置，例如第一实施例，摆动结构为一单摆式结构，摆杆通过一连接部7连接于外壳之上，使自由摆动摩擦层及摆杆形成的摆动结构在外界激励下进行单摆或圆锥摆。

优选的，在单摆式结构中，连接部7为一柔性材料，例如为线绳7，实现上述摆杆与外壳之间的柔性连接。例如，摆杆与外壳之间的线绳7极短，仅起到柔性连接作用。

在一些实施例中，单摆式结构的外壳呈球形，为一封闭的绝缘壳体结构，电极层为弧形双电极层2，第一电极层21和第二电极层22呈现内外圈分布的形式，第一电极层21为内圈电极，第二电极层22为与内圈电极间隔开的外围环形电极。

在一些实施例中，分布式摩擦层为均匀或者不均匀分布，其分布位置位于能与摆动结构在摆动过程中接触的范围内，可根据摆杆的长度以及自由摆动摩擦层在摆动中的活动范围进行灵活设置。例如，第一实施例中，摆杆5的长度为外壳1内部弧形球面对应的曲率半径长度，自由摆动摩擦层6对应的圆锥摆的最大范围为介电层3的圆弧外边缘，则分布式摩擦层4可设置于介电层3的圆弧外边缘及其内部的任何范围，比如可以均匀设置于介电层的圆弧外边缘。

在本公开的一些实施例中，可以实现多种能量形式的采集，例如第二实施例，自由摆动摩擦层背离分布式摩擦层的一面上设置有一磁铁，对应外壳内表面上设置有线圈，该磁铁和自由摆动摩擦层同时随着摆动结构进行摆动。由于磁铁与线圈之间产生相对位置的变化，从而产生感应电动势，即实现电磁发电，同时自由摆动摩擦层通过与分布式摩擦层摩擦产生或补充电荷，在带电的自由摆动摩擦层摆动过程中，位于其下方的第一电极层或第二电极层上的感应电荷(电势分布)发生变化，在第一电极层和第二电极层之间产生电势差，对应在第一电极层和第二电极层之间产生电子流动以达到电势平衡，即实现摩擦发电，从而实现摩擦发电与电磁式发电两种形式能量的复合收集。

在本公开的一些实施例中，摆动形式可以进行灵活设置，例如第三实施例，摆动结构为一双摆式结构，摆杆包含一空心中心，该空心中心套接于一轴结构上，在该摆杆的两个末端连接有质量大小不等的两个自由摆动摩擦层，在外界激励下两个自由摆动摩擦层绕着该轴结构进行360°范围内的自由摆动。

上述方案中，优选的，自由摆动摩擦层和分布式摩擦层接触的表面部分或全部包括纳米或微米结构，以增大接触摩擦时转移的电荷数量。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。需要说明的是，各个实施例的描述中，第一分布式摩擦层、第二分布式摩擦层均为本公开的分布式摩擦层，在同一个实施例中，说明书中采用相同的附图标记表示，不同实施例中描述的“第一”“第二”是为了介绍结构区别时描述方便，不包含先后顺序的含义。

第一实施例

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种摆式摩擦纳米发电机。

图1为根据本公开第一实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的结构示意图。其中，为了突出示意弧形双电极层2的结构，并未示意出位于该弧形双电极层2上表面覆盖的介电层3，本实施例中，第一分布式摩擦层4位于介电层3的上表面，由于介电层3未示意，因此图1中以第一分布式摩擦层4位于弧形双电极层2上方进行示意。图2为如图1所示的摆式摩擦纳米发电机从弧形双电极层的一半位置剖开得到的剖面示意图。

结合图1和图2所示，本实施例的摆式摩擦纳米发电机，包括：外壳1，为一封闭的壳体结构，内部具有一空腔；一摆动结构，位于该空腔中，包含：第一摆杆5；以及第一自由摆动摩擦层6，与第一摆杆5的末端刚性连接；电极层2，位于外壳1的内表面上，包含间隔开的第一电极层21和第二电极层22；介电层3，覆盖于电极层2之上；以及第一分布式摩擦层4，位于能与摆动结构在摆动过程中接触的范围内，与自由摆动摩擦层的材料位于不同的摩擦电序列，一端固定于介电层3之上，另一端为自由端。其中，摆动结构由于外界激励在外壳1内部摆动时，该摆动结构的第一自由摆动摩擦层6随之摆动，通过与第一分布式摩擦层4发生摩擦带电，在自由摆动摩擦层6摆动过程中在电极层2上产生电学输出。

本实施例中，参照图1和图2所示，摆动结构为一单摆式结构，第一摆杆5通过一连接部7连接于外壳1之上，使第一自由摆动摩擦层6及第一摆杆5形成的摆动结构在外界激励下进行单摆或圆锥摆。

其中，连接部7为一柔性材料，例如为线绳7，实现上述摆杆与外壳之间的柔性连接。本实施例中，摆杆与外壳之间的线绳7极短，仅起到柔性连接作用。

本实施例中，优选的，摆杆末端的第一自由摆动摩擦层6与位于表面的介电层3之间存在间隙(在不含介电层的方案中，自由摆动摩擦层与位于外壳内表面的电极层之间存在间隙)，在一实例中，第一摆杆5上的第一自由摆动摩擦层6与弧面上的介电层3的间隙范围为0.2mm-1mm。如此，以保证第一自由摆动摩擦层6在随第一摆杆5进行摆动过程中，与第一分布式摩擦层4之间为轻微接触，具有较小的摩擦阻力。

外壳1为对称式结构，优选中心对称或轴对称结构，本实施例中，外壳1呈球形，为一封闭的绝缘壳体结构。采用密封绝缘球形壳体材料，能够起到良好的防水和防腐蚀等作用。

图3为如图1所示的摆式摩擦纳米发电机中弧形双电极层的俯视图。

本实施例中，参照图3所示，电极层2为弧形双电极层2，设置于该球形外壳1的内部弧形球面上，第一电极层21和第二电极层22呈现内外圈分布的形式，第一电极层21为内圈电极，第二电极层22为与内圈电极间隔开的外围环形电极。当然，在其它实施例中，第一电极层21和第二电极层22的分布形式不局限于上述实施例，还可以是其他间隔开的分布形式，比如，左右结构、上下结构或者其他间隔开的分布形式等，分布的个数也不局限与示意图中的一个，可以是多个第一电极层和第二电极层进行间隔分布。

本实施例中，介电层3覆盖于弧形双电极层2之上，作为静电保护层。含有介电层3的方案为优选方案，参照图2所示，为了增强静电保护，在电极层上覆盖有介电层3作为静电保护层，在其他实施例中，介电层3也可以没有，对应分布式摩擦层4位于电极层2之上。

在本公开的一些实施例中，分布式摩擦层为均匀或者不均匀分布，其分布位置位于能与摆动结构在摆动过程中接触的范围内，可根据摆杆的长度以及自由摆动摩擦层在摆动中的活动范围进行灵活设置。

本实施例中，第一摆杆5的长度为外壳1内部弧形球面对应的曲率半径长度；第一分布式摩擦层4包含多个摩擦层，该摩擦层的形状例如为条形，多个摩擦层以1mm等间距均匀分布于介电层3的边缘。第一自由摆动摩擦层6与弧形球面上的介电层3存在空气间隙。

优选的，第一自由摆动摩擦层6和内圈的圆形金属电极(第一电极层)21具有相同的面积。面积相等将有利于静电感应中第一电极层21和第二电极层22之间电子的高效流动。

在一些实施例中，介电层3采用具有电负性的材料。第一分布式摩擦层4可以采用与介电层3相同的材料。第一自由摆动摩擦层6与第一分布式摩擦层4的材料存在电子得失能力差异，优选二者采用电子得失能力差异大的材料。例如，本实施例中，第一电极层21和第二电极层22均为铜膜，第一分布式摩擦层4采用聚四氟乙烯(P_olytetrafluoroethylene)，第一自由摆动摩擦层6采用铜膜。在本公开的启发下，本领域技术人员可根据具体情况选择类似材料作为两个摩擦层和电极层。

优选的，第一自由摆动摩擦层6和第一分布式摩擦层4接触的表面部分或全部包括纳米或微米结构，以增大接触摩擦时转移的电荷数量。该设置可以与第一自由摆动摩擦层6和第一分布式摩擦层4之间的间隙设置同时考虑，一方面，保证第一自由摆动摩擦层6和第一分布式摩擦层4之间的距离满足二者为轻微接触，另一方面，保证接触的过程中通过微纳结构能够增大摩擦时转移的电荷数量。

图4-图5为根据本公开一实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的发电原理图。图4为摆式摩擦纳米发电机摆动过程中的摩擦起电原理示意图。图5为摆式摩擦纳米发电机摆动过程中的摩擦起电效应和静电感应的耦合作用示意图。

本实施例中，摆式摩擦纳米发电机的工作原理是基于摩擦起电效应和静电感应的耦合作用，其发电过程参照图4和图5所示，下面结合附图来进行详细介绍。

参照图4中(a)-(c)所示，第一自由摆动摩擦层6和第一分布式摩擦层4采用具有不同摩擦电性质的材料，当第一自由摆动摩擦层6由于外部振动而发生摆动时，当其摆动至弧形球面边缘处时与第一分布式摩擦层4发生接触，参见图4中(b)和(c)所示。由于第一自由摆动摩擦层6和第一分布式摩擦层4之间存在电子得失能力差异，第一分布式摩擦层4得电子能力强而第一自由摆动摩擦层6外表面更容易失去电子，因此，第一自由摆动摩擦层6表面带正电荷，被接触到的第一分布式摩擦层4表面带负电荷。第一自由摆动摩擦层6由于摩擦起电效应表面带有正电荷，当其摆动到中心位置时，参照图5中(a)所示，由于静电感应效应和电势平衡效应，初始状态下，弧形双电极层2中第一电极层21感应产生负电荷，而第二电极层22中产生正电荷以平衡电势。当第一自由摆动摩擦层6进行单摆往复运动，例如向左侧边缘摆动的过程中，参照图5中(b)所示，位于其下方的第一电极层21或第二电极层22上的感应电荷(电势分布)发生变化，在第一电极层21和第二电极层22之间产生电势差，由于电势差的产生，第一电极层21上的电子将流向第二电极层22，从而产生电学输出。当第一自由摆动摩擦层6摆动到弧形边缘时，第一电极层21与第二电极层22带有等量异性电荷以达到电势平衡，参照图5中(c)所示。随后，第一自由摆动摩擦层6将向右侧摆动，参照图5中(d)所示，在摆动过程中，位于其下方的第一电极层21或第二电极层22上的感应电荷(电势分布)发生变化，在第一电极层21和第二电极层22之间产生电势差，由于电势差的产生，使得第二电极层22上的电子将流向第一电极层21，从而形成与图5中(b)相反方向的电流。然后，第一自由摆动摩擦层6将向右侧摆动至中心位置，参照图5中(a)所示，即完成一个单侧电学输出的运动周期。该摆式摩擦纳米发电机向相反方向一侧摆动的过程的电输出原理与之类似，从而在摆动的过程中产生持续的交流电输出。

图6和图7分别为第一实施例所示的摆式摩擦纳米发电机在一次激励下的开路电压输出和短路电流输出。

参照图6和图7所示，本实施例的摆式摩擦纳米发电机进行了电学性能测试，其开路电压输出可达到55V，短路电流可达到0.6μA。单次激励下的有效电输出可持续120s，可见，该摆式摩擦纳米发电机的能量采集效率高，能够响应任意角度的外部激励，并且几乎无摩擦接触，具有高稳定性的特点，可作为能量收集器，应用于各种场景。

本实施例中摆式摩擦纳米发电机作为能量采集器，其电学输出(交流电)通过连接后端整流电路后再进行输出，输出为直流电，可为超级电容充电，同时也可为电子设备充电。

综上所述，本实施例中的摆式摩擦纳米发电机能够在外界激励作用下进行单摆或者圆锥摆运动，由于在摆动过程中第一自由摆动摩擦层6和第一分布式摩擦层4之间的相对摩擦产生摩擦电荷，并且在带电的第一自由摆动摩擦层6摆动过程中，在其下方的第一电极层21或第二电极层22上的感应电荷(电势分布)发生变化，在第一电极层21和第二电极层22之间产生电势差，对应在第一电极层和第二电极层之间产生电子流动以达到电势平衡，产生电学输出。随着摆动的反复进行，持续不断地进行电学输出。

一方面，第一自由摆动摩擦层在摆动过程中为单摆或圆锥摆，与外壳内表面的介电层(或者表面的电极层)几乎不存在摩擦阻力，因此能在低频作用下实现高频输出，将大部分外界激励转化为摆动能，且摆动过程中的损耗降至最低，大大提高了能量转换效率。另一方面，由于分布式摩擦层中包含多个摩擦层，分布形式可灵活设置，增加了第一自由摆动摩擦层6在摆动过程中与多个摩擦层的接触几率，有助于提高低频作用下的能量收集效率。外壳为对称式结构，使其上柔性连接的第一自由摆动摩擦层6在任意方向激励下都能够工作，对于三维激励可产生积极的响应，同时封闭式结构能够保障器件的防水和防腐蚀，具有较高的稳定性和可靠性，在恶劣环境下也能使用，拓宽了能量收集的维度和环境适应性。另外，通过优化设置两个摩擦层之间的间隙(距离)以及摩擦表面的微纳结构，更进一步提高摩擦起电转移的电荷数量，有助于能量收集效率的进一步提高。

第二实施例

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种摆式摩擦纳米发电机。

本实施例中的摆式摩擦纳米发电机是在第一个实施例结构的基础上进行的进一步改进设置，本实施例中，摆式摩擦纳米发电机是通过摩擦发电和电磁式发电复合的方式实现能量收集。

图8为根据本公开第二实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的结构示意图。

参照图8所示，本实施例的摆式摩擦纳米发电机中，其他结构与第一实施例相同，区别之处在于，第一自由摆动摩擦层6背离第一分布式摩擦层4的一面上设置有一磁铁8，对应外壳内表面上设置有线圈9，该磁铁8和第一自由摆动摩擦层6同时随着摆动结构进行摆动，磁铁8与线圈9之间产生相对位置的变化，从而产生感应电动势，实现电磁式发电，同时第一自由摆动摩擦层6通过与第一分布式滑动摩擦层4发生摩擦带电，在其下方的第一电极层21或第二电极层22上的感应电荷(电势分布)发生变化，在第一电极层21和第二电极层22之间产生电势差，对应在第一电极层和第二电极层之间产生电子流动以达到电势平衡，实现摩擦发电，从而整体上实现摩擦发电与电磁式发电两种形式能量的复合收集。

“背离”的含义是指第一自由摆动摩擦层6不与第一分布式摩擦层4接触的一面表示背离的一面。

本实施例中，线圈9均匀分布于球形外壳1内部表面的底部。

当在摆动过程中，第一自由摆动摩擦层6与底部弧面上的第一分布式摩擦层4采集机械能，从电极层2产生电学输出，实现摩擦发电；同时，第一摆杆5上的磁铁8相对于线圈9运动，切割磁感线，产生感应电动势，实现电磁式发电。

需要说明的是，磁铁8和线圈9的形状、位置和数量可根据实际需求进行设计，不局限于本实施例。

第三实施例

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种摆式摩擦纳米发电机。

本公开的摆式摩擦纳米发电机，包括：外壳，为一封闭的壳体结构，内部具有一空腔；一摆动结构，位于该空腔中，包含：摆杆；以及自由摆动摩擦层，与摆杆的末端刚性连接；电极层，位于外壳的内表面上，包含间隔开的第一电极层和第二电极层；以及分布式摩擦层，位于能与摆动结构在摆动过程中接触的范围内，与自由摆动摩擦层的材料位于不同的摩擦电序列，一端固定于电极层(第一电极层或第二电极层)之上，另一端为自由端。其中，摆动结构由于外界激励在外壳内部摆动时，该摆动结构的自由摆动摩擦层随之摆动，通过与分布式摩擦层摩擦带电，在自由摆动摩擦层的摆动过程中对应在电极层上产生电学输出。

本实施例中的摆式摩擦纳米发电机与第一个实施例的区别在于：摆动形式存在差异。

图9根据本公开第三实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的结构示意图。

参照图9所示，本实施例中的摆式摩擦纳米发电机中，外壳10为一中空的圆筒10，摆动结构为一双摆式结构，包含：第二摆杆16，具有一空心中心，该空心中心套接于一轴结构上，在该第二摆杆16的末端连接有质量大小不等的两个自由摆动摩擦层11，12；电极层14，位于外壳10的内表面上，包含间隔开的第一电极层141和第二电极层142；以及第二分布式摩擦层15，位于能与摆动结构在摆动过程中接触的范围内，与自由摆动摩擦层11，12的材料位于不同的摩擦电序列，一端固定于电极层14(第一电极层141或第二电极层142)之上，另一端为自由端。其中，摆动结构在外界激励下两个自由摆动摩擦层11，12绕着该轴结构进行自由摆动，与第二分布式摩擦层15发生摩擦带电，在两个自由摆动摩擦层11，12摆动过程中，在其下方(这里等同于外围)的第一电极层141或第二电极层142上感应的感应电荷(电势分布)发生变化，在第一电极层141和第二电极层142之间产生电势差，对应在第一电极层和第二电极层之间产生电子流动以达到电势平衡，即在电极层上产生电学输出。

出于静电保护的目的，本实施例中，在电极层14的表面上还覆盖有介电层13，此时对应的第二分布式摩擦层15的一端固定于该介电层13之上，另一端为自由端。在不含介电层的方案中，第二分布式摩擦层15的一端位于电极层14之上，另一端为自由端。

本实施例中，第二摆杆16上方的空心中心将该第二摆杆16分为对称的两个部分，该第二摆杆16的两个末端分别连接有质量大小不等的第二自由摆动摩擦层11和第三自由摆动摩擦层12，由于第二自由摆动摩擦层11和第三自由摆动摩擦层12的质量不等，在外界激励作用下会绕着中心轴发生往复摆动，从而沿着中心的轴结构能进行360°范围内的自由摆动。

因此，本实施例中的摆式摩擦纳米发电机的摆动形式不同于第一个实施例中的单摆或者圆锥摆的形式，本实施例中，以中心为转动轴，第二摆杆16对称的两个部分及其两端的两个自由摆动摩擦层在圆筒中摆动，由于两个自由摆动摩擦层的质量不等将使得该摆式摩擦纳米发电机在外部激励下不断摆动。

本实施例中，参照图9所示，电极层14为环绕电极层14，环绕分布于圆筒10的内表面，包括间隔设置的第一电极层141和第二电极层142，第一电极层141和第二电极层142的数量和分布间距可以根据实际需要进行适应性设置。

本实施例中，参照图9所示，第二分布式摩擦层15设置于介电层的表面，分布形式例如为对称地分布于左右两侧，在第二摆杆16在摆动过程中能够接触到的位置，个数可以根据实际需要进行设置。当然，其他分布位置只要满足能与第二摆杆16上的第二自由摆动摩擦层11和第三自由摆动摩擦层12可接触-分离，均在本公开的保护范围之内。

其他部分的设置方式，包括分布形式、结构以及材料等可参照第一个实施例的描述，根据实际需要进行适应性设置即可，这里不再赘述。

本实施例中提供了另一种摆动形式，能量采集的原理与第一个实施例的相似，这里不再赘述。

需要说明的是，以本实施例的摆式摩擦纳米发电机为基础，还可以按照第二个实施例中所示的方式结合电磁发电的方式实现能量的复合形式采集，这里也不再赘述。

第四实施例

在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种能量采集器，包含本公开提到的任一种摆式摩擦纳米发电机。

基于上述能量采集器，其电学输出为交流电，通过连接后端整流电路后再进行输出，输出为直流电，可为超级电容充电，同时也可为电子设备充电。

该能量采集器通过利用各种形式的摆动方式将外界激励转化为摆动的机械能，与自由滑动模式下的摩擦纳米发电机相结合以实现有效地机械能采集，另外还可以复合其他形式，例如电磁发电，的能量收集方式，从而实现能量的多种形式同时采集。本公开的能量采集器具有较高的能量采集效率，能够适应各种环境，具有高稳定性和高可靠性，并且能够响应任意角度的外部激励，具有广泛的应用前景。

综上所述，本公开提供了一种摆式摩擦纳米发电机及能量采集器，通过将外界激励转化为单摆、圆锥摆或者双摆等形式的摆动结构的摆动机械能，并结合自由滑动式摩擦将摆动机械能转化为电能进行输出，能够采集各个角度的能量，不局限于一维的激励形式，并且通过摆动形式的设置，能在低频作用下实现高频输出，将大部分外界激励转化为摆动能，大大提高了能量转换效率，具有较高的能量采集效率，通过设置封闭的外壳，该摆式摩擦纳米发电机能够适应各种环境，具有高稳定性和高可靠性，并且能够响应任意角度的外部激励，通过设置不同的摆动形式、在摆动结构和摩擦层上复合其他形式的发电结构，例如，将摩擦发电与电磁式发电进行复合，能够实现多种形式能量的收集，具有广泛的应用前景。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

外壳，为一封闭的壳体结构，内部具有一空腔；

一摆动结构，位于该空腔中，包含：摆杆；以及自由摆动摩擦层，与摆杆的末端刚性连接；

电极层，位于外壳的内表面上，包含间隔开的第一电极层和第二电极层；以及

分布式摩擦层，位于能与摆动结构在摆动过程中接触的范围内，与自由摆动摩擦层的材料位于不同的摩擦电序列，一端固定于电极层之上，另一端为自由端。

2.根据权利要求1所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述自由摆动摩擦层与电极层之间存在间隙；

优选的，该间隙为0.2mm-1mm；

优选的，自由摆动摩擦层和分布式摩擦层接触的表面部分或全部包括纳米或微米结构。

3.一种摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

外壳，为一封闭的壳体结构，内部具有一空腔；

一摆动结构，位于该空腔中，包含：摆杆；以及自由摆动摩擦层，与摆杆的末端刚性连接；

电极层，位于外壳的内表面上，包含间隔开的第一电极层和第二电极层；

介电层，覆盖于电极层之上；以及

分布式摩擦层，位于能与摆动结构在摆动过程中接触的范围内，与自由摆动摩擦层的材料位于不同的摩擦电序列，一端固定于介电层之上，另一端为自由端。

4.根据权利要求3所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述自由摆动摩擦层与介电层之间存在间隙；

优选的，该间隙为0.2mm-1mm；

优选的，自由摆动摩擦层和分布式摩擦层接触的表面部分或全部包括纳米或微米结构。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述自由摆动摩擦层背离分布式摩擦层的一面上设置有一磁铁，对应外壳内表面上设置有线圈，该磁铁和自由摆动摩擦层同时随着摆动结构进行摆动，实现摩擦发电与电磁式发电两种形式能量的复合收集。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摆动结构为一单摆式结构，摆杆通过一连接部连接于外壳之上，使自由摆动摩擦层及摆杆形成的摆动结构在外界激励下进行单摆或圆锥摆。

7.根据权利要求6所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述连接部的材料为柔性材料。

8.根据权利要求6或7所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述外壳为一球体，所述电极层为弧形双电极层，第一电极层和第二电极层呈现内外圈分布的形式，第一电极层为内圈电极，第二电极层为与内圈电极间隔开的外围环形电极；

优选的，自由摆动摩擦层与第一电极层的面积相等。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摆动结构为一双摆式结构，摆杆包含一空心中心，该空心中心套接于一轴结构上，在该摆杆的两个末端连接有质量大小不等的两个自由摆动摩擦层，在外界激励下两个自由摆动摩擦层绕着该轴结构进行360°范围内的自由摆动。

10.一种能量采集器，其特征在于，包含权利要求1至9中任一项所述的摆式摩擦纳米发电机。

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