CN112019084A - 一种基于3d打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机，在风力扇叶的驱动下，通过中心转轴带动转子转动，转子上各拨齿与筒形基座内侧壁上圆周阵列式发电活动板交替同步挤压，致使圆周阵列式发电活动板与圆周阵列式发电固定板不断接触分离实现第一摩擦单元与第二摩擦单元不断同步接触分离进而实现摩擦发电。采用优化的结构设计助力提升TENG输出特性和结构稳定性，同时借助3D打印技术实现个性化机械结构的设计及加工，有效解决了目前摩擦纳米发电机个性格程度不高，受限于传统加工工艺及加工时间长，成本较高等问题。
Description
技术领域
本发明属于摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机。
背景技术
摩擦纳米发电技术作为一种典型的能量转换技术，自2012年王中林科研团队发明摩擦纳米发电机以来，可用于收集我们日常生活中可用的各种形式的机械能，如人体运动、振动、机械触发、旋转机械能、风、行驶中的汽车、雨滴、海洋波浪等形式的能量并且能够转化为电能，而且巧妙地应用在人工智能传感、环境监测、柔性可穿戴设备供电、电化学有机污染物处理、合成氨等领域。对面向未来的分布式、便携式、自驱动式能量源提出了建设性的思路，对于未来能源结构的调整，具有非常大的战略意义。
近几年，科研工作者们设计和制作出了具有各式各样个性化结构的摩擦纳米发电机用于收集不同形式的机械能，然而受限于传统加工工艺带来的结构自由制作的束缚，个性化程度较高的TENG结构在制作时仍有难度，而且传统的加工工艺制作成本高昂，耗时耗力，面对发展势头正迅猛的TENG自驱动系统，寻求TENG结构自由设计程度高且具有优化的机械结构及较高的输出特性，同时又便于批量化加工制作的方法来助推TENG自驱动系统的应用化发展进程显得尤为重要。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机，其采用优化的结构设计助力提升TENG输出特性和结构稳定性，同时借助3D打印技术实现个性化机械结构的设计及加工，一定程度上有效解决了目前摩擦纳米发电机个性格程度不高，受限于传统加工工艺及加工时间长，成本较高等问题。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机，其特征在于包括支撑底板及设置于支撑底板上且相互连接传动的风力扇叶机构和摩擦发电机构，风力扇叶机构中扇叶固定于中心转轴的一端，中心转轴通过轴承固定于扇叶固定架上，扇叶固定架通过螺栓组件固定于支撑底板上，中心转轴另一端贯穿摩擦发电机构的轴心位置且摩擦发电机构两侧的中心转轴分别通过轴承及轴承支架固定于转子固定架上，转子固定架分别通过螺栓组件固定于支撑底板上；摩擦发电机构中筒形基座通过螺栓组件固定于支撑底板上，筒形基座内侧壁上沿圆周方向均布有多组倾斜设置的圆周阵列式发电固定板，邻近发电固定板与筒形基座连接处的发电固定板上通过弧形弹性连接片固定有与发电固定板相对设置的发电活动板，发电活动板与发电固定板的相对侧分别设有第一摩擦单元和第二摩擦单元，各第一摩擦单元与第二摩擦单元分别并联连接，筒形基座内部的设有与筒形基座同心装配的转子，该转子与中心转轴通过键连接传动，转子上设有与筒形基座内侧壁上圆周阵列式发电活动板交替同步挤压的拨齿，摩擦纳米发电机在风力扇叶的驱动下，通过中心转轴带动转子转动，转子上各拨齿与筒形基座内侧壁上圆周阵列式发电活动板交替同步挤压，致使圆周阵列式发电活动板与圆周阵列式发电固定板不断接触分离实现第一摩擦单元与第二摩擦单元不断同步接触分离进而实现摩擦发电。
进一步优选，所述第一摩擦单元包括第一摩擦层和金属背电极层，第一摩擦层紧密贴附在第一金属背电极层上，第一金属背电极层通过海绵缓冲层贴附于发电活动板上；第二摩擦单元包括第二摩擦层和第二金属背电极层，第二摩擦层紧密贴附在第二金属背电极层上，第二金属背电极层通过海绵缓冲层贴附于发电固定板上，第一摩擦层和第二摩擦层均为绝缘有机薄膜材料且两种材料的介电常数相差较大，第一金属背电极层与第二金属背电极层均为导电性较好的金属材料，当第一摩擦层采用金属薄膜时，直接使用第一金属背电极充当第一摩擦层。
进一步优选，所述第一摩擦层的材质为电阻率较小的铝、铜、金、银或任意比例的合金；第二摩擦层的材质为介电常数较高的聚四氟乙烯薄膜材料，第一摩擦层和第二摩擦层的厚度均为50μm-1mm。
进一步优选，所述第二摩擦层进行电荷注入预处理，优选高压电晕极化处理，用于提升第二摩擦层表面电荷密度，所述海绵缓冲层的厚度为1mm。
本发明所述的基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机，在风力扇叶驱动下，发电活动板在转子各拨齿压力和自身结构的机械回弹应力作用下可带动第一摩擦层与第二摩擦层交替同步接触与分离来进行摩擦发电，进而实现将风能转化为电能。发电的基本原理是基于摩擦起电效应和静电感应效应的耦合作用，当第一摩擦层与第二摩擦层完全充分接触时，由于接触起电效应，第一摩擦层与第二摩擦层对电荷束缚能力不同而在表面分别带有等量且相反的电荷；当第一摩擦层与第二摩擦层在自身弹力作用下开始分离时，两背电极之间由于存在电势差而产生电子流动，形成电流；当第一摩擦层与第二摩擦层完全分离，两背电极达到新的电势平衡，不再产生电流；当第一摩擦层与第二摩擦层再次开始接触时，两背电极之间形成新的反向电势差，为了达到新的电势平衡，产生反向的电流。
本发明所述的基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机中第二摩擦层均经过高压电晕放电处理，以提高该第二摩擦层的电荷密度；第一摩擦单元与第二摩擦单元中均添加有海绵缓冲层，以提高数据输出稳定性；所述的发电活动板及发电固定板和转子拨齿部分均采用圆周阵列式分布结构，借助3D打印技术实现精密加工，以保证各第一摩擦层和第二摩擦层均能严格同步发生交替接触或分离，进而提高输出特性和输出稳定性；所述的多接触层摩擦纳米发电机可以在不同风速环境下进行不同频率的接触或分离运动，应用性较强。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明的基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机具有结构新颖、制作简单便捷、输出功率大、并且输出电压和电流在一定程度上可以调节控制等优点，这种基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机对风能、水流势能以及其它可以将动能转化为圆周运动的能量进行有效收集，应用范围广。
本发明提供的基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机的优势在于：
1、通过对圆周阵列式发电活动板和圆周阵列式转子拨齿配合，使各第一摩擦层和第二摩擦层均能严格同步地进行接触或分离，进而提升摩擦纳米发电机的输出特性和稳定性；
2、所述基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机中零部件采用快速成型的3打印技术制作，加工精度高、数字化模式生产、便于批量化加工制作。
附图说明
图1是本发明的工作原理说明示意图；
图2是本发明的结构爆炸展示图；
图3是.本发明的装配完成整体结构展示图；
图4是本发明的短路电流图；
图5是本发明的电压波形曲线图。
图中：1-支撑底板，2-筒形基座，3-螺栓组件，4-转子固定架，5-扇叶固定架，6-扇叶，7-中心转轴，8-轴承，9-轴承支架，10-转子，11-海绵缓冲层，12-第一摩擦层，13-第二摩擦层。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚、完整地描述。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”是指示图中的方向；“填充度”定义为接触和分离过程中形成的面积。
本发明所述的基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机包括转子、筒形基座、风力扇叶机构以及一些连接紧固件，这些零部件除连接紧固件外均由快速成型的3D打印机技术加工制作而成。内部转子机构包含六个圆周阵列式分布的拨齿，固定该转子的中心转轴需要经过筒形基座两侧的转子固定架及轴承和轴承支架进行中心固定，转子中心通过键槽与中心转轴通过键配合连接以实现转子与中心转轴的同步圆周运动。筒形基座通过螺栓组件固定在支撑底板上且该筒形基座与转子同心装配，发电活动板巧妙地利用薄壁弯曲材料的机械应力设计，使得当转子上的各拨齿将发电活动板按压下去之后可以迅速在外力撤回时由于机械应力作用回弹，进而不断实现发电活动板的交替压缩和回弹，发电活动板和发电固定板均呈圆周阵列式分布，配合转子可以实现多个发电活动板第一摩擦单元与发电固定板第二摩擦单元的同步交替接触与分离。发电活动板与发电固定板之间空隙为TENG提供摩擦层材料和电极的放置空间，第一金属背电极层与海绵缓冲层充当第一摩擦单元，面向发电固定板贴附在发电活动板上；海绵缓冲层、第二金属背电极和有机薄膜层充当的第二摩擦层构成第二摩擦单元黏附在面对发电活动板的发电固定板上。第一摩擦单元与第二摩擦单元相对设置，当发电活动板被转子的圆周运动带动而不断压缩和回弹时，结构的精确设计和装配使得第一摩擦单元中的第一摩擦层与第二摩擦单元中的第二摩擦层能够同步交替充分接触与分离。风力扇叶机构通过轴承、扇叶固定架、中心转轴等部件进行固定和装配而成，与筒形基座和转子同心配合，在风力驱动下能够通过中心转轴驱动TENG工作。
如图1所示，展示了基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机的基本运动原理，筒形基座2内侧壁上包含六个发电活动板和对应的六个发电固定板，发电活动板上先贴附有海绵缓冲层11，再在海绵缓冲层11上贴附有第一摩擦层12（此处用金属箔，既充当第一摩擦层又充当第一金属背电极层），发电活动板对应的发电固定板上先贴附有一层海绵缓冲层11，再贴附一层第二金属背电极层（材质与第一摩擦层相同，可以选用第一摩擦层12充当第二金属背电极层），第二金属背电极层上方再贴附一层介电薄膜（聚四氟乙烯薄膜）充当第二摩擦层13，其中第二摩擦层13经过高压电晕放电处理。
如图2所示，一种基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机，包括支撑底板1及设置于支撑底板1上且相互连接传动的风力扇叶机构和摩擦发电机构，风力扇叶机构中扇叶6固定于中心转轴7的一端，中心转轴7通过轴承8固定于扇叶固定架5上，扇叶固定架5通过螺栓组件3固定于支撑底板1上，中心转轴7另一端贯穿摩擦发电机构的轴心位置且摩擦发电机构两侧的中心转轴7分别通过轴承8及轴承支架9固定于转子固定架4上，转子固定架4分别通过螺栓组件3固定于支撑底板1上；摩擦发电机构中筒形基座2通过螺栓组件3固定于支撑底板1上，筒形基座2内侧壁上沿圆周方向均布有多组倾斜设置的圆周阵列式发电固定板，邻近发电固定板与筒形基座2连接处的发电固定板上通过弧形弹性连接片固定有与发电固定板相对设置的发电活动板，发电活动板与发电固定板的相对侧分别设有第一摩擦单元和第二摩擦单元，各第一摩擦单元与第二摩擦单元分别并联连接，筒形基座2内部的设有与筒形基座2同心装配的转子10，该转子10与中心转轴7通过键连接传动，转子10上设有与筒形基座2内侧壁上圆周阵列式发电活动板交替同步挤压的拨齿，摩擦纳米发电机在风力扇叶6的驱动下，通过中心转轴7带动转子10转动，转子10上各拨齿与筒形基座2内侧壁上圆周阵列式发电活动板交替同步挤压，致使圆周阵列式发电活动板与圆周阵列式发电固定板不断接触分离实现第一摩擦单元与第二摩擦单元不断同步接触分离进而实现摩擦发电。
如图3中所示，为所述基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机的装配完成整体结构图。本发明所述的多接触层摩擦纳米发电机，结构制作均采用3D打印技术，材料优选PLA和ABS线性材料。所述的摩擦纳米发电机工作的原理是通过扇叶收集周围环境中的风能，转化为中心转轴的圆周运动，进而通过中心转轴带动转子压缩发电活动板，发电活动板带动贴附在其上的第一摩擦层与对应面发电固定板上的第二摩擦层同步接触，当转子对发电活动板的压力撤销时，发电活动板由于巧妙设计的弯曲部分（弧形弹性连接片）在材料应力作用下发生回弹，带动发动活动板的第一摩擦层与发动固定板的第二摩擦层同步分离。第一摩擦层与第二摩擦层的同步接触与分离，由于摩擦起电效应和静电感应效应，两背电极之间有交流电信号输出。
如图4和5所示的多接触层摩擦纳米发电机的最大短路电流与开路电压分别为0.9mA和1000V。该多接触层摆动式摩擦纳米发电机工作时可同时驱动60个LED灯发光。
本发明所述的基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机，巧妙的设计可以实现对周围环境中风能的收集转化为电能，并且具有结构稳定性好、成本低、输出电压和电流高、数字化3D打印制作便于批量化制作等优势，并且充分利用了硬性PLA材料的机械应力和机械结构件的传动关系，也为TENG的设计制作提供了新思路。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (4)
1.一种基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机，其特征在于包括支撑底板及设置于支撑底板上且相互连接传动的风力扇叶机构和摩擦发电机构，风力扇叶机构中扇叶固定于中心转轴的一端，中心转轴通过轴承固定于扇叶固定架上，扇叶固定架通过螺栓组件固定于支撑底板上，中心转轴另一端贯穿摩擦发电机构的轴心位置且摩擦发电机构两侧的中心转轴分别通过轴承及轴承支架固定于转子固定架上，转子固定架分别通过螺栓组件固定于支撑底板上；摩擦发电机构中筒形基座通过螺栓组件固定于支撑底板上，筒形基座内侧壁上沿圆周方向均布有多组倾斜设置的圆周阵列式发电固定板，邻近发电固定板与筒形基座连接处的发电固定板上通过弧形弹性连接片固定有与发电固定板相对设置的发电活动板，发电活动板与发电固定板的相对侧分别设有第一摩擦单元和第二摩擦单元，各第一摩擦单元与第二摩擦单元分别并联连接，筒形基座内部的设有与筒形基座同心装配的转子，该转子与中心转轴通过键连接传动，转子上设有与筒形基座内侧壁上圆周阵列式发电活动板交替同步挤压的拨齿，摩擦纳米发电机在风力扇叶的驱动下，通过中心转轴带动转子转动，转子上各拨齿与筒形基座内侧壁上圆周阵列式发电活动板交替同步挤压，致使圆周阵列式发电活动板与圆周阵列式发电固定板不断接触分离实现第一摩擦单元与第二摩擦单元不断同步接触分离进而实现摩擦发电。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦单元包括第一摩擦层和金属背电极层，第一摩擦层紧密贴附在第一金属背电极层上，第一金属背电极层通过海绵缓冲层贴附于发电活动板上；第二摩擦单元包括第二摩擦层和第二金属背电极层，第二摩擦层紧密贴附在第二金属背电极层上，第二金属背电极层通过海绵缓冲层贴附于发电固定板上，第一摩擦层和第二摩擦层均为绝缘有机薄膜材料且两种材料的介电常数相差较大，第一金属背电极层与第二金属背电极层均为导电性较好的金属材料，当第一摩擦层采用金属薄膜时，直接使用第一金属背电极充当第一摩擦层。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦层的材质为电阻率较小的铝、铜、金、银或任意比例的合金；第二摩擦层的材质为介电常数较高的聚四氟乙烯薄膜材料，第一摩擦层和第二摩擦层的厚度均为50μm-1mm。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制作的多接触层摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第二摩擦层进行电荷注入预处理，优选高压电晕极化处理，用于提升第二摩擦层表面电荷密度，所述海绵缓冲层的厚度为1mm。
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