CN112217414A - 一种基于微流道的摩擦纳米发电机及发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微流道的摩擦纳米发电机及发电方法，包括摩擦电极、感应电极、微流管、保护层及导电装置，各电极层从上到下依次是保护层、第一金属电极、摩擦材料层、微流管、第二金属电极、支撑平台，从两层金属电极中引出导电装置连接外部电路以获取输出电压。本发明利用阿基米德螺线状的微流道，不仅可以相对增大宏观上的摩擦接触面积，使微流管与纸片充分接触摩擦，而且利用微流管中一定流速的微流体流动，实现发电机的二次摩擦发电，进一步提高摩擦纳米发电机的发电性能。本发明制作工艺简单易实现，具有成本低廉的特点，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明属于摩擦纳米发电机技术领域，涉及一种基于微流道的摩擦纳米发电机及发电方法。
背景技术
近几十年来，全球能源危机问题日益突出，目前化石燃料资源已经无法满足人类对能源的需求。另外，化石燃料燃烧带来的环境问题也在危害着人类的健康，这些都让人们不得不去考虑新的产能方式。近年来，产能方式向多极化方向发展，不单单依靠化石能源来提供能量。太阳能、风能、潮流能、机械能发电等多种发电形式被应用于日常生活生产中。机械能是生活中比较容易获取的一种能量，它的存在形式有很多，例如物体形变、人体运动摩擦、空气流动等，这种能量是可以收集和利用的。目前，利用各种物理、化学原理汇集机械能发电的技术已然成为全球研究的热点。在这个研究热潮中，摩擦纳米发电机应运而生，并且已经被证明是一个高效的能源转化装置。
摩擦纳米发电机TENG是静电感应和摩擦生电相互作用从而发电的。其发电原理是两种具有不同摩擦电序列的材料接触后在材料表面产生极性不同的电荷，随后材料分离，在各自的金属电极上感应出相应的感应电荷形成电位差，此电势差可驱动电子在外电路中来回流动形成电流。目前，许多研究人员采用多种摩擦材料制造摩擦纳米发电机，例如纤维基摩擦纳米发电机、基于有机薄膜的摩擦纳米发电机等，也采用了多种结构来提高摩擦纳米发电机的发电性能，有用堆叠结构来增加表面粗糙度，以及纳米颗粒状结构来增加接触面积等。然而，高昂的材料成本与复杂的制作工艺制约了摩擦纳米发电机的发展。
所谓微流体，顾名思义，就是尺寸范围在微米级别的流体，它具有低雷诺数、始终是层流状态、流动经历时间短等特点，另外还有区别于宏观流体的尺度效应。
此项技术将微流体与摩擦纳米发电机结合起来，提出了基于螺旋结构微流道的摩擦纳米发电机，利用PPC材料的微流管与白纸摩擦、以及微流管内部流体的摩擦改变摩擦材料表面的电荷数从而提高发电机输出性能。经过实验检测和软件仿真分析，该发电机可以输出五六十伏的开路电压，并且流体流速越快，输出电压越大。此项技术从一个新的角度来提高摩擦纳米发电机发电性能，给之后发电性能提升方面的研究拓展了一个全新的方向。
现有提高摩擦纳米发电机发电性能技术其中包括基于纳米线/棒阵列结构的摩擦纳米发电机，此项技术极大提高了材料比表面积，增大接触摩擦面积从而提高摩擦纳米发电机发电性能。现有纳米线/棒阵列制备是利用氧化物制备纳米线/棒阵列
主要实现方案是在基底表面通过反应生长氧化物制备纳米线/棒阵列，通过控制反应条件调控纳米线/棒阵列的形貌。如Lin等研究者在钛箔表面生长了平均粒径约为67.2nm、厚度为4.2μm 的氧化钛纳米线阵列。利用氧化钛对儿茶素的选择性制备了自供能的纳米传感器，Yeong等研究者在ITO/PET上生长了垂直于基底的氧化锌纳米棒阵列，并利用氧化锌纳米棒阵列对入射光的增透性制备了透明的TENG器件。该技术具有以下缺陷：直接利用氧化物纳米线/棒阵列作为摩擦材料的器件虽然输出电压及电流都得到了一定的提高，但是由于氧化物本身的摩擦性能不好，使得整个器件并不具有很高的输出功率；表面修饰的纳米线/棒自身的柔性或延展性、以及其与基体间存在的界面问题会导致器件耐磨性差，从而影响器件的稳定性；制备氧化物阵列成本高，制作工艺复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种基于微流道的摩擦纳米发电机及发电方法，利用阿基米德螺线状的微流管，不仅可以相对增大宏观上的摩擦接触面积，使微流管与纸片充分接触摩擦，而且利用微流管中一定流速的微流体流动，实现发电机的二次摩擦发电，进一步提高摩擦纳米发电机的发电性能。本发明制作工艺简单易实现，制作摩擦纳米发电机的材料价格低廉，制作成本低，可以解决目前所存在的发电机制作工艺复杂，成本高的问题，并且具有相对较高的输出电压。
其具体技术方案为：
一种基于微流道的摩擦纳米发电机，包括摩擦电极、感应电极、微流管、保护层部分及导电装置，各电极层从上到下依次是保护层、第一金属电极、摩擦材料层、微流管、第二金属电极、支撑平台，从两层金属电极中引出导电装置连接外部电路以获取输出电压，保护层的目的是防止激振器剧烈震荡导致微流管的形变和装置的损坏，另外也可以起到绝缘的作用，不造成感应电荷的流失。
进一步，所述感应电极，采用圆形导电铜箔，导电铜箔的薄层电阻在50微米薄层厚度时为0.01Ω/sq。
进一步，所述摩擦材料层的摩擦材料是普通的A4白纸。
进一步，所述微流管内径为0.5mm，外径0.9mm。
进一步，所述保护层是一个厚度为1cm半径为 3cm泡沫塑料材质的圆盘，起到绝缘和保护装置的作用。
进一步，所述导电装置为细导线，连接外部电路测出输出电压。
进一步，所述微流管内部流体选用非离子型流体明矾，分别以不同的流速通过微流管。
进一步，所述支撑平台是一个空心的圆形平台，依靠3D打印实现，所用材料是PA，起到一定的绝缘作用。
进一步，所述微流管由 PPC 材料制成，具有良好的吸电子能力。
进一步，所述微流管的结构采用阿基米德螺线型结构，以微流管的一端为起点，反复旋绕直至形成一个半径为 3cm的圆盘，微流管的两端作为内部流体的入口与出口。
一种基于微流道的摩擦纳米发电机的发电方法，包括以下步骤：
1）按照要求选用材料制作摩擦纳米发电机；
2）利用激振器产生外部振动，设置一定的振动频率和振幅，使位于激振器一端的纸质材料层与下方的PPC材料的微流管周期性接触与分离；
3）在两层导电电极上外接导电装置连接外部储能装置或电路，如示波器；
4）启动激振器产生外部振动，纸质材料层与PPC材料层相互接触，在两种材料层表面产生极性不同的电荷，在对应的金属电极上感应出相应的感应电荷，随后两种材料层相互分离，两金属电极形成感应电势差驱动电子定向移动，此电势差可在外部电路中产生一定大小的电流；
5）启动激振器振动的同时向微流管内注入一定流速的明矾，注入过程中始终保持匀速，此时流体与PPC 材料的微流管内壁二次摩擦发电，两个材料层表面产生更多的摩擦电荷，对应金属电极上的感应电荷也随之增加从而能够输出更大的电压。
6）微流管内部流体速度的快慢决定了二次摩擦产生的摩擦电荷数量，直接决定了摩擦纳米发电机能够产生的输出电压大小，两者成正比。
有益效果：
1）制作工艺简单，采用阿基米德螺线型结构增大宏观摩擦面积，不需要太复杂的加工工艺
2）制作摩擦纳米发电机材料价格低廉，PPC材料环保可降解
3）通过微流体二次摩擦发电的手段提高摩擦纳米发电机的发电性能，为之后探究如何提高摩擦纳米发电机发电性能提供了一种新的考虑方向
4）具有很高的可靠性，多次振动后电学性能依旧稳定。
附图说明
图1是基于微流道的摩擦纳米发电机结构示意图；
图2是微流管结构图；
图3是支撑平台三维结构及部分剖视图；
图4是基于微流道的摩擦纳米发电机发电原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
基于螺旋型微流道的摩擦纳米发电机，其主要结构包括摩擦电极、感应电极、微流管、保护层及导电装置等，发电的实现方式是通过激振器产生外部振动使得摩擦电序列不同的两种材料周期性接触摩擦，从而产生电压和电流。
摩擦纳米发电机整体结构示意图如图1所示，各电极层从上到下依次是保护层1、第一金属电极2、摩擦材料层3、微流管4、第二金属电极5、支撑微流管的平台6，从两层铜电极中引出导电装置7连接外部电路以获取输出电压，保护层的目的是防止激振器剧烈震荡导致微流管的形变及整个装置的损坏，另外也有绝缘的效果，不会造成感应电荷的流失。
所述感应电极，采用圆形导电铜箔，导电铜箔的薄层电阻在50微米薄层厚度时为0.01Ω/sq
所述摩擦材料层的摩擦材料是普通的A4白纸。
所述微流管内径为0.5mm，外径0.9mm，由 PPC 材料制成，结构采用阿基米德螺线型，微流管结构如图2所示。
所述保护层是一个厚度为1cm,半径为3cm泡沫塑料材质的圆盘，起到绝缘和保护装置的作用
所述导电装置为细导线，连接外部电路以测出输出电压
所述微流体选用非离子型流体明矾，分别以不同的流速通过微流道
所述支撑平台是一个空心的圆形平台，结构如图3所示，其中平台中两个小孔8用来引出微流管的入口和出口，直径为2mm，整个平台依靠3D打印实现，所用材料是PA，起到一定的绝缘作用。
如图4所示，本发明还提供了一种基于螺旋型微流道的摩擦纳米发电机发电方法，具体包括以下几个步骤：
1）按照要求选用两种摩擦材料制作摩擦纳米发电机；
2）利用激振器产生外部振动，设置一定的振动频率和振幅，使位于激振器一端的纸质材料层与下方PPC材料制成的微流管周期性接触与分离；
3）在两层导电电极上外接导线连接外部储能装置或电路，如示波器等；
4）启动激振器产生外部振动，纸质材料层与PPC材料层相互接触，在两种材料层表面产生极性不同的电荷，在对应的金属电极上感应出相应的感应电荷，随后两种材料层相互分离，两金属电极形成感应电势差驱动电子定向移动，此电势差可在外部电路中产生一定大小的电流；
5）启动激振器振动的同时向微流道内注入一定流速的明矾，注入过程始终保持匀速，此时微流体与PPC材料制成的微流管内壁发生二次摩擦发电，两种材料层表面产生更多的摩擦电荷，对应的金属电极上的感应电荷也随之增加从而输出更大的电压。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于微流道的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括摩擦电极、感应电极、微流管、保护层及导电装置，各电极层从上到下依次是保护层、第一金属电极、摩擦材料层、微流管、第二金属电极、支撑平台，从两层铜电极中引出导电装置连接外部电路以获取输出电压。
2.根据权利要求1所述的基于微流道的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述感应电极，采用圆形导电铜箔，导电铜箔的薄层电阻在50微米薄层厚度时为0.01Ω/sq。
3.根据权利要求1所述的基于微流道的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦材料层的材料是普通的A4白纸。
4.根据权利要求1所述的基于微流道的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述微流管内径为0.5mm，外径0.9mm，其材质是PPC材料，结构采用阿基米德螺线型，以微流管一端为起点，反复旋绕直至形成一个半径为 3cm的圆盘，微流管的两端作为内部流体的入口与出口。
5.根据权利要求1所述的基于微流道的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述保护层是一个厚度为1cm、半径为 3cm、泡沫塑料材质的圆盘，起到绝缘和保护装置的作用。
6.根据权利要求1所述的基于微流道的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述导电装置为细导线，连接摩擦纳米发电机和外部电路。
7.根据权利要求1所述的基于微流道的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述微流管内部流体选用非离子型流体明矾，分别以不同的流速通过微流管。
8.根据权利要求1所述的基于微流道的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述支撑平台是一个空心的圆形平台，其中平台中两个小孔用来引出微流管的入口和出口，直径为2mm，整个平台3D打印制成，打印所用材料是PA。
9.一种基于微流道的摩擦纳米发电机的发电方法，其特征在于，包括以下步骤：
1） 按照要求选用材料制作摩擦纳米发电机；
2） 利用激振器产生外部振动，设置一定的振动频率和振幅，使位于激振器一端的纸质材料层与下方PPC材料的微流管周期性接触分离；
3） 在两层导电电极上外接导线连接外部储能装置或电路；
4） 启动激振器产生外部振动，纸质材料层与PPC材料的微流管相互接触，在两种材料层表面产生极性不同的电荷，在对应的金属电极上感应出相应的感应电荷，随后两种材料层相互分离，两金属电极形成感应电势差驱动电子定向移动，此电势差在外部电路中产生一定大小的电流；
5） 启动激振器振动的同时向微流道内注入一定流速的明矾，注入过程始终保持匀速，此时微流体与PPC材料所制成的微流管内壁发生二次摩擦发电，两种材料层表面产生更多的摩擦电荷，对应金属电极上的感应电荷也随之增加从而输出更大的电压。
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2020
- 2020-09-10 CN CN202010945439.7A patent/CN112217414A/zh active Pending
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