CN113241964A - 一种3d打印的多层联动式摩擦纳米发电机 - Google Patents
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- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
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Abstract
本发明公开了一种3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机，包括上下设置的上连接板和下连接板及铰接连接上连接板和下连接板的多个基底连接杆，多个基底连接杆的顶端高度呈阶梯状逐个排布且在每个基底连接杆的顶端分别垂直连接有摩擦基底，相邻的摩擦基底相互搭接配合，摩擦基底的两侧分别设有摩擦电荷相反的第一摩擦单元和第二摩擦单元，上连接板和下连接板的外端分别设有上拉环和下拉环。本发明的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机具有结构简单、电能转换效率高、输出功率较大、并且输出电压和电流在一定程度上可以调节控制等优点，应用范围广。
Description
技术领域
本发明属于摩擦发电装置技术领域，具体涉及一种3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机。
背景技术
摩擦纳米发电机是2012年由王中林院士及其团队所发明，因为其可以将机械能转化为电能的独特技术而引起了科技界重大的关注。日常生活中自然界存在的风能、重力势能、潮汐能以及人体运动的机械能等，均可以通过摩擦纳米发电机转化为供人类社会使用的电能，且通过摩擦纳米发电机转化而成的电能最高可达几千伏特的开路电压以及毫安级别的短路电流。经变压器和整流桥转化后，可以实现几十伏特的电压与十几毫安的电流，可以对部分电子器件以及LED小灯泡进行直接点亮。此外，摩擦纳米发电机同样因为其结构简单、制作成本低、转化效率高以及绿色无污染等特点而广受欢迎。
生活中，人们对电子器件的要求不断提升，不仅是对功能的需求，对设备大小的要求也在不断提高。因此，各种电子器件的进步趋势在朝向功能性高、体积小、分散性广的方向发展，这就会导致器件大量使用电池。电池电能的来源主要是火力发电，即燃烧大量的化石能源获取电能，当电池消耗殆尽后，废弃的电池会大大加重环境的负荷。所以，找到一种环保的方式为可移动便携式电子器件充电是迫在眉睫的，同样也是解决能源短缺和环境污染的途径之一。摩擦纳米发电机作为一种清洁便携式发电装置，在发电过程中不会对环境产生污染，并且可以实现多种场景为电子设备充电。
摩擦纳米发电机在能量转化方面还有较大的提升空间，多数摩擦纳米发电机的输出电流都很微小，基本上保持在微安级别的水平，对于大部分器件来说，如果希望摩擦纳米发电机可以驱动多数器件，必须提高其输出电流，以保证满足多数负载的要求。目前为止，了解到的关于提升摩擦纳米发电机输出性能的方式主要有三种：材料选择、结构改善、环境影响。在材料选择和环境影响方面的改善效果并不明显，因此，为了大幅度提升摩擦纳米发电机的输出性能，需要在结构方面进行显著改变，主要采取的方式就是提升摩擦层的接触面积。摩擦纳米发电机的制作流程较为繁琐，因此，将3D打印技术引入摩擦纳米发电机的制备中可以提升其制作的便捷性和自由度。
发明内容
为了提升摩擦纳米发电机的输出性能，本发明提供了一种结构设计合理且运行方式简单的基于3D打印技术的多层联动式摩擦纳米发电机，以此来解决摩擦纳米发电机在输出性能小等方面的问题。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机，其特征在于包括上下设置的上连接板和下连接板及铰接连接上连接板和下连接板的多个基底连接杆，多个基底连接杆的顶端高度呈阶梯状逐个排布且在每个基底连接杆的顶端分别垂直连接有摩擦基底，相邻的摩擦基底相互搭接配合，摩擦基底的两侧分别设有摩擦电荷相反的第一摩擦单元和第二摩擦单元，上连接板和下连接板的外端分别设有上拉环和下拉环，用于通过双手推拉上拉环和下拉环使上连接板和下连接板进行相对错位的横向移动，通过摩擦基底带动第一摩擦单元和第二摩擦单元进行同步接触分离运动，进而产生摩擦电荷。
进一步限定，所述第一摩擦单元包括覆盖于摩擦基底一侧的金属箔导电层及覆盖于金属箔导电层上的第一摩擦层，第二摩擦单元包括覆盖于摩擦基底另一侧的金属箔导电层及覆盖于金属箔导电层上的第二摩擦层，多个第一摩擦单元中的金属箔导电层并联连接，多个第二摩擦单元中的金属箔导电层并联连接。
进一步限定，所述第一摩擦层为绝缘材料，选自聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚对二甲苯薄膜，所述第一摩擦层的材料为聚酰亚胺、尼龙薄膜或金属电极板，所述金属箔导电层为铜、铝或铜铝合金。
进一步限定，所述第二摩擦单元中第二摩擦层为金属导电层时，金属箔导电层直接用作第二摩擦层。
进一步限定，所述第一摩擦层进行电荷注入预处理。
进一步限定，选择使用3D打印技术制作的直线排列式的平面长板状模型作为摩擦基底，使用的材料为坚硬的PLA材料，平面长板状摩擦基底的尺寸为90mm×140mm；金属箔导电层材质为Cu，尺寸为90mm×120mm，厚度为50μm～1mm，选择使用3D打印技术制作拉环驱动的可移动式上、下连接板驱动摩擦单元运动，驱动摩擦单元周期性接触分离，上、下连接板使用的材质为PLA材料。
本发明所述的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机首先在任何频率条件下的拉伸外力作用中，通过往复拉伸机构使得相应排列的第一摩擦层和第二摩擦层能同时同步相互接触和分离，摩擦层上产生大量摩擦静电荷（负电荷），电极板上产生等量的相反电荷。实现第一摩擦层与第二摩擦层同步接触分离，第一摩擦层与第二摩擦层接触摩擦起电，第一摩擦层与第二摩擦层的接触面分别带符号相反的表面电荷，当两个接触面在外力作用下相分离时，两个电极之间会形成感应电势差，通过负载连接两个电极，电子会通过负载从一个电极流向另一个电极，致使相互接触分离的第一摩擦层与第二摩擦层间电势呈周期性变化，驱动电子流向外电路产生交流电。所述第一摩擦层均经高压设备进行高压5kV的电荷预注入极化处理，提高单位面积电荷密度，进而提高电流输出。
本发明的有益效果是：本发明的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机具有结构简单、电能转换效率高、输出功率较大、并且输出电压和电流在一定程度上可以调节控制等优点，应用范围广。
本发明提供的3D打印的多接触层联动式摩擦纳米发电机的优势在于：
（1）3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机具有结构简单、成本低廉、经久耐用、输出电压高等优点，同时这种独特的拉伸式摆动结构使各摩擦层能严格同步地进行接触或分离，极大提高了摩擦纳米发电机的输出电流和输出稳定性，所述3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机在结构设计上有效利用了空间，提高了摩擦纳米发电机空间利用率。
（2）所述发明中3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机经过电荷预注入处理，使得所述3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机具有较高且稳定的输出特性，优于其它类似摩擦纳米发电机的输出性能；并且3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机结构一体化程度高，材料最大化利用，整体稳定性高；配合3D打印技术，使得所述摩擦纳米发电机具有制作简单、成本较低等优势，有利于推广应用。
（3）所述3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机具有独特的拉伸式摆动结构，可以任意地改变所述摩擦发电机的摩擦层数量，调整输出性能使得该摩擦纳米发电机可以收集更多形式的机械能，极大地提高了摩擦纳米发电机的应用范围。
附图说明
图1是本发明3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机基底接触时的装配示意图；
图2是本发明3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机基底分离时的装配示意图；
图3是本发明3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机的爆炸图；
图4是本发明3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机的短路电流；
图5是本发明3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机的电压波形曲线。
图中：1-下拉环，2-下连接板，3-上拉环，4-上连接板，5-基底连接杆，6-摩擦基底。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
如图1-3所示，一种3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机，包括上下设置的上连接板4和下连接板2及铰接连接上连接板4和下连接板2的多个基底连接杆5，多个基底连接杆5的顶端高度呈阶梯状逐个排布且在每个基底连接杆5的顶端分别垂直连接有摩擦基底6，相邻的摩擦基底6相互搭接配合，摩擦基底6的两侧分别设有摩擦电荷相反的第一摩擦单元和第二摩擦单元，上连接板4和下连接板2的外端分别设有上拉环3和下拉环1，用于通过双手推拉上拉环3和下拉环1使上连接板4和下连接板2进行相对错位的横向移动，通过摩擦基底6带动第一摩擦单元和第二摩擦单元进行同步接触分离运动，进而产生摩擦电荷。
本发明所述的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机具体包括五个第一摩擦单元、五个第二摩擦单元，一对上下设置的运动连接板，此装置是保证多个摩擦单元进行同步接触分离运动的关键。其中，摩擦单元包含摩擦基底，通过塑料涨塞和螺丝将每个摩擦基底所带的结构铰接固定在下连接板和上连接板上。随后，通过塑料涨塞和螺丝将下拉环和上拉环分别对应固定在下连接板和上连接板的外端。摩擦发电模型组装完成后，通过双手推拉下拉环和上拉环使上连接板和下连接板进行相对错位的横向移动，通过摩擦基底带动第一摩擦单元和第二摩擦单元进行同步接触分离运动，进而产生摩擦电荷，且两摩擦层所带电荷量相等的相反电荷。本发明中3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机结构的特点是，能实现第一摩擦层与第二摩擦层同步接触或分离；第一摩擦单元经过电荷预注入处理可以提高摩擦层的电荷密度。这两种特点的结合使得所述3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机具有较高且稳定的输出特性，优于其它类似摩擦纳米发电机的输出性能；并且3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机结构一体化程度高，材料最大化利用，整体稳定性高。
本实施方式中，所述两个导电层由可导电的金属材料制成，采用的金属材料包括铜或铝中的一者或者两者的任意比例合金。所述两个导电层的面积相同，并通过导线输出产生的静电荷形成电流。
本实施方式中，所述摩擦材料由具有相反电负性的薄膜材料组成，第一摩擦层为绝缘材料，选自聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚对二甲苯薄膜，第一摩擦层的材料为聚酰亚胺、尼龙薄膜或金属电极板，优选为Cu电极板。所述的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机的摩擦层材质和尺寸可变，摩擦导电层的尺寸可大可小，摩擦导电层的数量也可以适当增减。
本实施方式所述的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机的工作原理为：首先在任何频率条件下的拉伸外力作用下，通过往复拉伸机构使得相对的第一摩擦层和第二摩擦层能实现同步接触和分离，摩擦层上产生大量摩擦静电荷（负电荷），电极板上产生等量的相反电荷。
第一摩擦单元与第二摩擦单元的两个电极板直接用导线连接时，即短路条件下，当带电摩擦层接触或分离的时候，电荷发生流动，形成电流。当第一摩擦单元与第二摩擦单元的两个金属电极未连接时，即开路条件下，两个摩擦层的电极板在一定时刻电势不同，形成电势差。当两个电极间连接负载时，往复运动导致电荷在两个电极间通过负载不断往复流动，从而对负载供电。
下面给出制造本实施方式所述的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机的一个优选方案，但该3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机的制造并不限制于此。
该优选方案中：选择使用基于3D打印机的增材制造技术制作的平面长板状作为基底，阵列式基底尺寸为140mm×90mm；选择面积略小于基底的导电层，导电层材质为Cu，尺寸为120mm×70mm，厚度为50μm～1mm，优选0.1mm；第一摩擦单元的摩擦层为聚四氟乙烯薄膜，第二摩擦单元的摩擦层为Cu，此处第二摩擦层与电极板均为金属，可直接用电极板充当摩擦层，摩擦层尺寸同导电层尺寸一致，覆盖程度为100%。
根据上述对3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机工作原理的说明，按上述优选方案制造的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机的摩擦单元数为5个，5个第一摩擦单元的摩擦层在运动连接板上直线排列分布；分别与5个在运动连接板上直线排列分布的第二摩擦单元的摩擦层进行同步的接触分离，各相同摩擦单元中的电极板用导线并联连接。当拉环拉伸时，则3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机的最大短路电流与开路电压分别为1.1mA和＋650V。
利用该3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机组成自驱动系统，可以进行人体机械能的收集，在该摩擦纳米发电机工作时可以同时驱动300个LED灯发光。
因此，可知本发明的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机具有结构简单、成本低廉、经久耐用、输出电压高、输出电流大和输出性能稳定等优点，同时这种独特的拉伸式摆动结构使我们可以方便地改变所述摩擦发电机的摩擦层数量，调整输出性能。本发明所述的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机的两种摩擦单元总是同时接触或分离。另外本发明所述的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机对振动频率的要求不高，可以将自然界中低频机械能转化成电能。
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 (6)
1.一种3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机，其特征在于包括上下设置的上连接板和下连接板及铰接连接上连接板和下连接板的多个基底连接杆，多个基底连接杆的顶端高度呈阶梯状逐个排布且在每个基底连接杆的顶端分别垂直连接有摩擦基底，相邻的摩擦基底相互搭接配合，摩擦基底的两侧分别设有摩擦电荷相反的第一摩擦单元和第二摩擦单元，上连接板和下连接板的外端分别设有上拉环和下拉环，用于通过双手推拉上拉环和下拉环使上连接板和下连接板进行相对错位的横向移动，通过摩擦基底带动第一摩擦单元和第二摩擦单元进行同步接触分离运动，进而产生摩擦电荷。
2.根据权利要求1所述的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦单元包括覆盖于摩擦基底一侧的金属箔导电层及覆盖于金属箔导电层上的第一摩擦层，第二摩擦单元包括覆盖于摩擦基底另一侧的金属箔导电层及覆盖于金属箔导电层上的第二摩擦层，多个第一摩擦单元中的金属箔导电层并联连接，多个第二摩擦单元中的金属箔导电层并联连接。
3.根据权利要求2所述的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦层为绝缘材料，选自聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚对二甲苯薄膜，所述第一摩擦层的材料为聚酰亚胺、尼龙薄膜或金属电极板，所述金属箔导电层为铜、铝或铜铝合金。
4.根据权利要求1所述的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第二摩擦单元中第二摩擦层为金属导电层时，金属箔导电层直接用作第二摩擦层。
5.根据权利要求2所述的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦层进行电荷注入预处理。
6.根据权利要求1所述的3D打印的多层联动式摩擦纳米发电机，其特征在于：选择使用3D打印技术制作的直线排列式的平面长板状模型作为摩擦基底，使用的材料为坚硬的PLA材料，平面长板状摩擦基底的尺寸为90mm×140mm；金属箔导电层材质为Cu，尺寸为90mm×120mm，厚度为50μm～1mm，选择使用3D打印技术制作拉环驱动的可移动式上、下连接板驱动摩擦单元运动，驱动摩擦单元周期性接触分离，上、下连接板使用的材质为PLA材料。
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