CN113315406A

CN113315406A - 旋转式摩擦纳米发电机

Info

Publication number: CN113315406A
Application number: CN202110481183.3A
Authority: CN
Inventors: 封红青; 白源; 曲学铖; 蒋东杰; 李舟
Original assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Current assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2021-08-27

Abstract

本发明提供一种旋转式摩擦纳米发电机，包括电荷补充条、介电层以及感应电极层，其中，所述感应电极层，包括围绕旋转轴设置的2N个(N为整数)电极单元，相邻的两电极单元互不导通，每隔一个电极单元互相导通，形成发电机的两个输出端；所述电荷补充条与所述感应电极层设置为相互固定不动；所述介电层与感应电极层之间隔开设定距离，可围绕所述旋转轴旋转，旋转时依次通过相邻两个电极单元的上方，并且所述介电层面向感应电极层的表面与所述电荷补充条互相摩擦。本发明的发电机采用简单的结构，可高效、长期地增强旋转式摩擦纳米发电机的输出性能。克服了现有技术和方法的效果短暂、对设备或电路有特殊需求的缺点。

Description

旋转式摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及传能量转化领域，尤其涉及一种性能提升的摩擦纳米发电机机构。

背景技术

摩擦纳米发电机是一类可有效将机械能转变为电能的能源器件，其发电的原理是摩擦起电与静电感应。旋转式摩擦纳米发电机可以将机械能转变为电能并实现高频输出，具有独特的优势。但旋转式发电机的高频旋转会使得起电层(通常为介电材料)与金属电极之间磨损严重，而如果采用起电层与金属电极之间具有一定距离的非接触式，则会由于不能充分起电而造成输出降低。

现有的方法是对起电层进行高电压极化，或者对其进行等离子体处理等表面处理的手段，使其表面携带多余电荷。但这些方法实现的输出提升，由于一次性补充的电荷很容易耗散，因此会在很短的时间内就失效。而且，这些方法通常需要特殊的设备如高电压源、等离子体发生器等。另外有一些电荷泵浦的方法，则需要复杂的电学元件和电路设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单的结构和方法，可高效、长期地增强旋转式摩擦纳米发电机的输出性能。

为了实现上述目的，本发明提供一种旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，包括电荷补充条、介电层以及感应电极层，其中，

所述感应电极层，包括围绕旋转轴设置的2N个(N为整数)电极单元，相邻的两电极单元互不导通，每隔一个电极单元互相导通，形成发电机的两个输出端；

所述电荷补充条与所述感应电极层设置为相互固定不动；

所述介电层与感应电极层之间隔开设定距离，可围绕所述旋转轴旋转，旋转时依次通过相邻两个电极单元的上方，并且所述介电层面向感应电极层的表面与所述电荷补充条互相摩擦。

优选的，所述介电层中包括1个或多个介电起电单元，优选的，介电起电单元与电极单元形状相同或者相近。

优选的，所述电荷补充条为刚性或者柔性材料，优选为柔性条状薄膜或条状毛刷样物。

优选的，所述电荷补充条的材质为介电性材料。

优选的，所述介电材料为纸、聚对苯二甲酸二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚己二酰己二胺聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、天然橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶、硅橡胶、纤维素、环氧树脂、酚醛树脂、聚乳酸、聚乙烯醇或聚乳酸聚乙醇酸共聚物。

优选的，所述设定距离为1毫米-100毫米之间。

优选的，所述电荷补充条的固定在所述介电层和感应电极层之间。

优选的，所述电荷补充条固定在所述感应电极层的两个电极单元之间。

优选的，所述感应电极层包括N对形状相同的扇形金属。

优选的，所述介电层包括均由分布的N个扇形，与所述电极单元的形状相同。

本发明的技术方案与现有技术相比，有下列优点：

本发明基于旋转式摩擦纳米发电机的典型结构：感应电极层和介电层感应起电，两层之间不直接接触，保持数毫米的间距平行旋转；本发明的关键在于，在金属电极层之间插入一个或数个由柔性介电材料构成的电荷补充条，通过底部固定的方式使该条状物处于立起的状态，其顶部可以直接接触到对面的起电层。在旋转过程中，电荷补充条与介电层发生摩擦，使得介电层可以持续获得由摩擦而产生的大量电荷，这些新产生的电荷在金属电极层中引发更多的静电感应，在外电路中输出增强的电压和电流信号。

本发明公开的摩擦纳米发电机建立了一种非常简单的结构和方法，可高效、长期地增强旋转式摩擦纳米发电机的输出性能。同时，也克服了现有技术和方法的效果短暂、对设备或电路有特殊需求的缺点。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明旋转式摩擦纳米发电机的典型的结构示意图；

图2为介电层和感应电极层的结构示意图；

图3为采用纸质电荷补充条实现输出性能提升的测试数据；

图4为采用电荷补充条的结构可实现长期稳定的输出提升测试数据；

图5各种参数变化对电荷补充条输出性能提升的影响测试数据。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。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。

本发明提供的旋转式摩擦纳米发电机的典型结构，参见图1，包括电荷补充条1、介电层2、以及感应电极层3，其中，感应电极层3包括围绕旋转轴5设置的2N个(N为整数)电极单元，相邻的两电极单元互不导通，每隔一个电极单元互相导通，形成发电机的两个输出端；电荷补充条1与感应电极层3设置为相互固定不动；介电层2与感应电极层之间隔开设定距离，可围绕旋转轴5旋转，旋转时依次通过相邻两个电极单元的上方，并且介电层2面向感应电极层的表面与电荷补充条1互相摩擦。

感应电极层3和介电层2可以分别设置在衬底4上，随着两个衬底的相对转动互相转动。例如电荷补充条1与感应电极层3设置在同一个盘状衬底上。

介电层中可以包括1个或多个介电起电单元，优选的，介电起电单元与电极单元形状相同或者相近。

感应电极层3的材料可以为任意导电材料，优选为金属电极层。参见图2，金属电极层可以是一片圆形金属被切割为N对形状相同的扇形，这些扇形相邻的两片互不导通，但每隔一片则是互相导通的。材料可以为金属，包括但不限于铜、铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、镁、锌、镓、锗、钼、钌、铑、钯、银、镉、铟、锡、铂、金等。

介电层2的介电材料起电层可以是与金属电极相对应的均匀分布的N个扇形(即介电起电单元)。材质为为介电性材料，包括但不限于聚四氟乙烯(PTFE)，聚对苯二甲酸二醇酯(PET)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚酰亚胺(Kapton)，聚碳酸酯(PC),聚酰胺(PA)，聚己二酰己二胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、天然橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶、硅橡胶、纤维素、环氧树脂、酚醛树脂、聚乳酸、聚乙烯醇、聚乳酸聚乙醇酸共聚物等。

电荷补充条1可以为刚性或者柔性的条状薄膜或条状毛刷样物。电荷补充条的材质为介电性材料，包括但不限于聚对苯二甲酸二醇酯(PET)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚酰亚胺(Kapton)，聚四氟乙烯(PTFE)，聚碳酸酯(PC),聚酰胺(PA)，聚己二酰己二胺聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、天然橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶、硅橡胶、纤维素、环氧树脂、酚醛树脂、聚乳酸、聚乙烯醇、聚乳酸聚乙醇酸共聚物等。

电荷补充条1为可以固定在摩擦纳米发电机的任意位置，只要保证在旋转过程中电荷补充条1可以与介电层2面向感应电极层的表面互相摩擦即可。可以将优选电荷补充条的固定在介电层2面向感应电极层之间。优选的，电荷补充条的固定方式为固定在感应电极层的两个电极单元之间。将条状薄膜沿长轴折叠后将其两条长边粘贴于底部，则其折痕处自然竖立，与起电层相接触。或将毛刷的底部粘贴于底座上，使得刷毛与介电层接触。粘贴电荷补充条的部位为两个电极单元之间。

介电层2和感应电极层3同轴相对放置，中间可以以垫片隔开，两者不直接接触。在此前提下，隔开的距离以尽可能小为宜，距离范围可以为1毫米-100毫米，以介电层和感应电极层不发生接触的最小距离为宜，如设置为2毫米，以便充分进行静电感应。而电荷补充条需要与介电层发生接触，以便在旋转时充分进行摩擦而实现电荷补充。

电荷补充条的数目可以为1-2N中的任意数字，该数目对于输出增强的性能没有重要影响。

当介电层被外部机械力带动而旋转发电时，电荷补充条可以使得输出大幅提升。

下面以一个具体器件为例说明本发明的效果。

使用纸巾(主要材料为纤维素)作为电荷补充条。其余的设置如下：介电层(介电起电层)和感应电极层的半径均为10厘米，各自粘贴在一个直径为20厘米的亚克力圆盘(即衬底)上。两个亚克力圆盘同轴放置，中间以硅胶垫圈隔开，距离为2毫米。介电起电层的材料为PTFE薄膜，将其裁剪为9个独立的圆心角为20度的扇形，均匀粘贴在一个亚克力圆盘上。感应电极层的材料为铝，将半径为10厘米的圆形铝膜均匀裁剪为18个扇形(即电极单元)，每个扇形之间的间距为2毫米。这些扇形相邻的两片是电学隔绝的，但每隔一片的是导通的。作为电荷补充条的纸条是由普通的擦手纸制成，将擦手纸裁剪为8厘米长1厘米宽的长条，沿长轴对折后，再将其长边用双面胶粘贴在两个铝电极的间距中。介电起电层的PTFE薄膜不与铝电极产生接触，但与纸条具有良好的接触。参见图3，在实验中，在转速为600转/分钟的情况下，如果没有纸质的电荷补充条，则该纳米发电机的输出为：峰值电压702伏、峰值电流25微安、电量36纳库。在加入一个上述的纸质电荷补充条之后，该纳米发电机的输出提升到峰值电压2352伏、峰值电流133微安、电量197纳库；分别提升了3-5倍。

实验证明，电荷补充条需要与介电材料的介电起电层发生摩擦才可发挥增强输出的作用。电荷补充条与金属电极层(感应电极层)的摩擦没有增强输出的作用。电荷补充条的结构对于输出性能的提升具有长效性和稳定性，并且最少可在1000000个循环后维持输出的稳定提升，测试结果参见图4。

发电机中各种参数的变化对输出性能的影响，参见图5，电荷补充条的材料可以为其它多种材料。如聚酰亚胺、聚己二酰己二胺、以及PTFE，均可达到将峰值电压提升到2.3千伏左右的效果。

增加纸条的数目，对于输出提升的影响很小。参见图5中的左下图，18个纸条的输出值比1个纸条的输出值的增量不足5％。

介电层与感应电极层之间的距离，对于输出是有影响的。参见图5中的右上图，当距离由2毫米增加到6毫米时，峰值电压由2.3千伏降低到1.0千伏。实验结果表明随距离的增大，输出提升的效果有所减弱。

转速对输出也有一定的影响。参见图5中的右下图，当转速由600转/分钟降低到120转/分钟时，峰值电压由2.3千伏降低到1.0千伏。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims

1.一种旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，包括电荷补充条、介电层以及感应电极层，其中，

所述电荷补充条与所述感应电极层设置为相互固定不动；

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述介电层中包括1个或多个介电起电单元，优选的，介电起电单元与电极单元形状相同或者相近。

3.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述电荷补充条为刚性或者柔性材料，优选为柔性条状薄膜或条状毛刷样物。

4.根据权利要求3所述的发电机，其特征在于，所述电荷补充条的材质为介电性材料。

5.根据权利要求4所述的发电机，其特征在于，所述介电材料为纸、聚对苯二甲酸二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚己二酰己二胺聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、天然橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶、硅橡胶、纤维素、环氧树脂、酚醛树脂、聚乳酸、聚乙烯醇或聚乳酸聚乙醇酸共聚物。

6.根据权利要求1-5任一项所述的发电机，其特征在于，所述设定距离为1毫米-100毫米之间。

7.根据权利要求1-6任一项所述的发电机，其特征在于，所述电荷补充条的固定在所述介电层和感应电极层之间。

8.根据权利要求7所述的发电机，其特征在于，所述电荷补充条固定在所述感应电极层的两个电极单元之间。

9.根据权利要求1-8任一项所述的发电机，其特征在于，所述感应电极层包括N对形状相同的扇形金属。

10.根据权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述介电层包括均由分布的N个扇形，与所述电极单元的形状相同。