CN113482839B

CN113482839B - 一种摩擦电纳米发电装置

Info

Publication number: CN113482839B
Application number: CN202110638471.5A
Authority: CN
Inventors: 陈俊; 王力; 王安群; 苏伟光; 李安庆; 刘鹏博; 许崇海
Original assignee: Qilu University of Technology
Current assignee: Qilu University of Technology
Priority date: 2021-06-08
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2023-09-15
Anticipated expiration: 2041-06-08
Also published as: CN113482839A

Abstract

本发明涉及一种摩擦电纳米发电装置，包括外部正四面体和位于外部正四面体内部的内部正四面体，内部正四面体的四个顶点通过弹簧与外部正四面体的四个顶点的紧固件对应连接，外部正四面体的四个顶角外侧连接质量球，内部正四面体的外表面设有接触层，接触层外表面具有纳米沟结构；在水波驱动下，内部正四面体的外表面与外部正四面体的内表面接触分离，为负载提供电能。使水波能量推动摩擦电纳米发电装置时，以两个正四面体面对面的方式接触和分离，以面接触的方式实现水波能量收集，从而提高了摩擦电纳米发电装置的输出性能。

Description

一种摩擦电纳米发电装置

技术领域

本发明涉及摩擦发电领域，具体为一种摩擦电纳米发电装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

海洋中的波浪能具有低频(约2Hz)和低密度的缺点，海浪能量很难获得。基于电磁发电机(EMG)的传统能量转换方法在获取海浪的低频能量方面效率低下，并且它们沉重、复杂、昂贵。

摩擦纳米发电机(TENG)作为一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦纳米发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等从没被人们注意过的环境随机能源，还可以是车轮的转动、机器的轰鸣等。能够通过摩擦纳米发电机(TENG)获取海洋中较低频率的波浪能。

近年来，人们在材料和结构方面，已经花费了许多努力来改善摩擦纳米发电机(TENG)的性能。

例如，完全封闭的TENG，将滚动的尼龙球封装在摇摆的球形外壳中，以获取低频水波能量。随后，通过将内部球从刚性尼龙改为软硅树脂来增加接触面积，与传统球壳结构的点接触相比，在接触过程中转移的电荷增加了约10倍，但此种结构的摩擦纳米发电机(TENG)功率输出仍然相对较小。

例如，受套娃启发的层次结构摩擦电纳米发电机(HS-TENG)，通过嵌套组装多个尺寸减小的壳体，提高了有限空间内的效率。但HS-TENG的输出性能仍然依赖于内部的PTFE滚珠滑动，接触方式仍然是点接触，所以接触面积较小。无论是点接触还是软接触，由于接触面积小，限制了这些摩擦纳米发电机(TENG)性能的提高。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种摩擦电纳米发电装置，利用相互套接的一个较大的正四面体和位于其内部的一个较小的正四面为主体结构，使水波能量推动摩擦电纳米发电装置时，以两个正四面体面对面的方式接触和分离，以面接触的方式实现水波能量收集，从而提高了摩擦电纳米发电装置的输出性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种摩擦电纳米发电装置，包括外部正四面体和位于外部正四面体内部的内部正四面体，内部正四面体的四个顶点通过弹簧与外正四面体的四个顶点的紧固件对应连接，外部正四面体的四个顶角外侧连接质量球，内部正四面体的外表面设有接触层，接触层外表面具有纳米沟结构；在水波驱动下，内部正四面体的外表面与外部正四面体的内表面接触分离，为负载提供电能。

内部正四面体在垂直方向上的最大运动范围为：

L0为外部正四面体的边长，L1为内部正四面体的边长，α为最高功率输出的优化比率，其中α＝L1/L0。

内部正四面体和外部正四面体的两个底三角形之间的距离为：f是简谐振动的频率，t是时间，Z_MAX是内部正四面体在垂直方向上的最大运动范围。

沿垂直于侧面的法线方向，内部正四面体和外部正四面体的平行边之间的距离为：

S_MAX为内部正四面体沿垂直于侧面的法线方向的最大运动范围。

内部正四面体沿垂直方向移动时，电荷在底部三角形和三个侧面三角形之间转移。

内部正四面体和外部正四面体均为导电材质。

质量球包括一个密度小于水的球体和三个密度大于水的球体。

外部正四面体的其中一个顶角连接密度小于水的球体，该球体位于外部正四面体的顶部。

外部正四面体的其余三个顶角连接密度大于水的球体，该球体位于外部正四面体底部。

外部正四面体的三个侧面和一个底面通过导线与负载连接。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、能够用于海洋、湖泊等低频率低密度场景下的发电，并且输出性能可靠。

2、结构简单，性能可靠，能够漂浮在水面上持续收集水波能量转化为电能，为水面上的负载供电。

3、正四面体结构具有表面接触方式、底部重心自稳、空间对称、几何结构简单、易于放大生产，平面到平面的接触方式能够提高能量收集效率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1(a)是本发明一个或多个实施例提供的外形结构示意图；

图1(b)是本发明一个或多个实施例提供的侧视结构示意图；

图1(c)是本发明一个或多个实施例提供的表面覆盖的聚四氟乙烯纳米沟扫描电镜示意图；

图1(d)是本发明一个或多个实施例提供的随水波漂浮的状态示意图；

图2(a)是本发明一个或多个实施例提供的等效电路模型图；

图2(b)是本发明一个或多个实施例提供的在负载电阻上获得的模拟平均功率输出曲线图；

图3(a)是本发明一个或多个实施例提供的正姿态下内部四面体的受力分析示意图；

图3(b)是本发明一个或多个实施例提供的反姿态下内部四面体的受力分析示意图；

图3(c)是本发明一个或多个实施例提供的正姿态下输出开路电压曲线示意图；

图3(d)是本发明一个或多个实施例提供的反姿态下输出开路电压曲线示意图；

图3(e)是本发明一个或多个实施例提供的正姿态下输出的短路电流曲线示意图；

图3(f)是本发明一个或多个实施例提供的反姿态下输出的短路电流曲线示意图；

图4(a)是本发明一个或多个实施例提供的在面接触状态下的模拟电压输出示意图：

图4(b)是本发明一个或多个实施例提供的在顶点接触状态下的模拟电压输出示意图；

图4(c)是本发明一个或多个实施例提供的运动模式下的工作原理图；

图中：1.泡沫球；2.调节螺栓；3.外部正四面体；4.内部正四面体；5.弹簧；6.金属球。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中说描述的，海洋、湖泊中存在水波能量，这类能量具有低频低密度的缺点从而难以收集，以往的电磁发电机在获取这类低频能量效率低下。摩擦纳米发电机(TENG)可以应用在水波能量的收集中，但目前的摩擦纳米发电机结构中都依赖于点接触或软接触的PTFE滚珠滑动来实现电能转换，会限制摩擦纳米发电机(TENG)的输出性能，因此以下实施例给出了一种摩擦电纳米发电装置的硬件结构，利用相互套接的一个较大的正四面体和位于其内部的一个较小的正四面为主体结构，使水波能量推动摩擦电纳米发电装置时，以两个正四面体面对面的方式接触和分离，以面接触的方式实现水波能量收集，从而提高了摩擦电纳米发电装置的输出性能。

实施例一：

如图1-4所示，一种摩擦电纳米发电装置，包括外部正四面体3和位于外部正四面体内部的内部正四面体4，内部正四面体的四个顶点通过紧固件与外部正四面体的四个顶点对应连接，紧固件朝向内部正四面体的一侧连接弹簧5，紧固件朝向外部正四面体外部一侧连接质量球，内部正四面体的外表面设有接触层，接触层外表面具有纳米沟结构；在水波驱动下，内部正四面体的外表面与外部正四面体的内表面接触分离，为负载提供电能。

本实施例中的紧固件为调节螺栓2，四个顶点共四个调节螺栓2。

外部正四面体3的其中一个顶角连接密度小于水的球体，该球体位于外部正四面体3的顶部。本实施例中，该球体为泡沫球1。

外部正四面体3的其余三个顶角连接密度大于水的球体，该三个球体位于外部正四面体3底部。本实施例中，该三个球体均为金属球6。

本实施例中，接触层为聚四氟乙烯，聚四氟乙烯具有相对更加优异的获得电子的能力。

本实施例中，两个正四面体通过激光切割和弯曲铝板制成。

本实施例中，两个正四面体的顶点通过尼龙螺栓和尼龙螺母实现连接。

如图1所示，内部正四面体的位置和姿态可以通过调整四个螺母位置和调整四个弹簧的张力来调整。这确保了两个正四面体的表面平行接触。当被水波驱动时，整个结构就像一个振荡的质量弹簧系统。

假设在一定空间内，外部正四面体的尺寸与边长L0固定，改变内部正四面体L1的边长可以改变摩擦纳米发电机(TENG)的整体性能。增加L1可以增加内部正四面体的面积。这导致更大的接触面积。然而，增加L会减小内部正四面体的运动范围，从而减小TENG的输出。对于上述结构，必须存在产生最高功率输出的优化比率α＝L1/L0。

以垂直向上的方向为Z方向，沿着Z方向，内部正四面体的最大运动范围是：

沿垂直于侧面的法线方向的方向定义为S方向，内部正四面体的最大运动范围是s_max＝Z_max sin(θ)，这里θ＝π/2-cos^-1(1/3)。

为了简化放置在真实海浪中的建议结构的运动模式，将内部正四面体的运动设置为在Z方向上的简谐模式，并且将外部正四面体视为相对静止的。内部正四面体沿Z方向的位置描述如下。

内外部正四面体的两个底三角形之间的距离。

其中f是简谐振动的频率，t是时间。

沿着S方向，内部和外部正四面体之间的平行的边之间的距离描述为

这个模型和TENG的连接方式有关。为了提高制造和组装的便利性，选择内部四面体和外部四面体都连接到一个电极的连接方法。

本实施例中的摩擦纳米发电机(TENG)分为两种接触模式：底面之间的垂直接触和侧壁之间的顶角接触。整个结构可以认为是如图2所示连接的四个电容器，其中CA1为侧面的空气电容器，CA2为侧面的聚四氟乙烯电容器，CB1为底部的空气电容器，CB2为底部的聚四氟乙烯电容器。

其中ε₀是空气的介电常数；ε₂和d₀是内部正四面体表面聚四氟乙烯层的介电常数和厚度；是在每个顶点切割三个小三角形(边长L_cut)后，内部正四面体边的剩余面积。

图2中TENG的总电容计算如下

正弦运动期间的CTENG(α，t)曲线如图2所示。当α增大时，内外正四面体之间的距离间隙减小。这增加了摩擦纳米发电机的电容值(CTENG)。

本实施例中，由于四面体是通过弯曲整块铝制成的，四面体的四个侧面是导电连接的。铝四面体是等势体。因此，当内正四面体沿Z方向移动时，电荷ΔQ将在底部三角形和三个侧面三角形之间转移。

在侧面，TENG的电压为

在底面，TENG的电压为

V_TENG1＝V_TENG2设求解为转移电荷ΔQ，则得到无负载时电压源V_TENG(α，t)的输出。

考虑图2中电阻负载的情况，TENG和电阻负载的电压环路方程如下所示。利用数值计算方法求解该常微分方程，得到Q(t，α，R)的解。

其中回路1中的电流获得为电阻上的输出电压为

V_out(t)＝I(t)R，在正弦周期期间电阻器上获得的平均功率获得运动。

不方便得到输出功率P(α，R)的解析解。在GNU Octave 5.20中采用数值计算方法获得优化解.如图2所示，优化的边长比α为0.53(冲浪顶点上的星)。当负载电阻设置在匹配电阻为16.13兆欧时，最大平均功率输出为4.30mW。

本实施例给出的摩擦电纳米发电装置可以由下方式获得：

包含两层正四面体铝板，外正四面体铝板的每个角用激光切割成边长15毫米。内正四面体的每个角被切掉，边长为22毫米。内四面体铝板采用折弯工艺折弯，外四面体用螺栓螺母固定；

接触层(聚四氟乙烯薄膜)附着在内部正四面体铝板的外表面。聚四氟乙烯薄膜的表面通过使用电感耦合等离子体进行干法蚀刻，以产生对准的纳米沟结构。将钢丝直径0.2mm的弹簧固定在内部正四面体的四个角上，然后放在外部正四面体结构的中心，实现两个正四面体对应的顶点经弹簧连接；

质量球固定在外部正四面体的顶角上，本实施例中，一个顶角固定在泡沫球上，另外三个顶点固定在金属球上，以保持其在水中的正姿势，即密度小于水的泡沫球所连接的顶点位于其他三个顶点上部，侧面看呈正三角形状态，而反姿态则为倒三角。

上述结构放在水中会有两种状态，即正姿态和反姿态，为了直观地比较正姿态和反姿态的输出性能参数，采用了实验比较的方法。

实验中，将上述结构放入水中时，利用气缸的升降运动来模拟波浪驱动正四面体发电装置随波浪上下运动的过程。

首先，用调整好的螺母位置将正四面体摩擦电纳米发电装置(RT-TENG)固定正姿势，并在气缸上驱动它，气缸的运动频率由Arduino编程控制在1.05Hz，行程控制在200mm，此处用气缸模拟水波的运动。RT-TENG固定在反姿态时，需要重新调整螺母位置，使能量值达到最高值后，再由气缸驱动，不同姿态的受力分析图如图4所示。

从实验可以看出，与反姿势的运动状态相比，正姿势开路电压扩大了约5倍，短路电流扩大了约7倍。因此，将RT-TENG放入海水中，为了使其获得更好的输出性能，需要在水中维持正姿态，结构如图1所示。

仿真验证：

利用COMSOL 5.3中的有限元方法对所提出设计的性能进行了仿真。主要有两种运动状态:

(a)面接触。两个正四面体的底面相接触，如图4(a)所示。峰值输出电压为800V，在底面接触模式下，峰值输出区域约占总面积的1/4。

(b)顶角接触。两个正四面体的顶点是重叠的。两个正四面体的顶角相接触，如图4(b)所示。峰值输出电压为800V，在顶角接触模式下，峰值输出区域约占总面积的3/4。

利用固体接触带电和静电感应引起的铝电极间电荷流动方法，分析后得出，当内部正四面体表面的接触层聚四氟乙烯(PTFE)表面与外部四面体内表面的大al电极接触分离时，由于摩擦电效应，PTFE表面产生负电荷，al电极产生正电荷。本实施例提出的正四面体摩擦纳米发电机(RT-TENG)可分为面接触和顶点接触两种接触方式，如图4c所示。当RT-TENG上下移动时，底面接触，然后顶点接触，此时内部正四面体附着聚四氟乙烯，并与外部正四面体内表面上的铝电极接触，内正四面体中的所有正电荷将从左手电极流向右手电极，通过负载屏蔽电介质上非移动负电荷的局部场。随后，当附着在聚四氟乙烯上的内部正四面体表面离开外部正四面体内表面上的铝电极时，负电荷将通过负载电阻从右电极流向左电极。

性能与寿命测试：

为了证明以上实施例中正四面体摩擦电纳米发电装置的能力，采用常用的发光二极管灯(YSL-R1042WC-D15，额定工作电压3.0-3.4V，直径10mm)进行实验。

发光二极管的串联线路连接到串联灯的输出端。正四面体摩擦电纳米发电装置首先由气缸振动器驱动，振幅为100毫米，频率为2.25Hz用于模拟水波带来的运动，最多可点亮20个LED灯。

正四面体摩擦电纳米发电装置用PE膜密封，漂浮在水箱里，手动摇动的水波可以点亮10个发光二极管灯。气缸模拟的运动与手摇产生的水波激发的照明量不同，这是由于气缸的运动是方波，水波的运动是正弦波。

测试正四面体摩擦电纳米发电装置的工作寿命，利用振动器以2.25Hz的驱动频率和200毫米的振幅持续驱动8小时，超过60000个循环后，正四面体摩擦电纳米发电装置的开路电压和短路电流分别下降不到1％和5％，寿命可靠。

因此，以上实施例给出的正四面体摩擦电纳米发电装置能够用于海洋、湖泊等低频率低密度场景下的发电，并且输出性能可靠。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种摩擦电纳米发电装置，其特征在于：包括外部正四面体和位于外部正四面体内部的内部正四面体，内部正四面体的四个顶点通过弹簧与外部正四面体的四个顶点的紧固件对应连接，，外部正四面体的四个顶角外侧连接质量球，内部正四面体的外表面设有接触层，接触层外表面具有纳米沟结构；在水波驱动下，内部正四面体的外表面与外部正四面体的内表面接触分离，为负载提供电能；；

所述质量球包括一个密度小于水的球体和三个密度大于水的球体；所述外部正四面体的其中一个顶角连接密度小于水的球体，该球体位于外部正四面体的顶部；所述外部正四面体的其余三个顶角连接密度大于水的球体，该球体位于外部正四面体底部；

所述内部正四面体在垂直方向上的最大运动范围为：：

其中，L₀为外部正四面体的边长，L₁为内部正四面体的边长，α为最高功率输出的优化比率，其中α＝L₁/L₀；

所述内部正四面体和外部正四面体的两个底三角形之间的距离为：

其中，f是简谐振动的频率，t是时间，Z_max是内部正四面体在垂直方向上的最大运动范围；

其中，S_max为内部正四面体沿垂直于侧面的法线方向的最大运动范围。

2.外部正四面体内部正四面体如权利要求1所述的一种摩擦电纳米发电装置，其特征在于：所述内部正四面体沿垂直方向移动时，电荷在底部三角形和三个侧面三角形之间转移。

3.如权利要求1所述的一种摩擦电纳米发电装置，其特征在于：所述内部正四面体和外部正四面体均为导电材质。

4.如权利要求1所述的一种摩擦电纳米发电装置，其特征在于：所述外部正四面体的三个侧面和一个底面通过导线与负载连接。