CN114268238B - 一种基于3d打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的花蕊阵列型摩擦纳米发电机，风力扇叶机构中扇叶固定于中心转轴的一端，中心转轴另一端贯穿摩擦发电机构中心轴孔且通过轴承及轴承座固定于摩擦发电机构中的底盖和端盖上；摩擦发电机构中外层筒形固定基座内部设有分别与外层筒形固定基座内圈及内层筒形固定基座内圈滑动配合的阵列式花蕊状旋转基座，阵列式花蕊状旋转基座上与外层筒形固定基座内圈及内层筒形固定基座内圈的滑动配合部分别设有外层第二摩擦单元和内层第二摩擦单元。本发明极大提高了摩擦纳米发电机的输出电流和输出的稳定性。

Description

一种基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机

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打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机。

背景技术

随着经济社会的进一步发展，能源危机日趋严重，能源供给方式和能源结构的不合理导致了当前的发展困境，因此，从长期发展目标和环境角度来看，直接从自然环境获取电力是未来能源供应的理想选择。王中林科研团队在2012年发明一种新型能量收集装置-摩擦纳米发电机（TENG），其发电原理是基于摩擦带电和静电感应的耦合。目前已实现包括人体运动、风能、水波能等多种机械能转换为可用电能，且最高输出功率高达500W/m²，瞬时转换效率高达70%。TENG作为一种革命性的发电技术，能够为环境治理、传感器以及发光器件等提供能量源，TENG的发展趋势是可持续性、柔性、高效、低成本以及环保型设计等方向，将用来建立可应用于超灵敏传感器、微机电装置、可穿戴电子、环保与新能源技术等方面的自供电系统。

摩擦纳米发电机可以实现高压电信号的高频脉冲输出，不需要复杂的功率转换器，从而大大降低了系统的复杂性和成本。传统的制造工艺对于几何结构复杂的模型很难进行加工，需要将模型进行分解分别加工再组装，而且传统的制造工艺设备庞大且昂贵，需要较高的技能才能进行操作。3D打印技术是近年来飞速发展的一种增材制造技术，在立体模型的制作上具有很大的优势，可以加工任意复杂结构的三维模型，并且3D打印技术与产品设计的结合也是未来高端装备制造业绿色智能化发展的必然趋势，被认为是第三次工业革命的核心技术之一。利用3D打印技术与摩擦纳米发电机结构相结合，使得发电设备在结构设计方面更加快捷且容易操作，同时也降低了制作成本。

但现有摩擦纳米发电机大多采用方式单一的简单结构，结构本身受到外部条件影响巨大，导致输出频率低、输出稳定性差，而且大部分形式的机械能由于结构的局限性不能被有效的利用，在一定程度上限制了摩擦纳米发电机的应用发展。

发明内容

为了解决现有技术中摩擦纳米发电机结构以及频率方面的问题，本发明提供了一种基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机结构上呈现花蕊状，能够在有效的空间内承载更多的摩擦单元，极大地提高了摩擦纳米发电机的输出性能；依托旋转机构使得具有较高的输出频率以及输出稳定性，且在运动时旋转扇叶不需要附着电极，从而使得任何自由移动的物体上的机械能都可以不受限制地被收集利用，从而极大地拓宽了摩擦纳米发电机的应用范围。

为了达到上述技术目的本发明采用如下技术方案：一种基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机，其特征在于包括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，中心转轴另一端贯穿摩擦发电机构中心轴孔且通过轴承及轴承座固定于摩擦发电机构中的底盖和端盖上；摩擦发电机构中内外套设的内层筒形固定基座和外层筒形固定基座固定于相对设置的底盖和端盖之间，外层筒形固定基座内部设有分别与外层筒形固定基座内圈及内层筒形固定基座内圈滑动配合的阵列式花蕊状旋转基座，外层筒形固定基座内圈及内层筒形固定基座内圈分别设有外层第一摩擦单元和内层第一摩擦单元，阵列式花蕊状旋转基座上与外层筒形固定基座内圈及内层筒形固定基座内圈的滑动配合部分别设有外层第二摩擦单元和内层第二摩擦单元，各外层第一摩擦单元与外层第二摩擦单元以及各内层第一摩擦单元与内层第二摩擦单元分别并联连接，阵列式花蕊状旋转基座内部沿圆周方向均匀固定于滚筒组件上，该滚筒组件与中心转轴通过键连接传动，外层筒形固定基座固定于支座上。

进一步限定，所述外层筒形固定基座上沿圆周方向均布有多个螺栓连接孔，底盖和端盖上与外层筒形固定基座上螺栓连接孔相对应的位置分别设有螺栓固定孔，外层筒形固定基座两端分别加装底盖和端盖后通过贯穿外层筒形固定基座螺栓连接孔及底盖和端盖螺栓固定孔的压紧螺栓组件压紧固定，底盖和端盖均为利于散热的镂空结构，该底盖和端盖的中心孔处分别通过固定螺栓组件固定有轴承座，轴承座上设有用于支撑固定中心转轴的滚动轴承。

进一步限定，所述内层筒形固定基座固定于底盖内侧，阵列式花蕊状旋转基座外端设有与外层筒形固定基座内圈滑动配合的弧形压紧部，该弧形压紧部上设有与外层筒形固定基座内圈外层第一摩擦单元摩擦接触的外层第二摩擦单元，阵列式花蕊状旋转基座中部设有与内层筒形固定基座滑动配合且单侧开口的滑槽，该滑槽上设有与内层筒形固定基座内圈内层第一摩擦单元摩擦接触的内层第二摩擦单元。

进一步限定，所述外层第一摩擦单元和内层第一摩擦单元均包括第一摩擦层和第一背电极层，第一摩擦层紧密贴附在第一背电极层，外层第二摩擦单元和内层第二摩擦单元均包括第二摩擦层和第二背电极层，第二摩擦层紧密贴附在第二背电极层上，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，第一背电极层与第二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，直接使用第一背电极充当第一摩擦层。

进一步限定，所述第二背电极层粘附于内筒体的内侧圆周阵列式基底上，第二摩擦层贴附在第二背电极层后，第二背电极层用导线接地，放置在5kV的高压阵列探针下极化处理，用于提升第二摩擦层表面电荷密度，第一摩擦层和第二摩擦层的厚度均为50μm，第一背电极层和第二背电极层的厚度均为100μm。

进一步限定，所述第一摩擦层选用金属铜膜，既充当第一摩擦层还充当第一背电极层，第二摩擦层为聚四氟乙烯薄膜材料，第二背电极层选用的是铜薄膜，其中第一摩擦层贴附在外层筒形内壁圆周阵列式基底上，第二摩擦层贴附在第二背电极层上，第二背电极层粘附于内筒体的内侧壁圆周阵列式基底上，第二摩擦层贴附在第二背电极层之后，第二背电极层连接接地导线，在5kV高压下极化处理5min。

本发明设计并制作的一种基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机，第二摩擦层均经过电荷预注入处理，提高摩擦层电荷密度；所述的基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机整体结构采用多层同步旋转分离的圆周阵列式结构，不仅保证各摩擦层能严格同步滑动运动，使各摩擦层同一时刻发生旋转重合或分离，又大大提高了空间利用率，提高输出特性和输出稳定性；所述基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机摩擦层的数量可根据应用场景和需求相应的增加或减少，控制其输出特性以扩大其应用范围。所述基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机可以在不同风速环境下进行不同频率的旋转滑动，应用性强。

本发明所述的基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机的输出性能由多重因素共同决定，包括摩擦层所选材料、摩擦层数量、旋转频率等，目前利用8个摩擦层制备的花蕊阵列式摩擦纳米发电机的最佳输出短路电流和开路电压分别为50μA和+800V，外层摩擦层有效接触面积为23.75cm²，内层摩擦层有效接触面积为17cm²。在应用上所述的基于3D打印的花蕊阵列式擦纳米发电机可同时点亮500个LED灯。

本发明的优点及有益效果为：本发明的基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机具有结构简单、转换效率高、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打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机对风能、水流势能以其它可以将动能转化为圆周运动的能量、旋转式等进行有效收集，应用范围广。

本发明提供的基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机的优势在于：

（1）通过对阵列式花蕊状旋转基底和内层筒形固定基座及外层筒形固定基座进行均匀阵列划分，使各摩擦层能严格同步地进行滑动重合或分离，极大提高了摩擦纳米发电机的输出电流和输出的稳定性，该基于3D打印的花蕊阵列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的空间利用率。

（2）所述第二摩擦层聚合物经过高压设备进行电荷注入预处理，这种方法的优势大大提高了聚合物表面电荷密度，与对摩擦层做微纳结构处理的方法相比，可以获得更高的输出性能，同时降低了其制作成本，有利于推广应用。

（3）基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机动力源采用圆周运动，使得摩擦纳米发电机可以收集多种形式的圆周运动机械能，极大地提高了摩擦纳米发电机的应用范围。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中阵列式花蕊旋转基底的结构示意图；

图3是本发明中内层筒形固定基座和外层筒形固定基座的结构示意图；

图4是本发明中基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机的短路电流；

图5是本发明中基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机的电压波形曲线。

图中：1-固定螺栓组件，2-轴承座，3-中心转轴，4-压紧螺栓组件，5-底盖，6-外层筒形固定基座，7-支座，8-内层第一摩擦单元，9-内层筒形固定基座，10-外层第一摩擦单元，11-阵列式花蕊状旋转基底、12-滑槽，13-滚筒组件，14-端盖，15-扇叶，16-外层第二摩擦单元、17-内层第二摩擦单元。

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。

如图1~3所示，一种基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机，包括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15固定于中心转轴3的一端，中心转轴3另一端贯穿摩擦发电机构中心轴孔且通过轴承及轴承座2固定于摩擦发电机构中的底盖5和端盖14上；摩擦发电机构中内外套设的内层筒形固定基座9和外层筒形固定基座6固定于相对设置的底盖5和端盖14之间，外层筒形固定基座6内部设有分别与外层筒形固定基座6内圈及内层筒形固定基座9内圈滑动配合的阵列式花蕊状旋转基座11，外层筒形固定基座6内圈及内层筒形固定基座9内圈分别设有外层第一摩擦单元10和内层第一摩擦单元8，阵列式花蕊状旋转基座11上与外层筒形固定基座6内圈及内层筒形固定基座9内圈的滑动配合部分别设有外层第二摩擦单元16和内层第二摩擦单元17，各外层第一摩擦单元10与外层第二摩擦单元16以及各内层第一摩擦单元8与内层第二摩擦单元17分别并联连接，阵列式花蕊状旋转基座11内部沿圆周方向均匀固定于滚筒组件13上，该滚筒组件13与中心转轴3通过键连接传动，外层筒形固定基座6固定于支座7上。

本发明所述外层筒形固定基座6上沿圆周方向均布有多个螺栓连接孔，底盖5和端盖14上与外层筒形固定基座6上螺栓连接孔相对应的位置分别设有螺栓固定孔，外层筒形固定基座6两端分别加装底盖5和端盖14后通过贯穿外层筒形固定基座6螺栓连接孔及底盖5和端盖14螺栓固定孔的压紧螺栓组件4压紧固定，底盖5和端盖14均为利于散热的镂空结构，该底盖5和端盖14的中心孔处分别通过固定螺栓组件1固定有轴承座2，轴承座2上设有用于支撑固定中心转轴3的滚动轴承。

本发明所述内层筒形固定基座9固定于底盖5内侧，阵列式花蕊状旋转基座11外端设有与外层筒形固定基座6内圈滑动配合的弧形压紧部，该弧形压紧部上设有与外层筒形固定基座6内圈外层第一摩擦单元10摩擦接触的外层第二摩擦单元16，阵列式花蕊状旋转基座11中部设有与内层筒形固定基座9滑动配合且单侧开口的滑槽12，该滑槽12上设有与内层筒形固定基座9内圈内层第一摩擦单元8摩擦接触的内层第二摩擦单元17。

本发明所述外层第一摩擦单元10和内层第一摩擦单元均8包括第一摩擦层和第一背电极层，第一摩擦层紧密贴附在第一背电极层，外层第二摩擦单元10包括第二摩擦层和第二背电极层，第二摩擦层紧密贴附在第二背电极层上，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，第一背电极层与第二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，直接使用第一背电极充当第一摩擦层。

优选地，所述每层导电层的面积相同，并通过导线输出产生的静电荷形成电流。

本具体实施方式中，所述摩擦材料由具有相反电负性的薄膜材料组成，第二摩擦层为金属电极板Cu、Al以及尼龙等，优选为Cu。所述基于3D打印的花蕊阵列式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。

本实施方式所述的基于3D打印的花蕊阵列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圆周运动外力作用下，通过旋转机构使得每层相对的第一摩擦层和第二摩擦层能同时旋转重合和分离，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。

下面给出制造本实施方式所述的基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机的一个优选方案，但该基于3D打印的花蕊阵列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3D打印制作外层筒形固定基座和内层筒形固定基座，外层筒形固定基座尺寸为95mm×25mm；选择面积相同的导电层，导电层材质为Cu，尺寸为95mm×25mm，厚度为50μm～1mm，优选0.1mm；内层阵列式基底尺寸为85mm×20mm；选择面积相同的导电层，导电层材质为Cu，尺寸为85mm×20mm，厚度为50μm～1mm，优选0.1mm；每层中的第一摩擦单元摩擦层为聚四氟乙烯薄膜，第二摩擦单元的摩擦层为Cu，第三摩擦单元的摩擦层为Cu，此处第二、三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%。

根据上述基于3D打印的花蕊阵列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基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机中每层的摩擦单元数为八个，八个外层第一摩擦单元的摩擦层在阵列式花蕊状旋转基底上均匀阵列式排布；分别与外层筒形固定基座和内层筒形固定基座上的外层第一摩擦单元和内层第一摩擦单元的八个接触面交替旋转重合分离，各相同摩擦单元中的电极板用导线并联连接。当扇叶转动时，则如图4和5所示的基于3D打印的花蕊阵列式擦纳米发电机的最大短路电流与开路电压分别为50μA和+800V，电流密度达到800μA/m²。该基于3D打印的花蕊阵列式擦纳米发电机工作时可同时驱动50个LED灯发光。

因此，可知本发明的基于3D打印的花蕊阵列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、输出性能稳定等优点，同时这种独特的阵列式旋转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。本发明所述的基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机的两种摩擦单元总是同时重合或分离，提高了运动速率。另外本发明所述的基于3D打印的花蕊阵列式擦纳米发电机对频率的要求不高，可以将自然界中低频震动的能量转化成电能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。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，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机，其特征在于包括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，中心转轴另一端贯穿摩擦发电机构中心轴孔且通过轴承及轴承座固定于摩擦发电机构中的底盖和端盖上；摩擦发电机构中内外套设的内层筒形固定基座和外层筒形固定基座固定于相对设置的底盖和端盖之间，外层筒形固定基座内部设有分别与外层筒形固定基座内圈及内层筒形固定基座内圈滑动配合的阵列式花蕊状旋转基座，外层筒形固定基座内圈及内层筒形固定基座内圈分别设有外层第一摩擦单元和内层第一摩擦单元，阵列式花蕊状旋转基座上与外层筒形固定基座内圈及内层筒形固定基座内圈的滑动配合部分别设有外层第二摩擦单元和内层第二摩擦单元，各外层第一摩擦单元与外层第二摩擦单元以及各内层第一摩擦单元与内层第二摩擦单元分别并联连接，阵列式花蕊状旋转基座内部沿圆周方向均匀固定于滚筒组件上，该滚筒组件与中心转轴通过键连接传动，外层筒形固定基座固定于支座上。

2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述外层筒形固定基座上沿圆周方向均布有多个螺栓连接孔，底盖和端盖上与外层筒形固定基座上螺栓连接孔相对应的位置分别设有螺栓固定孔，外层筒形固定基座两端分别加装底盖和端盖后通过贯穿外层筒形固定基座螺栓连接孔及底盖和端盖螺栓固定孔的压紧螺栓组件压紧固定，底盖和端盖均为利于散热的镂空结构，该底盖和端盖的中心孔处分别通过固定螺栓组件固定有轴承座，轴承座上设有用于支撑固定中心转轴的滚动轴承。

3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述内层筒形固定基座固定于底盖内侧，阵列式花蕊状旋转基座外端设有与外层筒形固定基座内圈滑动配合的弧形压紧部，该弧形压紧部上设有与外层筒形固定基座内圈外层第一摩擦单元摩擦接触的外层第二摩擦单元，阵列式花蕊状旋转基座中部设有与内层筒形固定基座滑动配合且单侧开口的滑槽，该滑槽上设有与内层筒形固定基座内圈内层第一摩擦单元摩擦接触的内层第二摩擦单元。

4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述外层第一摩擦单元和内层第一摩擦单元均包括第一摩擦层和第一背电极层，第一摩擦层紧密贴附在第一背电极层，外层第二摩擦单元和内层第二摩擦单元均包括第二摩擦层和第二背电极层，第二摩擦层紧密贴附在第二背电极层上，第一摩擦层和第二摩擦层均为绝缘有机薄膜材料，第一背电极层与第二背电极层均为金属材料，当第一摩擦层采用金属薄膜时，直接使用第一背电极充当第一摩擦层，所述第一摩擦层选用金属铝膜，既充当第一摩擦层还充当第一背电极层，第二摩擦层为聚四氟乙烯薄膜材料，第二背电极层选用的是铜薄膜，其中第一摩擦层贴附在圆周阵列式弹性翘边底部，第二摩擦层贴附在第二背电极层上，第二背电极层贴附在海绵层上后粘附于弹性内筒体的内侧壁上，第二摩擦层贴附在第二背电极层之后，第二背电极层连接接地导线，在5kV高压下极化处理5min。

5.根据权利要求4所述的一种基于3D打印的花蕊阵列式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第二背电极层粘贴于一层2mm厚的海绵层上，用于充当缓冲层以提升输出性能稳定性，海绵层粘附于弹性内筒体的内侧壁上，第二摩擦层贴附在第二背电极层后，第二背电极层用导线接地，放置在5kV的高压阵列探针下极化处理，用于提升第二摩擦层表面电荷密度，第一摩擦层和第二摩擦层的厚度均为50μm，第一背电极层和第二背电极层的厚度均为100μm。