CN114400922A - 一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
一种固‑固/固‑液接触复合型摩擦纳米发电机，涉及波浪能获取技术领域，球形TENG由两个空心半球组成，其内部由摆锤、海绵球与空心球内表面形成固‑固接触的接触‑分离模式的TENG，其外部由空心球外表面与水形成固‑液接触的单电极模式的TENG。该发明涉及不同工作模式的多个摩擦发电单元，不同摩擦发电单元通过导线并联连接，利用整流电路，极大地增强TENG的输出性能，可将海洋环境中分布广泛、低频且峰值随机的波浪能转化为可被存储和直接利用的电能。本发明提供的装置结构简单、空间利用率高、成本低廉、输出功率高、输出性能稳定的复合型摩擦纳米发电机，对于收集/利用不规则的海洋波浪能具有重要实际意义。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦纳米发电机领域，尤其涉及一种用于高效收集海水波浪能的固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机。
背景技术
近年来，随着地球上化石能源枯竭和环境污染的不断加快，新能源越来越成为当今社会亟待解决的关键问题，而绿色可再生能源的开发和利用对于人类的可持续发展至关重要。其中，海洋波浪能在全球有着广泛的分布，并蕴藏巨大的动能和势能，是一种有望大规模应用的可再生能源。经过几十年的发展，采用传统的电磁感应的方式进行海洋能的采集仍存在较多挑战，对于海洋波浪能的低频低振幅、波浪波峰随机的特性，传统电磁发电机几乎不能输出电能。摩擦电纳米发电机(TENG)对于低频的波浪能的高效能转换是同类技术无法比拟的。TENG是一种基于摩擦起电和静电感应原理的新型能源采集技术，可有效地将低频低振幅的机械能转化为电能，为实现海洋能大规模采集提供了一种新的途径，是未来海洋蓝色能源的重要发展方向。
为了有效收集海水波浪能量，已提出了各种结构设计的TENG，用固-固接触分离模式的TENG具有显著的优势。首先，接触分离式TENG可以高效地收集自然中的低频机械能，为设备运行提供持续稳定的电源；其次，接触分离式TENG结构简单，制造成本较低，利于大规模生产；最后，TENG易于封装，使用便捷，本身在一定程度上起到传感器的作用，反映压力信号。然而，现有接触分离式TENG的摩擦层间接触面积较小，空间利用率较低，输出功率有限。固-液接触的TENG是利用固体材料与液体之间的摩擦起电，将液体中的振动能转换为电能。与两种不同固体材料的摩擦起电相比，液体的存在可以消除固体材料之间的磨损，这有助于避免材料降解和性能下降，但是，由于导电海水引起的屏蔽效应，固-液接触的TENG在水环境中工作时的输出性能不稳定。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机，采用球体内外部不同工作模式的多个摩擦发电单元直接将波浪能转化为电能，增大空间利用率，进而提高摩擦纳米发电机的发电性能，提高输出功率。本发明可用于大规模海洋能的采集，可将海洋中低频率、大面积的波浪能有效地转化为可存储的电能，结构简单、可靠、质量轻便、成本低廉，具有一定的实用价值。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机，包括密封在空心球内部的第一摩擦发电单元和空心球外部的第二摩擦发电单元；
所述第一摩擦发电单元包括空心球内表面和海绵球的2个摩擦发电机，所述海绵球粘贴于一摆锤的锤头四周，所述摆锤的锤头位于空心球的内部中心，每个摩擦发电机包括位于海绵球外表面的第一电极层和第一摩擦层、以及位于空心球内表面的第二摩擦层，所述第二摩擦层既作为摩擦层也作为第二电极层；
所述第二摩擦发电单元包括空心球外表面的2个摩擦发电机，每个摩擦发电机包括位于空心球外表面的第一电极层和第一摩擦层，水作为第二摩擦层，第二电极接地；
其中，第一摩擦发电单元为固-固接触的接触-分离模式TENG，第二摩擦发电单元为固-液接触的单电极模式TENG。
所述海绵球设有四个，分别对称设于摆锤的锤头上下左右四面。
所述摆锤采用塑料或木质材质，锤头呈圆柱体；所述空心球采用轻质塑料或者亚克力材料；所述海绵球采用柔性乙烯-醋酸乙烯酯共聚物材料。
所述第一摩擦发电单元的第一摩擦层与第二摩擦发电单元的第一摩擦层选用电负性较强的非金属绝缘永电体材料。
所述第一摩擦发电单元的第一电极层、第二摩擦层、第二摩擦发电单元的第一电极层选用电负性较弱的金属导电薄膜或单层导电材料。
所述的第二摩擦发电单元的第二摩擦层为水，第二电极通过负载接地。
所述空心球采用两个空心半球组成；所述两个空心半球之间的接口采用热熔胶或聚四氟乙烯密封带密封，再用防水胶带进步固定，以防止水进入球体内部。
所述的第一摩擦发电单元的第一摩擦层和第二摩擦发电单元的第一摩擦层表面通过粗糙化处理，以增加表面粗糙度与疏水性，加强摩擦发电单元的输出性能；所述粗糙化处理采用砂纸或喷砂处理。
所述第一摩擦发电单元、第二摩擦发电单元分别通过导线并联连接获取电能，利用整流电路对输出电流进行整流，继而对储能原件进行充电或直接为小型设备供电。
所述的一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机，工作模式分为三步：1)在断路情况下，波浪循环往复地与永电体材料进行接触，电荷在永电体材料上不断积累，通过静电感应，使背电极带有等量的正电荷；2)当永电体材料电荷饱和时，接通电路，输出功率；3)然后断开电路，继续积攒电荷，循环往复。
本发明涉及不同工作模式的多个摩擦发电单元，不同摩擦发电单元通过导线并联连接，利用整流电路，极大地增强TENG的输出性能，输出功率高，可将海洋环境中分布广泛、低频且峰值随机的波浪能转化为可被存储和直接利用的电能。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
1、本发明将固-固接触TENG与固-液接触TENG有效联合，球体内部放置摆锤，随着海水波动，摆锤进行周期性振动，摆锤上的海绵球也能够与球体内表面进行长时间全方位的接触-分离运动形成接触-分离模式的TENG，再利用球体外表面与水的接触-分离运动形成单电极模式的TENG，使球体内外部摩擦面得到充分利用，提高球体的空间利用率，极大地增强TENG的输出性能，对于收集/利用不规则的海洋波浪能具有重要实际意义。
2、本发明可根据具体的海洋环境及实际需求，将多个摩擦发电单元通过导线并联连接，组成自供电系统，直接将源源不断的海洋波浪能转化为电能为各种小型设备供电，并可对海洋金属装备进行腐蚀防护。
3、本发明使球体内外两部分发挥的作用既可联合又可分离，两个摩擦发电单元是相互独立的，即使一部分失效还有另一部分可以继续工作，可根据所需自行调节输出大小，并且本发明结构简单，所用材料成本低廉，易大规模制造，为TENG的批量生产和广泛应用提供一条可行的道路。
附图说明
图1为本发明的结构示意图之一。
图2为本发明的结构示意图之二。
图3为空心球内部装置的结构示意图。
图4为海绵球表面第一电极层与第一摩擦层的结构示意图。
图5为第一摩擦发电单元的原理示意图。
图6为第二摩擦发电单元的原理示意图。
图7为金属阴极保护系统图。
图8为304不锈钢的开路电位变化图。
附图标记：空心半球1，海绵球2，摆锤3，海绵球表面第一电极层4与第一摩擦层5。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1～4所示，本实施例包括密封在空心球内部的第一摩擦发电单元和空心球外部的第二摩擦发电单元；
所述第一摩擦发电单元包括空心球内表面和海绵球的2个摩擦纳米发电机；所述空心球的内径为5.6cm，外径16cm，本实施例中，空心球采用两个空心半球1连接组成；所述两个空心半球1之间的接口采用热熔胶或聚四氟乙烯密封带密封，再用防水胶带进步固定，以防止水进入球体内部所述海绵球2粘贴于一摆锤3的锤头四周，所述摆锤3的锤头位于空心球的内部中心；每个摩擦纳米发电机包括位于海绵球外表面的第一电极层4和第一摩擦层5，位于空心球内表面的第二摩擦层，第二摩擦层即作为摩擦层，也作为第二电极层；
所述第二摩擦发电单元包括分别对应于空心球外表面的2个摩擦纳米发电机，每个摩擦纳米发电机包括位于空心球外表面的第一电极层和第一摩擦层，水作为第二摩擦层，第二电极接地；
其中，第一摩擦发电单元为固-固接触的接触-分离模式，第二摩擦发电单元为固-液接触的单电极模式，4个摩擦纳米发电机由导线并联连接。
本实施例中，所述海绵球2设有四个，分别对称设于摆锤3的锤头上下左右四面；具体地，海绵球的直径为40mm。
所述摆锤采用塑料或木质材质，锤头呈圆柱体；所述空心球采用轻质塑料或者亚克力材料；所述海绵球采用柔性乙烯-醋酸乙烯酯共聚物材料。
所述第一摩擦发电单元的第一摩擦层与第二摩擦发电单元的第一摩擦层选用电负性较强的非金属绝缘永电体材料；具体地，本实施例中采用聚四氟乙烯(PTFE)，厚度为100μm。
所述第一摩擦发电单元的第一电极层、第二摩擦层、第二摩擦发电单元的第一电极层选用电负性较弱的金属导电薄膜或单层导电材料；具体地，本实施例中，第一摩擦发电单元和第二摩擦发电单元的第一电极层采用双导铜箔胶带，厚度为65μm；第一摩擦发电单元的第二摩擦层与第一电极层为铝箔，厚度为15μm。
所述的第二摩擦发电单元的第二摩擦层为水，第二电极通过负载接地。
所述的第一摩擦发电单元的第一摩擦层和第二摩擦发电单元的第一摩擦层表面通过粗糙化处理，以增加表面粗糙度与疏水性，加强摩擦发电单元的输出性能；所述粗糙化处理采用砂纸或喷砂处理。
所述第一摩擦发电单元、第二摩擦发电单元分别通过导线并联连接获取电能，利用整流电路对输出电流进行整流，继而对储能原件进行充电或直接为小型设备供电。
所述第二摩擦发电单元为固-液接触的单电极模式TENG，工作模式分为三步：1)在断路情况下，波浪循环往复地与永电体材料进行接触，电荷在永电体材料上不断积累，通过静电感应，使背电极带有等量的正电荷；2)当永电体材料电荷饱和时，接通电路，输出功率；3)然后断开电路，继续积攒电荷，循环往复。
本发明利用两种材料的摩擦起电和静电感应的耦合作用原理，当装置由于水波浪的推动作用使得整体失衡时，会导致海绵球向空心球靠近，在低频且随机的波峰作用下海绵球向左右两边往复运动。而在海绵球表面的第一摩擦层与空心球内表面上的第二摩擦层发生持续的接触-分离运动，根据接触起电效应，两摩擦层会由于其自身对于电子束缚能力的不同而在其接触表面发生电子转移，进而当两摩擦层分离与靠近时在电极层间产生感应电势差，在外电路中产生交替流动的电流，采用固-固接触的接触-分离模式的第一摩擦发电单元发电；而当装置由于水波的推动作用使得整体失衡时，同时也会导致水覆盖到空心球外表面的不同百分比，根据摩擦起电和静电感应原理，空心球外表面上的第一电极层与地面间产生感应电势差，在外电路中产生交替流动的电流，采用固-液接触的单电极模式的第二摩擦发电单元发电。
具体地，在本实施例中如图5～6所示，在初始状态下，没有电荷产生，当海绵球随着海水波浪震荡，往空心球内表面的Al箔靠近时，在静电感应的作用下Al电极产生感应电荷，由于PTFE与Al之间得失电子的差异性，PTFE带负电荷，Al带正电荷,使Cu电极与Al电极之间建立了电势差，因此Al电极驱动电子通过负载转移到PTFE膜背面的Cu电极上并产生瞬时电流。当海绵球上的PTFE膜与Al箔完全接触时，电子被中和，再次达到平衡状态，没有电流产生。当海绵球又与Al箔发生分离运动时，PTFE膜背面的Cu电极又与Al电极建立了相反的电势差，使Cu电极上的电子通过负载被转移到Al电极上并产生相反方向的瞬时电流。这是空心球内部固-固接触的接触-分离模式的TENG的一个完整的工作周期。而随着波浪的震荡，在空心球外表面与水的接触过程中，由于PTFE与水之间得失电子的差异性，PTFE带负电荷，水带正电荷，当波浪运动覆盖到PTFE膜表面的不同百分比时，PTFE膜背面的Cu电极与地面之间产生电势差，电子从地面向Cu电极流动以平衡电势差。当水离开PTFE表面时，电子从Cu电极回到地面，如此往复，导致外部电路中有不同方向的瞬时电流产生。这是空心球外部固-液接触的单电极模式的TENG的一个完整的工作周期。
为了验证本发明的有效性，进行如下实例应用说明：
如图7所示，将所有的摩擦纳米发电机分别整流后进行并联连接，用金属做工作电极、铂电极为辅助电极、饱和甘汞电极为参比电极，组成三电极体系，以3.5wt％NaCl溶液为电解液，将本实施例复合型摩擦纳米发电机的负极连接到工作电极，正极连接到铂电极，形成阴极保护系统。
如图8的304不锈钢开路电位的实验数据所示，本实施例所述的固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机在模拟海洋系统中随着水波震动可使直径为1cm、1.5cm的304不锈钢在3.5wt％NaCl溶液中开路电位分别负移380mV、300mV，完全达到不锈钢的保护电位，形成有效腐蚀防护效果。
本发明采用球形结构设计，球体内部放置摆锤，利用摆锤的周期性振动过程、海绵球的结构与球体内表面更加容易接触的特点，使摆锤上的海绵球能够与球体内表面进行长时间全方位的接触-分离运动形成接触-分离模式的TENG，再利用球体外表面与水的接触-分离运动形成单电极模式的TENG，从而具有球体摩擦面积大、空间利用率高、结构设计简洁、成本低廉、制备便利、输出功率高、输出性能稳定等优点，通过将固-固接触与固-液接触联合的复合型摩擦纳米发电机，有效地转化分布广泛、低频、波浪峰值随机的海洋波浪能为可被利用的电能，进而可结合超级电容器存储或直接为海洋电子设备提供持续的电能供应并且还能为海洋金属腐蚀提供保护。
本发明的结构、形状不仅局限于此实施例所述，在复杂的海洋环境中，可在此基础上修改装置为圆柱结构或者多面体结构，用以得到更多的摩擦发电单元和有效摩擦面积，进而获得更高的输出性能。也可以将多个波浪能采集装置通过导线连接为并联结构，经过整流电路对输出电流进行整流，可在复杂的海洋环境中有效提高多装置输出电流的稳定性。
本发明提供的一种用于采集海洋波浪能的高性能复合型TENG，将装置内部的固-固接触与装置外部的固-液接触联合起来，具有结构设计简单、输出电流和电压大、制作成本低廉的优点，不但可以提高装置的空间利用率，而且提高材料的稳定性和耐用性，增大输出功率，输出性能可通过调整器件结构参数进行控制，可对海洋波浪能实现高效采集，结合整流器可将TENG的交流电转化为直流电，进而可直接为小型设备供电或对电容器、电池等储能原件进行充电，最终实现为电子器件供电，具有广阔的应用前景。
Claims (10)
1.一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机，其特征在于：包括密封在空心球内部的第一摩擦发电单元和空心球外部的第二摩擦发电单元；
所述第一摩擦发电单元包括空心球内表面和海绵球的2个摩擦发电机，所述海绵球粘贴于一摆锤的锤头四周，所述摆锤的锤头位于空心球的内部中心，每个摩擦发电机包括位于海绵球外表面的第一电极层和第一摩擦层、以及位于空心球内表面的第二摩擦层，所述第二摩擦层既作为摩擦层也作为第二电极层；
所述第二摩擦发电单元包括空心球外表面的2个摩擦发电机，每个摩擦发电机包括位于空心球外表面的第一电极层和第一摩擦层，水作为第二摩擦层，第二电极接地；
其中，第一摩擦发电单元为固-固接触的接触-分离模式TENG，第二摩擦发电单元为固-液接触的单电极模式TENG。
2.如权利要求1所述的一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述海绵球设有四个，分别对称设于摆锤的锤头上下左右四面。
3.如权利要求1所述的一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摆锤采用塑料或木质材质，锤头呈圆柱体；所述空心球采用轻质塑料或者亚克力材料；所述海绵球采用柔性乙烯-醋酸乙烯酯共聚物材料。
4.如权利要求1所述的一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦发电单元的第一摩擦层与第二摩擦发电单元的第一摩擦层选用电负性较强的非金属绝缘永电体材料。
5.如权利要求1所述的一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦发电单元的第一电极层、第二摩擦层、第二摩擦发电单元的第一电极层选用电负性较弱的金属导电薄膜或单层导电材料。
6.如权利要求1所述的一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的第二摩擦发电单元的第二摩擦层为水，第二电极通过负载接地。
7.如权利要求1所述的一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述空心球采用两个空心半球组成；所述两个空心半球之间的接口采用热熔胶或聚四氟乙烯密封带密封，再用防水胶带进步固定，以防止水进入球体内部。
8.如权利要求1所述的一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦发电单元的第一摩擦层和第二摩擦发电单元的第一摩擦层表面通过粗糙化处理，以增加表面粗糙度与疏水性，加强摩擦发电单元的输出性能；所述粗糙化处理采用砂纸或喷砂处理。
9.如权利要求1所述的一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦发电单元、第二摩擦发电单元分别通过导线并联连接获取电能，利用整流电路对输出电流进行整流，继而对储能原件进行充电或直接为小型设备供电。
10.如权利要求1所述的一种固-固/固-液接触复合型摩擦纳米发电机，其特征在于工作模式分为三步：1)在断路情况下，波浪循环往复地与永电体材料进行接触，电荷在永电体材料上不断积累，通过静电感应，使背电极带有等量的正电荷；2)当永电体材料电荷饱和时，接通电路，输出功率；3)然后断开电路，继续积攒电荷，循环往复。
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