CN115664252A - 一种静电感应电荷镜像式的电能发生器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电感应电荷镜像式的电能发生器件，包括至少一组摩擦起电模块和至少一组机械运动电能输出模块；摩擦起电模块包括依次叠层设置的第一电极、第一摩擦层、第二摩擦层和第二电极，第一摩擦层和第二摩擦层被配置成在外界作用下可使它们彼此接触；机械运动电能输出模块包括第三电极和第四电极，第三电极和第四电极之间通过第二支撑件间隔开，且第三电极和第四电极被配置为能够在外界作用下发生非接触的往复相对运动，摩擦起电模块的第一电极或第二电极与机械运动电能输出模块的第三电极或第四电极电气连接；本发明的电能发生器件可以获得方式自由、幅度大且可变、来源多样的机械能量收集方式，进而更有效地输出电能。

Description

一种静电感应电荷镜像式的电能发生器件

技术领域

本发明属于摩擦发电技术领域，具体涉及一种静电感应电荷镜像式的电能发生器件。

背景技术

在全球变暖和能源危机的大背景下，减少碳排放，寻找可再生的绿色能源是人类文明可持续发展面临的最紧迫的挑战之一。机械振动，在人们的日常生活中以广泛的形式和尺度普遍存在着。在过去的数十年里，对机械能源的收集一直被认为是极具吸引力的目标。高性能的机械-电能转换器件，因其可以收集广泛存在的机械能成为现代新能源开发的重要研究课题之一。

输出功率是基于摩擦起电和机械运动的电能发生器件的重要性能指标之一。因此，人们一直以来致力于通过提高摩擦起电效率或改善发电机结构来提高其输出功率。许多研究通过摩擦材料的表面修饰、改性和结构优化来提高摩擦电荷的数量。也有通过在摩擦层间引入聚苯乙烯等介质材料层来抑制摩擦电荷的泄漏以提高器件输出功率。但目前大多继承了经典结构特征，即摩擦起电结构与机械运动发电结构处于同一个运动空间，这不仅造成了整体结构的不稳定，且限制了运动部件的位移幅度和形式，从而限制了其输出功率。

发明内容

基于上述目的，本发明提供了一种静电感应电荷镜像式的电能发生器件，克服现有摩擦发电机器件由于摩擦起电结构和机械运动结构为一体式导致摩擦面的接触需求限制其有效机械运动的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种静电感应电荷镜像式的电能发生器件，包括至少一组摩擦起电模块和至少一组机械运动电能输出模块；

所述摩擦起电模块包括依次叠层设置的第一电极、第一摩擦层、第二摩擦层和第二电极，所述第一摩擦层和第二摩擦层之间通过第一支撑件间隔开，且第一摩擦层和第二摩擦层被配置成在外界作用下可使它们彼此接触；所述机械运动电能输出模块包括第三电极和第四电极，所述第三电极和第四电极之间通过第二支撑件间隔开，且所述第三电极和第四电极被配置为能够在外界作用下发生非接触的往复相对运动；所述第三电极和第四电极之间填充有介质材料；

所述摩擦起电模块的第一电极或第二电极与机械运动电能输出模块的第三电极或第四电极电气连接；

所述第一摩擦层材料为易得电子的负极摩擦材料，所述第二摩擦层材料为易失电子的正极摩擦材料，所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料可互换；所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极均导电材料。

优选的，所述摩擦起电模块中的第一摩擦层或第二摩擦层的厚度为10nm～5mm。

优选的，所述摩擦起电模块中的第一电极或第二电极的厚度为10μm～25mm。

优选的，所述第一支撑件为弹性件或者第一摩擦层a1和第二摩擦层a2设置为弹性体。

优选的，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极均为导电金属、导电合金、导电高分子材料及其复合材料、石墨烯、银纳米线膜、铟锡氧化物中的任一种。

优选的，所述导电的金属材料为金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；所述导电合金为铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金；所述导电的高分子材料为聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯硫醚、聚喹啉、聚酞菁及其金属螯合物。

优选的，所述第三电极和第四电极之间填充有介质材料，所述介质材料为真空或者极性较小的气体。

优选的，所述易得电子的负极摩擦材料为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯腈、金、银、铂、铝、镍、铜、铁中的任一种。

优选的，所述易失电子的正极摩擦材料包括聚乙烯醇、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、丝绸、ABS、镁、金、银、铂、铝、镍、铜、铁中的任一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的静电感应电荷镜像式的电能发生器件的摩擦起电模块和机械运动电能输出模块间只存在一单电极电气连接，二者相互独立，各自的运动互不影响，使得机械运动电能输出模块的电极的相对运动形式和幅度不再受限于现有摩擦发电机器件由于摩擦起电结构和机械运动结构为一体式导致摩擦面的接触需求限制其有效机械运动的问题，从而可以获得方式自由、幅度大且可变、来源多样的机械能量收集方式，进而更有效地输出电能。

附图说明

图1是本发明静电感应电荷镜像式的电能发生器件原理结构示意图。

图2是具有多组摩擦起电模块和机械运动电能输出模块的静电感应电荷镜像式的电能发生器件原理结构示意图。

图3是实施例1记载的静电感应电荷镜像式的电能发生器件结构图。

图4是实施例1记载的静电感应电荷镜像式的电能发生器件的开路电压输出结果。

图5是实施例2记载的静电感应电荷镜像式的电能发生器件结构图。

图6是实施例3记载的静电感应电荷镜像式的电能发生器件结构图。

图7是本发明的静电感应电荷镜像式的电能发生器件的机械运动电能输出模块电极周期性垂直相向运动时的开路电压输出结果。

图8是本发明的静电感应电荷镜像式的电能发生器件的机械运动电能输出模块电极周期性水平相向运动时的开路电压输出结果。

图中各标号的含义：

c1-第一电极，a1-第一摩擦层，a2-第二摩擦层，c2-第二电极，b1-第一支撑件；c3-第三电极，c4-第四电极，b2-第二支撑件，d-介质材料；e-导体；m-模态激振器。

具体实施方式

本发明的静电感应电荷镜像式的电能发生器件，包括相互独立的摩擦起电模块和机械运动电能输出模块；其中，摩擦起电模块包括依次叠层设置的第一电极c1、第一摩擦层a1、第二摩擦层a2和第二电极c2，机械运动电能输出模块包括第三电极c3和第四电极c4，摩擦起电模块的第一电极c1或第二电极c2与机械运动电能输出模块的第三电极c3或第四电极c4电气连接。当摩擦起电模块在外力作用下压缩时，其第一摩擦层a1和第二摩擦层a2互相摩擦或接触产生电荷，由于摩擦起电模块的一端电极与机械运动电能输出模块的一端电极电气连接，摩擦起电模块产生的电荷传递到机械运动电能输出模块的一端电极，同时由于静电镜像效果，在机械运动电能输出模块另一电极上会产生相反的感应电荷并在第三电极c3与第四电极c4之间产生电势差。随着外力使机械运动电能输出模块的第三电极c3和第四电极c4发生往复的相对运动，就可以在外电路中形成周期性的电流信号。

本发明可通过导线e将摩擦起电模块中的其中一个电极与机械运动电能输出模块中的一个电极连接起来，或者将摩擦起电模块中的其中一个电极作为机械运动电能输出模块中的一个电极，如图2中，可将c1和c3合并为一个电极。

本发明的摩擦起电模块和机械运动电能输出模块均至少设置一组，图1、图3、图5和图6均为一组摩擦起电模块、一组机械运动电能输出模块。当摩擦起电模块设置有两组以上时，这些摩擦起电模块依次叠加，当机械运动电能输出模块设置有两组以上时，每组机械运动电能输出模块均通过导线连接在摩擦起电模块上，相当于整个摩擦起电模块并联多个机械运动电能输出模块2。如图2所示为三组摩擦起电模块和两组机械运动电能输出模块的连接示意图。

第一摩擦层a1和第二摩擦层a2之间设置有间隙，具体通过连接第一摩擦层a1和第二摩擦层a2之间的第一支撑件b1将两者间隔开。且第一摩擦层a1和第二摩擦层a2被配置成在外界作用下可使它们彼此接触，具体可将第一支撑件b1设置为弹性件或者将第一摩擦层a1和第二摩擦层a2设置为弹性体，在外界挤压下，两者可彼此接触。

第三电极c3和第四电极c4之间通过第二支撑件b2间隔开，第二支撑件b2为弹性件(图5)或者非弹性件(图3)，且第三电极c3和第四电极c4被配置为能够在外界作用下发生非接触的往复相对运动，相对运动方式为可改变两电极间电容的任意方式，如相向，平移，相对倾角改变等，运动幅度不限。第三电极c3和第四电极c4之间填充有介质材料d，介质材料d为真空或者极性较小的气体(如空气、氮气、氧气、氦气、氩气或二氧化碳)。

第一摩擦层a1材料为易得电子的负极摩擦材料，包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯腈、金、银、铂、铝、镍、铜、铁中的任一种。

第二摩擦层a2材料为易失电子的正极摩擦材料，包括聚乙烯醇、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、丝绸、ABS、镁、金、银、铂、铝、镍、铜、铁中的任一种。

第一电极c1、第二电极c2、第三电极c3、第四电极c4均导电材料，如导电金属(金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒)、导电合金(铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金)、导电高分子材料(聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯硫醚、聚喹啉、聚酞菁及其金属螯合物)及其复合材料、石墨烯、银纳米线膜、铟锡氧化物中的任一种。

本发明中的导体e为任何形状、长度的可以达到电气连接的材料，材料可与上述四个电极的材料相同。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例中，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。

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，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

实施例1

本实施例公开的静电感应电荷镜像式的电能发生器件结构见图3所示，包括一个摩擦起电模块和一个机械运动电能输出模块，其中摩擦起电模块包括依次叠层设置的第一电极c1、第一摩擦层a1、第二摩擦层a2和第二电极c2，第一摩擦层a1和第二摩擦层a2之间通过设置在边缘处的第一支撑件b1(不锈钢弹簧)支撑分隔，整个摩擦起电模块支撑在一个模态激振器m上。机械运动电能输出模块包括第三电极c3或第四电极c4，其中第三电极c3通过一个亚克力板支撑在第一电极c1上方，且第三电极c3与第一电极c1通过导线e连接，第四电极c4通过第二支撑件b2支撑上第三电极c3上方，且第四电极c4固定不动，第三电极c3在模态激振器的作用下运动。

本实施例的第一摩擦层a1、第一电极c1、第二电极c2、第三电极c3材料均采用方形(5cm×5cm)厚度为20μm铝箔，第二摩擦层a2采用方形(5cm×5cm)厚度为100μm聚四氟乙烯薄膜。第四电极c4采用单面抛光的大面积方形(20cm×20cm)厚度为5mm不锈钢钢板，该电极支撑在地面上，并接地。

对于本实施例中的电能发生器件，需要摩擦起电模块的第一摩擦层a1和第二摩擦层a2互相接触的表面的材料具有摩擦产生的得失电子能力的差异，这使得两表面在模态激振器的作用下互相接触分离之后，摩擦层表面带有等量的异种电荷，该电荷通过连通导体传导至机械运动电能输出模块的一侧电极，并在另一侧固定电极引发感应电荷，通过机械运动电能输出模块两电极的开合相互运动改变其等效电容，从而改变电极间的输出电压波形，从而对外输出功率。

图4为实施例的静电感应电荷镜像式的电能发生器件在外界20Hz的振动激励下，第三电极c3和第四电极c4间对外输出的电压波形的谱线。其中图4a～4d分别为当机械运动电能输出模块的初始电极间距为4cm、5cm、6cm和7cm的输出电压谱线。可以看出，图4a～4d中谱线幅值特性相一致，说明机械运动电能输出模块的输出电压与电极间距无关，机械运动电能输出模块的电极间距的变化并不会影响其输出电压。

实施例2

本实施例公开的静电感应电荷镜像式的电能发生器件结构见图5所示，包括一个摩擦起电模块和一个机械运动电能输出模块，其中摩擦起电模块包括依次叠层设置的第一电极c1、第一摩擦层a1、第二摩擦层a2和第二电极c2，第一摩擦层a1和第二摩擦层a2之间通过设置在边缘处的第一支撑件b1(不锈钢弹簧)支撑分隔。机械运动电能输出模块包括运动的电极部件(第三电极c3，第四电极c4)，之间用较硬长弹簧隔开。

本实施例采用方形(5cm×5cm)厚度为20μm铝箔作为摩擦起电模块的第一摩擦层a1、第一电极c1和第二电极c2材料，采用方形(5cm×5cm)厚度为100μm聚四氟乙烯薄膜作为摩擦起电模块的第二摩擦层a2，采用方形(5cm×5cm)厚度为50μm铜箔作为第三电极c3和第四电极c4，并采用双面导电的铜箔胶带连接第二电极c2和第三电极c3。

当用外力按压c1上侧的平板时，c3跟随摩擦起电模块与固定的第四电极c4发生开合运动。

对于本实施例中的电能发生器件，需要摩擦起电模块的第一摩擦层a1与第二摩擦层a2互相接触的表面的材料具有摩擦产生的得失电子能力的差异，这使得在两表面在上侧间断性的按压应力的作用下互相接触分离之后，摩擦层表面带有等量的异种电荷，该电荷通过连通导体传导至机械运动电能输出模块的一侧电极，并在另一侧固定电极引发感应电荷，通过机械运动电能输出模块两电极的相互运动改变其等效电容，从而改变电极间的输出电压波形，从而对外输出功率。

实施例3

本实施例公开的静电感应电荷镜像式的电能发生器件结构见图6所示，与实施例2的结构相同，区别在于：摩擦起电模块和机械运动电能输出模块分开放置，第二电极c2和第三电极c3通过导线e连接。

图7所示为在外界周期性按压摩擦起电模块使之产生摩擦电荷的同时，使机械运动电能输出模块的第三电极c3和第四电极c4周期性垂直相向运动，在c3和c4间输出的开路电压波形。

图8所示为在外界周期性按压摩擦起电模块使之产生摩擦电荷的同时，使机械运动电能输出模块的第三电极c3和第四电极c4周期性水平相向运动，在c3和c4间输出的开路电压波形。

从图3、图7和图8可以看出，通过分离摩擦起电模块和机械运动电能输出模块，使得机械运动电能输出模块的电极的相对运动形式和幅度不再受限于现有摩擦发电机器件由于摩擦起电结构和机械运动结构为一体式导致摩擦面的接触需求限制其有效机械运动的问题，采用本发明的电能发生器件可以获得方式自由、幅度大且可变、来源多样的机械能量收集方式，进而更有效地输出电能。

Claims (9)

1.一种静电感应电荷镜像式的电能发生器件，其特征在于，包括至少一组摩擦起电模块和至少一组机械运动电能输出模块；

所述摩擦起电模块包括依次叠层设置的第一电极(c1)、第一摩擦层(a1)、第二摩擦层(a2)和第二电极(c2)，所述第一摩擦层(a1)和第二摩擦层(a2)之间通过第一支撑件(b1)间隔开，且第一摩擦层(a1)和第二摩擦层(a2)被配置成在外界作用下可使它们彼此接触；所述机械运动电能输出模块包括第三电极(c3)和第四电极(c4)，所述第三电极(c3)和第四电极(c4)之间通过第二支撑件(b2)间隔开，且所述第三电极(c3)和第四电极(c4)被配置为能够在外界作用下发生非接触的往复相对运动；所述第三电极(c3)和第四电极(c4)之间填充有介质材料(d)；

所述摩擦起电模块的第一电极(c1)或第二电极(c2)与机械运动电能输出模块的第三电极(c3)或第四电极(c4)电气连接；

所述第一摩擦层(a1)材料为易得电子的负极摩擦材料，所述第二摩擦层(a2)材料为易失电子的正极摩擦材料，所述第一摩擦层(a1)和第二摩擦层(a2)的材料可互换；所述第一电极(c1)、第二电极(c2)、第三电极(c3)、第四电极(c4)均导电材料。

2.如权利要求1所述的静电感应电荷镜像式的电能发生器件，其特征在于，所述摩擦起电模块中的第一摩擦层(a1)或第二摩擦层(a2)的厚度为10nm～5mm。

3.如权利要求1所述的静电感应电荷镜像式的电能发生器件，其特征在于，所述摩擦起电模块(1)中的第一电极(c1)或第二电极(c2)的厚度为10μm～25mm。

4.如权利要求1所述的静电感应电荷镜像式的电能发生器件，其特征在于，所述第一支撑件(b1)为弹性件或者第一摩擦层a1和第二摩擦层a2设置为弹性体。

5.如权利要求1所述的静电感应电荷镜像式的电能发生器件，其特征在于，所述第一电极(11)、第二电极(14)、第三电极(21)、第四电极(22)均为导电金属、导电合金、导电高分子材料及其复合材料、石墨烯、银纳米线膜、铟锡氧化物中的任一种。

6.如权利要求5所述的静电感应电荷镜像式的电能发生器件，其特征在于，所述导电的金属材料为金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；所述导电合金为铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金；所述导电的高分子材料为聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯硫醚、聚喹啉、聚酞菁及其金属螯合物。

7.如权利要求1所述的静电感应电荷镜像式的电能发生器件，其特征在于，所述第三电极(c3)和第四电极(c4)之间填充有介质材料(d)，所述介质材料(d)为真空或者极性较小的气体。

8.如权利要求1所述的静电感应电荷镜像式的电能发生器件，其特征在于，所述易得电子的负极摩擦材料为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯腈、金、银、铂、铝、镍、铜、铁中的任一种。

9.如权利要求1所述的静电感应电荷镜像式的电能发生器件，其特征在于，所述易失电子的正极摩擦材料包括聚乙烯醇、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、丝绸、ABS、镁、金、银、铂、铝、镍、铜、铁中的任一种。

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