CN205195598U - 复合纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及纳米新能源领域，公开了一种复合纳米发电机，该复合纳米发电机包括相互堆叠的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机，所述压电纳米发电机与所述摩擦纳米发电机之间的间隙通过垫层来实现。该复合纳米发电机能够克服单独的压电纳米发电机的输出电压低、单独的摩擦纳米发电机的输出电流低的缺陷，并能够提高该复合纳米发电机的输出功率密度。
Description
技术领域
本实用新型涉及纳米新能源领域，具体地，涉及一种复合纳米发电机。
背景技术
目前的纳米发电机可以包括压电纳米发电机和摩擦纳米发电机。压电纳米发电机的基本原理是：当纳米线在外力下动态拉伸或压缩时，纳米线中产生压电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级，从而产生电能。摩擦纳米发电机的基本原理是：利用摩擦在材料表面产生电荷，并使两者分离，从而产生极高的电势，驱动外电路的电子发生定向移动，从而产生电能。
压电纳米发电机和摩擦纳米发电机均能够从环境中收集微弱的机械能并将其转换为电能。然而，单独的压电纳米发电机的输出电压低，单独的摩擦纳米发电机的输出电流低，因此两者均不能提供高的输出功率密度。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种复合纳米发电机，该复合纳米发电机能够克服单独的压电纳米发电机的输出电压低、单独的摩擦纳米发电机的输出电流低的缺陷，并能够提高该复合纳米发电机的输出功率密度。
为了实现上述目的，本实用新型提供一种复合纳米发电机，该复合纳米发电机包括相互堆叠的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机，所述压电纳米发电机与所述摩擦纳米发电机之间的间隙通过垫层来实现。
通过上述技术方案，由于根据本实用新型的复合纳米发电机包括相互堆叠的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机，其实际上是一种摩擦压电复合式纳米发电机，因此根据本实用新型的复合纳米发电机能够克服单独的压电纳米发电机的输出电压低、单独的摩擦纳米发电机的输出电流低的缺陷，并能够提高根据本实用新型的复合纳米发电机的输出功率密度。
本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，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实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是根据本实用新型一种实施方式的复合纳米发电机的剖面示意图；
图2是根据本实用新型又一实施方式的复合纳米发电机的剖面示意图；
图3是根据本实用新型又一实施方式的复合纳米发电机的剖面示意图；
图4是根据本实用新型又一实施方式的复合纳米发电机的剖面示意图；
图5是根据本实用新型又一实施方式的复合纳米发电机的剖面示意图；
图6是根据本实用新型又一实施方式的复合纳米发电机的剖面示意图；
图7是根据本实用新型的复合纳米发电机中的压电纳米发电机的一种示例性剖面图；
图8是根据本实用新型的复合纳米发电机中的摩擦纳米发电机的一种示例性剖面图；
图9是由图7所示的压电纳米发电机和图8所示的摩擦纳米发电机组成的复合纳米发电机的其中一种结构的剖面示意图；
图10中示出了图9所示复合纳米发电机的电路连接形式；
图11是由图7所示的压电纳米发电机和图8所示的摩擦纳米发电机组成的复合纳米发电机的另一结构的剖面示意图；
图12中示出了图11所示复合纳米发电机的电路连接形式；
图13是根据本实用新型的复合纳米发电机中的摩擦纳米发电机的又一示例性剖面图；以及
图14是根据本实用新型的复合纳米发电机中的摩擦纳米发电机的又一示例性剖面图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限制本实用新型。
本实用新型提供一种复合纳米发电机，如图1所示，该复合纳米发电机包括相互堆叠的压电纳米发电机1和摩擦纳米发电机3，所述压电纳米发电机1与所述摩擦纳米发电机3之间的间隙通过垫层2来实现。
本实用新型不限制垫层2的具体结构，只要其能够使得压电纳米发电机1与摩擦纳米发电机3之间形成间隙即可。例如，垫层2使压电纳米发电机1与摩擦纳米发电机3之间形成的间隙可以是拱形结构、方形结构等等。另外，本实用新型也不限制垫层2在压电纳米发电机1与摩擦纳米发电机3之间的布置位置，只要其能够使得压电纳米发电机1与摩擦纳米发电机3之间形成间隙即可。
根据本实用新型的一个优选实施方式，在根据本实用新型的复合纳米发电机中，所述压电纳米发电机1和/或所述摩擦纳米发电机3的数量优选为多个，所述压电纳米发电机1进行堆叠，所述摩擦纳米发电机3进行堆叠，且堆叠后的压电纳米发电机1与堆叠后的摩擦纳米发电机3进行堆叠。以下对此进行详细描述。
例如，如图2的复合纳米发电机剖面示意图所示，压电纳米发电机1的数量为多个，摩擦纳米发电机3的数量为1个，而且多个压电纳米发电机1相互堆叠后再与摩擦纳米发电机3进行堆叠，且在摩擦纳米发电机3与堆叠后的压电纳米发电机1之间通过垫层2形成间隙。
再例如，如图3的复合纳米发电机剖面示意图所示，压电纳米发电机1的数量为1个，摩擦纳米发电机3的数量为多个，而且多个摩擦纳米发电机3相互堆叠后再与压电纳米发电机1进行堆叠，且在压电纳米发电机1与堆叠后的摩擦纳米发电机3之间通过垫层2形成间隙。
再例如，如图4的复合纳米发电机剖面示意图所示，压电纳米发电机1的数量为多个，摩擦纳米发电机3的数量为多个，而且多个摩擦纳米发电机3相互堆叠，多个压电纳米发电机1相互堆叠，然后堆叠后的压电纳米发电机1与堆叠后的摩擦纳米发电机3进行堆叠，且在堆叠后的压电纳米发电机1与堆叠后的摩擦纳米发电机3之间通过垫层2形成间隙。
根据本实用新型的又一优选实施方式，如图5所示，所述压电纳米发电机1和所述摩擦纳米发电机3的数量均为多个，且所述压电纳米发电机1与所述摩擦纳米发电机3交叉堆叠，在摩擦纳米发电机3与压电纳米发电机1之间通过垫层2形成间隙。
在根据本实用新型的又一优选实施方式中，还可以对图5所示的复合纳米发电机进行变型以得到如图6所示的复合纳米发电机的剖面示意图，也即，可以先将多个压电纳米发电机1进行堆叠以得到多层压电纳米发电机、将多个摩擦纳米发电机3进行堆叠以得到多层摩擦纳米发电机，然后将多层压电纳米发电机与多层摩擦纳米发电机进行交叉堆叠，另外，在多层摩擦纳米发电机与多层压电纳米发电机之间通过垫层2形成间隙。
优选地，在根据本实用新型的复合纳米发电机中，压电纳米发电机1的结构可以采用如图7的剖面示意图所示的结构，其中，该压电纳米发电机1可以包括依次堆叠的第一压电电极层11、压电材料层12和第二压电电极层13。第一压电电极层11和第二压电电极层13可以由诸如金属、金属合金、金属氧化物(例如氧化铟)等导电材料形成，其厚度可以为10nm到10mm。压电材料层12可以由锆钛酸铅(PZT)、氧化锌、聚偏氟乙烯(PVDF)等压电陶瓷以及氧化物或聚合物等材料形成。另外，压电纳米发电机1的压电极化方向可上可下，本实用新型对此不进行限制。
应当理解的是，上述压电纳米发电机1的结构仅是示例，实际上，本实用新型对压电纳米发电机1的具体结构不进行限制，也即任何结构的压电纳米发电机结构均可应用于根据本实用新型的复合纳米发电机的结构中。
优选地，在根据本实用新型的复合纳米发电机中，如图8所示，所述摩擦纳米发电机3可以包括依次堆叠的摩擦材料层31和摩擦感应电极层32。摩擦感应电极层32可以由金属、金属合金、金属氧化物(例如氧化铟)等导电材料形成，其厚度可以为10nm到10mm。摩擦材料层31优选由得电子能力较强的材料形成，例如可以为高分子聚合物材料，诸如聚四氟乙烯、聚酰亚胺等介质材料。另外，如图8所示，所述摩擦纳米发电机1还可以进一步包括与所述摩擦感应电极层32堆叠的支撑层33。支撑层33可以由聚合物，诸如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材料形成。
由图7所示的压电纳米发电机1和图8所示的摩擦纳米发电机3组成的复合纳米发电机的其中一种结构的剖面示意图请见图9所示。
以下以图9所示的复合纳米发电机为例来描述根据本实用新型的复合纳米发电机的工作原理：当压电纳米发电机1受到外界机械刺激时，压电材料层12发生形变从而在该压电材料层12的上下表面上产生电势差，并使得第一压电电极层11和第二压电电极层13的表面上感应出相反的电荷，在外电路接通的情况下就会发生电荷定向移动并形成电流，从而输出电能；与此同时，压电纳米发电机1的形变使得第二压电电极层13与摩擦纳米发电机3中的摩擦材料层31发生接触，从而导致电子的分离与转移，使得摩擦材料层31的表面带上负电荷，从而感应其下方的摩擦感应电极层32产生正电荷，并通过外电路排走电极中的负电荷形成电荷的定向移动，从而输出电能。这样就实现了根据本实用新型的复合纳米发电机利用机械能进行发电的目的。
另外，图10中示出了图9所示复合纳米发电机的电路连接形式。其中，压电纳米发电机1的第二压电电极层13作为公共电极，该公共电极分别与第一压电电极层11构成压电纳米发电机1的两极，并与整流电路41相连，第二压电电极层13同时与摩擦纳米发电机3的摩擦感应电极层32构成摩擦纳米发电机3的两极，并与整流电路42相连；最后，可将整流电路41和42的输出端并联即可。
由图7所示的压电纳米发电机1和图8所示的摩擦纳米发电机3组成的复合纳米发电机的另一结构的剖面示意图请见图11所示。该复合纳米发电机包括压电纳米发电机1、摩擦纳米发电机3以及垫层2，其中，压电纳米发电机1包括依次堆叠的第一压电电极层11、第一压电材料层12、第二压电电极层13、第二压电材料层15和第三压电电极层14，摩擦纳米发电机3包括依次堆叠的摩擦材料层31、摩擦感应电极层32和支撑层33。第一压电电极层11、第二压电电极层13和第三压电电极层14以及摩擦感应电极层32可以由金属、金属合金、金属氧化物(例如氧化铟)等导电材料形成，其厚度可以为10nm到10mm。第一压电材料层12和第二压电材料层15可以由锆钛酸铅(PZT)、氧化锌、PVDF等压电陶瓷、氧化物或聚合物等形成，同时，第一压电材料层12与第二压电材料层15的极化方向相反。第二压电电极层13为压电纳米发电机1的一个输出端，第一压电电极层11和第三压电电极层14为压电纳米发电机1的另一个输出端。摩擦材料层31优选得电子能力较强的材料，如聚四氟乙烯、聚酰亚胺等介质材料形成。支撑层33可以由聚合物，诸如PET、PMMA等材料形成。
图11所示的复合纳米发电机的工作原理为：当该纳米发电机受到外界机械刺激时，第一压电材料层12和第二压电材料层15发生形变并分别在其上下表面上产生电势差，第二压电电极层13和第三压电电极层14的电势接近，第一压电电极层11的电势与第二压电电极层13和第三压电电极层14的电势相反，在外电路接通的情况下电荷从第一压电电极层11定向移动至第二压电电极层13和第三压电电极层14(或者方向相反)，从而形成电流并输出电能；同时，压电纳米发电机1的形变使得第二压电电极层13与摩擦材料层31发生接触，从而导致电子的分离与转移，使得摩擦材料层31的表面带上负电荷并感应其下方的摩擦感应电极层32产生正电荷，并通过外电路排走电极中的负电荷形成电荷的定向移动，从而输出电能。这样就实现了根据本实用新型的复合纳米发电机利用机械能进行发电的目的。
另外，图12中示出了图11所示复合纳米发电机的电路连接形式。其中，第二压电电极层13和第三压电电极层14连接，其与第一压电电极层11构成压电纳米发电机1的两极，并与整流电路51相连；第二压电电极层13和第三压电电极层14同时与摩擦感应电极层32构成摩擦纳米发电机3的两极，并与整流电路52相连；最后，将整流电路51和52的输出端并联。
另外，应当理解的是，虽然在结合图9和图11的复合纳米发电机结构来描述根据本实用新型的复合纳米发电机的工作原理时，是压电纳米发电机1中的压电材料层发生形变来使摩擦纳米发电机3中的摩擦材料层31与摩擦感应电极层32之间发生接触与分离；但是，在实际的发电过程中，也可以是摩擦纳米发电机3中的摩擦材料层31与摩擦感应电极层32在外力作用下发生形变，对压电纳米发电机1中的压电材料层进行挤压，形成压电发电。这两种发电形式都是可行的。
在根据本实用新型的又一优选实施方式中，所述摩擦纳米发电机3还可以为单层波浪形摩擦纳米发电机，其剖面图如图13所示。该单层波浪形摩擦纳米发电机可以包括依次堆叠的第一摩擦感应电极层61、第一摩擦材料层62、第一摩擦电极层63、第一支撑层64、第二摩擦电极层65、第二摩擦材料层66和第二摩擦感应电极层67。其中，第一摩擦电极层63、第一支撑层64和第二摩擦电极层653构成了波浪形结构。第一摩擦感应电极层61、第一摩擦电极层63、第二摩擦电极层65和第二摩擦感应电极层67由导电材料形成，例如金属、金属合金、金属氧化物(例如氧化铟锡)等，其厚度可以为10nm到1mm。第一摩擦材料层62和第二摩擦材料层66可以由得电子能力强的材料形成，例如聚四氟乙烯、聚酰亚胺或聚氯乙烯等介质材料。第一支撑层64可以由柔韧材料形成，例如聚酰亚胺、聚氯乙烯等。
在根据本实用新型的又一优选实施方式中，摩擦纳米发电机3还可以为由图13所示的单层波浪形摩擦纳米发电机构成的多层波浪形摩擦纳米发电机，其剖面图如图14所示。而且，优选地，相邻的单层波浪形摩擦纳米发电机共用同一个摩擦感应电极层，例如，在图14中，第二摩擦感应电极层67是被相邻的单层波浪形摩擦纳米发电机共用的，这样，就能够使得多层波浪形摩擦纳米发电机的结构更为紧凑，且不影响多层波浪形摩擦纳米发电机的输出功率。
应当理解的是，本实用新型中给出的摩擦纳米发电机3的结构仅是示例，实际上，本实用新型对摩擦纳米发电机3的具体结构不进行限制，也即任何结构的摩擦纳米发电机结构均可应用于根据本实用新型的复合纳米发电机的结构中。
以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。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，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。
Claims (11)
1.一种复合纳米发电机，其特征在于，该复合纳米发电机包括相互堆叠的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机，所述压电纳米发电机与所述摩擦纳米发电机之间的间隙通过垫层来实现。
2.根据权利要求1所述的复合纳米发电机，其特征在于，所述压电纳米发电机和/或所述摩擦纳米发电机的数量为多个，所述压电纳米发电机进行堆叠，所述摩擦纳米发电机进行堆叠，且堆叠后的压电纳米发电机与堆叠后的摩擦纳米发电机进行堆叠。
3.根据权利要求1所述的复合纳米发电机，其特征在于，所述压电纳米发电机和所述摩擦纳米发电机的数量为多个，且所述压电纳米发电机与所述摩擦纳米发电机交叉堆叠。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的复合纳米发电机，其特征在于，所述压电纳米发电机包括依次堆叠的第一压电电极层、压电材料层和第二压电电极层。
5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的复合纳米发电机，其特征在于，所述压电纳米发电机包括依次堆叠的第一压电电极层、第一压电材料层、第二压电电极层、第二压电材料层和第三压电电极层；
其中，所述第一压电材料层与所述第二压电材料层的极化方向相反；所述第二压电电极层为所述压电纳米发电机的一个输出端，所述第一压电电极层和所述第三压电电极层为所述压电纳米发电机的另一个输出端。
6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的复合纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包括依次堆叠的摩擦材料层和摩擦感应电极层。
7.根据权利要求6所述的复合纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机还包括与所述摩擦感应电极层堆叠的支撑层。
8.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的复合纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为单层波浪形摩擦纳米发电机，所述单层波浪形摩擦纳米发电机包括依次堆叠的第一摩擦感应电极层、第一摩擦材料层、第一摩擦电极层、第一支撑层、第二摩擦电极层、第二摩擦材料层和第二摩擦感应电极层；其中，所述第一摩擦电极层、所述第一支撑层和所述第二摩擦电极层构成了波浪形结构。
9.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的复合纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为多层波浪形摩擦纳米发电机，该多层波浪形摩擦纳米发电机包括多个单层波浪形摩擦纳米发电机，每个单层波浪形摩擦纳米发电机包括依次堆叠的第一摩擦感应电极层、第一摩擦材料层、第一摩擦电极层、第一支撑层、第二摩擦电极层、第二摩擦材料层和第二摩擦感应电极层；其中，所述第一摩擦电极层、所述第一支撑层和所述第二摩擦电极层构成了波浪形结构。
10.根据权利要求9所述的复合纳米发电机，其特征在于，相邻的单层波浪形摩擦纳米发电机共用同一个摩擦感应电极层。
11.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的复合纳米发电机，其特征在于，所述压电纳米发电机与所述摩擦纳米发电机之间形成的间隙是拱形结构或方形结构。
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