本發(fā)明涉及微納能源發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種納米發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：

隨著移動(dòng)電子設(shè)備的快速發(fā)展，人們對(duì)于那些用于溝通、安全及傳感的設(shè)備的依賴性日益增加。所有這些設(shè)備目前都需要外接電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，例如鋰電池，然而鋰電池具有有限的能量?jī)?chǔ)存容量且存在環(huán)境污染的問題。相應(yīng)地，利用鋰電池也就無(wú)法滿足在偏遠(yuǎn)地區(qū)或特定環(huán)境等的高電能需求。例如，在發(fā)展中國(guó)家或地區(qū)的科學(xué)家或者探險(xiǎn)者在探險(xiǎn)過程中傳統(tǒng)的電能不能滿足需求時(shí)，發(fā)展可再生的依靠人類運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)能源是至關(guān)重要的。因此需要一種能夠利用人類運(yùn)動(dòng)來(lái)為電子設(shè)備提供電能的設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種納米發(fā)電機(jī)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中已有外接電源儲(chǔ)存容量有限且存在污染環(huán)境的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種納米發(fā)電機(jī)，該納米發(fā)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子、定子、以及位于所述轉(zhuǎn)子和所述定子之間的隔離層，其中，所述轉(zhuǎn)子的一部分、所述定子的第一部分和所述隔離層組成摩擦發(fā)電機(jī)；以及所述轉(zhuǎn)子的另一部分和所述定子的第二部分組成磁電發(fā)電機(jī)，所述定子的第三部分組成熱電發(fā)電機(jī)。

通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明的納米發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)子的一部分、定子的第一部分和隔離層組成摩擦發(fā)電機(jī)，由轉(zhuǎn)子的另一部分和定子的第二部分組成磁電發(fā)電機(jī)，以及由定子的第三部分組成熱電發(fā)電機(jī)，由此可以利用摩擦電效 應(yīng)、磁電效應(yīng)和熱電效應(yīng)的耦合將人類運(yùn)動(dòng)(機(jī)械能)轉(zhuǎn)化為電能以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的直流電流輸出，從而可以為各種電子設(shè)備提供可再生的電能，克服了已有外接電源儲(chǔ)存容量有限且存在污染環(huán)境的問題。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

附圖是用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的電極單元層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的線圈層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的隔離層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的溫差熱電片層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的導(dǎo)熱金屬板的示意圖；

圖8A和8B是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的磁電發(fā)電機(jī)在3000轉(zhuǎn)/分鐘下的輸出電信號(hào)圖；

圖9A和9B是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的摩擦發(fā)電機(jī)在3000轉(zhuǎn)/分鐘下的輸出電信號(hào)圖；以及

圖10A和10B是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的熱電發(fā)電機(jī)在3000轉(zhuǎn)/分鐘下的輸出電信號(hào)圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的電極單元層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的線圈層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的隔離層的結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，本發(fā)明一種實(shí)施方式提供的納米發(fā)電機(jī)100包括轉(zhuǎn)子10、定子20、以及位于所述轉(zhuǎn)子10和所述定子20之間的隔離層30，其中，所述轉(zhuǎn)子10的一部分、所述定子20的第一部分和所述隔離層30組成摩擦發(fā)電機(jī)；以及所述轉(zhuǎn)子10的另一部分和所述定子20的第二部分組成磁電發(fā)電機(jī)，所述定子20的第三部分組成熱電發(fā)電機(jī)。

通過由轉(zhuǎn)子的一部分、定子的第一部分和隔離層組成摩擦發(fā)電機(jī)、由轉(zhuǎn)子的另一部分和定子的第二部分組成磁電發(fā)電機(jī)、以及由定子的第三部分組成熱電發(fā)電機(jī)構(gòu)成本發(fā)明的納米發(fā)電機(jī)，由此可以利用摩擦電效應(yīng)、磁電效應(yīng)和熱電效應(yīng)的耦合將人類運(yùn)動(dòng)(機(jī)械能)轉(zhuǎn)化為電能以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的直流電流輸出，從而可以為各種電子設(shè)備提供可再生的電能，克服了已有外接電源儲(chǔ)存容量有限且存在污染環(huán)境的問題。

根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，所述轉(zhuǎn)子10包括同軸依次設(shè)置的磁體層101和摩擦單元層102。所述定子20包括同軸依次設(shè)置的電極單元層200、線圈層203、溫差熱電片層204和導(dǎo)熱金屬板205，其中所述摩擦單元層102、所述電極單元層200和所述隔離層30組成摩擦發(fā)電機(jī)，所述磁體層101和所述線圈層203組成磁電發(fā)電機(jī)，所述溫差熱電片層204和所述導(dǎo)熱金屬板205 組成熱電發(fā)電機(jī)。

其中，所述隔離層30位于所述摩擦單元層102與電極單元層200之間。摩擦單元層102不需要另外附著電極層以及連接導(dǎo)線，可以實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)。

結(jié)合圖1-5所示，所述磁體層101包括第一基板和在所述第一基板上設(shè)置的多對(duì)間隔排列的N極和S極磁體M，所述摩擦單元層102包括多個(gè)摩擦單元T。所述電極單元層200包括交替間隔設(shè)置的多個(gè)第一電極單元201和多個(gè)第二電極單元202，所述線圈層203包括第二基板和在第二基板上設(shè)置的多個(gè)線圈，所述溫差熱電片層204包括第三基板和在所述第三基板的上表面上設(shè)置的多個(gè)溫差熱電片，所述導(dǎo)熱金屬板205設(shè)置在所述第三基板的下表面上。其中，所述摩擦單元層102與所述電極單元層200之間通過相對(duì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，并經(jīng)由所述第一電極單元201和第二電極單元202以及所述多個(gè)線圈和所述多個(gè)溫差熱電片輸出電信號(hào)。

其中，磁體M與線圈可以分別固定設(shè)置在第一基板和第二基板上。例如，磁體M的對(duì)數(shù)可以設(shè)置為m，而線圈的個(gè)數(shù)可以設(shè)置為2m。也就是，線圈的個(gè)數(shù)為磁體M的對(duì)數(shù)的二倍即可。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，上述描述僅僅是示例性的，并非用于限定本發(fā)明。

對(duì)于溫差熱電片層204和導(dǎo)熱金屬板205，溫差熱電片層204的熱輸入端面(多個(gè)溫差熱電片)與第二基板貼合，溫差熱電片層204的熱輸出端面(第三基板)與導(dǎo)熱金屬板205貼合。

根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，所述第一電極單元201與所述第二電極單元202可以為相同的導(dǎo)電材料：所述第一電極單元201與所述第二電極單元202之間的間隔范圍為10nm-1cm。

對(duì)于多個(gè)摩擦單元T，該多個(gè)摩擦單元T以發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸為圓心向外輻射間隔排列。類似地，第一電極單元201與所述第二電極單元202也是以發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸為圓心向外輻射間隔排列。其中，所述第一電極單元201與 所述第二電極單元202在同一平面內(nèi)間隔設(shè)置。

根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，所述多個(gè)第一電極單元201相互并聯(lián)連接，所述多個(gè)第二電極單元202相互并聯(lián)連接；所述多個(gè)線圈相互串聯(lián)連接構(gòu)成線圈回路；所述多個(gè)溫差熱電片相互串聯(lián)連接，其中所述線圈為單相同心式繞組平面環(huán)形線圈。優(yōu)選地，線圈的直徑大小可以與磁鐵的直徑大小相等，線圈的匝數(shù)例如可以大于2000匝。

根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，其中所述第一電極單元201和所述第二電極單元202的上表面與所述隔離層30的下表面接觸，所述多個(gè)摩擦單元T中的每個(gè)摩擦單元T的下表面交替與下表面連接有所述第一電極單元201的隔離層30的上表面和下表面連接有所述第二電極單元202的隔離層30的上表面相接觸(也就是，每一個(gè)摩擦單元T不會(huì)同時(shí)與第一電極單元201和第二電極單元202接觸)，且所述摩擦單元T的材料與所述隔離層30的材料具有不同的摩擦電性質(zhì)。

其中，所述隔離層30可以為聚合物材料，所述隔離層30的厚度范圍可以為10nm-1mm。

根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，所述摩擦單元T可以為聚合物材料、半導(dǎo)體材料或?qū)щ姴牧?。所述摩擦單元T的形狀和尺寸與所述第一電極單元201和/或所述第二電極單元202的形狀和尺寸相同。

此外，所述第一電極單元201和所述第二電極單元202上可以覆蓋有絕緣層，所述絕緣層可以為高分子聚合物材料，所述絕緣層的厚度范圍為10-50μm。

根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，所述第一電極單元201的尺寸和形狀與所述第二電極單元202的尺寸和形狀相同，例如，二者均為獨(dú)立的扇形或頂點(diǎn)被同心圓切割后形成的部分扇形單元?？商鎿Q地，所述第一電極單元201的尺寸和形狀與所述第二電極單元202的尺寸和形狀也可以為互補(bǔ)的，例如，當(dāng) 其中第二電極單元202為獨(dú)立的扇形或頂點(diǎn)被同心圓切割后形成的部分扇形單元的情況下，第一電極單元201以互補(bǔ)的方式填充在第二電極單元202之間，反之亦然。優(yōu)選地，第二電極單元202的扇形或部分扇形的最小弧長(zhǎng)和第二電極單元202的厚度之比可以為0.01:1000。

其中，多個(gè)第一電極單元201的內(nèi)側(cè)互相連接形成封閉的內(nèi)邊緣，多個(gè)第二電極單元202的外側(cè)互相連接形成封閉的外邊緣；或者，多個(gè)第一電極單元201的外側(cè)互相連接形成封閉的外邊緣，多個(gè)第二電極單元202的內(nèi)側(cè)互相連接形成封閉的內(nèi)邊緣。

根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，所述溫差熱電片為導(dǎo)熱高分子材料。優(yōu)選地，溫差熱電片的額定電流可以為6A，額定電壓可以為12V，外形尺寸可以為40*40*3.8mm(分別對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度、寬度和厚度)。

根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，所述導(dǎo)熱金屬板為非鐵磁性金屬。其中，所述非鐵磁性金屬為以下中的一者：銅、鋁、銀和金。優(yōu)選地，所述導(dǎo)熱金屬板為導(dǎo)熱銅板。

根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，所述納米發(fā)電機(jī)100還包括絕緣保溫層，設(shè)置在所述溫差熱電片的四周。其中，所述絕緣保溫層為硅膠片或?qū)峁柚?/p>

通過設(shè)置絕緣保溫層，可以避免電極單元短路的問題。

雖然圖1中示出的是溫差熱電片層204和導(dǎo)熱金屬板205位于電極單元層200之下，但本發(fā)明不限于此?？商鎿Q地，溫差熱電片層204和導(dǎo)熱金屬板205也可以位于摩擦單元層102之上。

對(duì)于本發(fā)明上述的納米發(fā)電機(jī)，在該發(fā)電機(jī)工作時(shí)，摩擦單元層102在隔離層30表面來(lái)回滑動(dòng)，摩擦單元T交替與背面分別貼合有第一電極單元201和第二電極單元202的隔離層30的表面接觸和分離(即，摩擦單元層102相對(duì)于兩個(gè)電極單元發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并交替與兩個(gè)電極單元接觸和分離)。在這個(gè)過程中，轉(zhuǎn)子10的摩擦單元層102的摩擦單元T和隔離層30相互接觸 的表面帶相反的電荷。這些電荷都將保持在二者的表面，在一定時(shí)間內(nèi)幾乎不會(huì)發(fā)生流動(dòng)或者衰減。由于隔離層30始終相對(duì)于兩個(gè)電極單元保持靜止，因此它表面所帶的靜電荷在兩個(gè)電極單元間產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)差始終保持不變，不會(huì)為電流的產(chǎn)生提供驅(qū)動(dòng)力。而摩擦單元層102上的靜電將隨其本身的滑動(dòng)一起移動(dòng)，并且在交替靠近兩個(gè)電極單元時(shí)，反復(fù)改變兩個(gè)電極單元間的感應(yīng)電勢(shì)差，從而吸引電極單元回路中所帶的異號(hào)電荷在兩個(gè)電極單元之間移動(dòng)，由此在外電路產(chǎn)生電流，其輸出電信號(hào)可以如圖9A和9B所示(圖9A和9B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的磁電發(fā)電機(jī)在3000轉(zhuǎn)/分鐘下的輸出電信號(hào)圖，其中圖9A為電流輸出示意圖，圖9B為電壓輸出示意圖，摩擦單元T的數(shù)量為180)。同時(shí)，由于磁體層101旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化導(dǎo)致線圈層203發(fā)生電磁感應(yīng)而輸出電信號(hào)，其輸出電信號(hào)可以如圖8A和8B所示(圖8A和8B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的磁電發(fā)電機(jī)在3000轉(zhuǎn)/分鐘下的輸出電信號(hào)圖，其中圖8A為電流輸出示意圖，圖8B為電壓輸出示意圖，磁體的對(duì)數(shù)為4，線圈的個(gè)數(shù)為8)。

對(duì)于磁電發(fā)電機(jī)，由于圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過線圈M的磁通量產(chǎn)生周期相變化，從而對(duì)外輸出電信號(hào)。對(duì)于熱電發(fā)電機(jī)，由于圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，可以作為熱電發(fā)電機(jī)的熱源，通過導(dǎo)熱金屬板對(duì)熱量的傳導(dǎo)，從而在溫差熱電片兩側(cè)產(chǎn)生溫度差，進(jìn)而對(duì)外電路輸出電信號(hào)，其輸出電信號(hào)可以如圖10A和10B所示(圖10A和10B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的納米發(fā)電機(jī)的磁電發(fā)電機(jī)在3000轉(zhuǎn)/分鐘下的輸出電信號(hào)圖，其中圖10A為電流輸出示意圖，圖10B為電壓輸出示意圖，溫差熱電片的數(shù)量為8)。

在上述實(shí)施方式中，關(guān)于各部件的材料和/或尺寸的描述，僅僅是示例性的，并非用于限定本發(fā)明。此外，對(duì)于各部件的數(shù)量，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定，本發(fā)明不對(duì)此進(jìn)行限定。

從上述實(shí)施方式中可以看出，本發(fā)明提供的納米發(fā)電機(jī)不僅克服了已有 外接電源儲(chǔ)存容量有限且存在污染環(huán)境的問題，而且由于其中的第一電極單元與第二電極單元設(shè)置在同一平面內(nèi)(這樣可以顯著增加表面電荷的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移效率)并與摩擦層相對(duì)旋轉(zhuǎn)接觸進(jìn)行發(fā)電(大幅提高了電荷輸出的效率)，同時(shí)對(duì)于摩擦產(chǎn)生的廢熱能夠通過溫差熱電片和導(dǎo)熱金屬板進(jìn)行有效利用，從而極大的提高了發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率。此外，本發(fā)明的納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，便于實(shí)際應(yīng)用。

以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

另外需要說(shuō)明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進(jìn)行組合。為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。