基于獨立摩擦層的納米發(fā)電機、發(fā)電機組和發(fā)電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能夠環(huán)境中機械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電器件，特別是一種基于獨立摩擦層的納米發(fā)電機、發(fā)電機組以及相關(guān)的發(fā)電方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在微電子和材料技術(shù)高速發(fā)展的今日，大量新型具有多種功能和高度集成化的微型電子器件不斷被開發(fā)出來，并在人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域展現(xiàn)出前所未有的應(yīng)用前景。然而，和這些微型電子器件所匹配的電源系統(tǒng)的研究卻相對滯后，一般說來，這些微型電子器件的電源都是直接或者間接來自于電池。電池不僅體積較大、質(zhì)量較重，而且含有的有毒化學物質(zhì)對環(huán)境和人體存在潛在的危害。因此，開發(fā)出能將運動、振動等自然存在的機械能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)具有極其重要的意義。
[0003]從2012年開始，基于摩擦靜電效應(yīng)的納米發(fā)電機得以快速發(fā)展，并以其高效的輸出、簡單的工藝、穩(wěn)定的性能，為機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軄眚?qū)動電子器件提供了一種十分具有前景的途徑。但是，基于現(xiàn)有的摩擦電納米發(fā)電機的基本模式與器件設(shè)計，兩個相互運動的摩擦層均附著有電極，并通過導(dǎo)線接入系統(tǒng)，也就是說發(fā)電機結(jié)構(gòu)中在外部機械能作用下運動的部件必須有導(dǎo)線連出。這一特點很大程度地限制了摩擦電納米發(fā)電機的應(yīng)用，使其無法有效收集環(huán)境中任意的自由運動物體的機械能。因此，如果能夠設(shè)計一種運動的摩擦層不需要連接電極的摩擦發(fā)電機，將對摩擦發(fā)電機的廣泛應(yīng)用具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是設(shè)計一種新型摩擦電納米發(fā)電機，其中在外部機械能作用下的摩擦層部件不需要連接電極，可以用任何能夠產(chǎn)生摩擦靜電或已帶有摩擦靜電的物體來充當。
[0006]技術(shù)方案
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于獨立摩擦層的納米發(fā)電機。該發(fā)電機設(shè)計包括兩個分隔設(shè)置的電極層，和一個與兩個電極層交替接觸的摩擦層，該摩擦層不需要另外附著電極層和連接導(dǎo)線，可以自由移動。在工作時，該獨立的摩擦層相對于兩個電極層發(fā)生位移，并交替與兩個電極層接觸，在此過程中，摩擦層表面所帶有的摩擦凈電荷將隨其一起移動，而使得電極層間的感應(yīng)電勢差發(fā)生周期性變化，驅(qū)動電極層間連接的外電路上產(chǎn)生交流電流。這種發(fā)電機結(jié)構(gòu)能夠比較方便的調(diào)整輸出電壓，例如將兩個電極層置于同一平面上，使二者之間的等效電容量很小，該發(fā)電機可以產(chǎn)生很高的電壓輸出(超過I萬伏)。此外，獨立的摩擦層每一次從一個電極表面轉(zhuǎn)移到另一個電極表面的過程，可以帶動與摩擦層上靜電荷等量的電荷轉(zhuǎn)移。因此，這種結(jié)構(gòu)是一種十分高效的將機械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)計。
[0008]這種基于獨立摩擦層的納米發(fā)電機，可以直接讓摩擦層在兩個電極層的表面滑動，通過其間的相互摩擦產(chǎn)生的靜電荷作為滑動感應(yīng)源。除此之外，也可以在兩個電極層表面再鋪設(shè)一層隔離層，摩擦層與該隔離層間通過摩擦來產(chǎn)生靜電。這兩種結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是一樣的。
[0009]由于摩擦靜電普遍存在于自然環(huán)境和人類生活環(huán)境中任何絕緣體的表面，因此利用這種發(fā)電機原理和結(jié)構(gòu)，可以直接將運動物體自身的絕緣體表面作為“獨立的摩擦層”，極為簡便和普適地收集自由運動物體上的機械能。在此基礎(chǔ)上，為了增大輸出，還可以給運動體表面上覆蓋一層易于產(chǎn)生高摩擦電荷密度的材料，如聚四氟乙烯等。
[0010]基于上述思路，本發(fā)明首先提供一種獨立摩擦層的納米發(fā)電機，包括第一部件、第二部件和電信號輸出端，其中所述第二部件由一個第一電極層和與之配合的一個第二電極層組成，所述第一電極層和第二電極層分隔設(shè)置并且分別與所述電信號輸出端的兩端電連接，所述第一部件的下表面交替與所述第一電極層和第二電極層接觸，使所述第一電極層和第二電極層通過電信號輸出端向外輸出電信號,所述第一部件的下表面與所述第一電極層和第二電極層的材料具有不同的摩擦電性質(zhì)；
[0011]優(yōu)選地，所述第一部件在初次與所述電極層接觸前為電中性或帶電體；
[0012]優(yōu)選地，所述第一部件不能同時覆蓋所述第一電極層和第二電極層；
[0013]優(yōu)選地，所述第一部件的形狀和尺寸與所述第一電極層和/或第二電極層的尺寸和形狀相同；
[0014]優(yōu)選地，所述第一部件為絕緣體或半導(dǎo)體；
[0015]優(yōu)選地，所述第一部件10的下表面和/或第二部件20的上表面全部或部分設(shè)置有微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)陣列；
[0016]優(yōu)選地，所述第一電極層和第二電極層的尺寸和形狀相同或不同；
[0017]優(yōu)選地，所述第一電極層和第二電極層之間的分隔距離為0.lmm-5cm ；
[0018]優(yōu)選地，所述第一電極層和第二電極層處于同一個平面上；
[0019]優(yōu)選地，所述第一電極層和第二電極層之間的空隙中填有填充介質(zhì)；
[0020]優(yōu)選地，所述填充介質(zhì)選自聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酹A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚(2，6- 二甲基聚亞苯基氧化物)、不導(dǎo)電的液體、不導(dǎo)電的氣體或真空；
[0021]優(yōu)選地，還包括隔離層，所述第一電極層和第二電極層的上表面完全貼合在所述隔離層的背面，第一部件的下表面交替與背面貼合有所述第一電極層的隔離層的部分上表面、以及背面貼合有第二電極層的隔離層的部分上表面接觸，并且所述第一部件的下表面與隔離層材料具有不同的摩擦電性質(zhì)；
[0022]優(yōu)選地，所述隔離層為絕緣材料；
[0023]優(yōu)選地，所述第一部件為絕緣體、半導(dǎo)體或?qū)w；
[0024]優(yōu)選地，所述隔離層為分立結(jié)構(gòu)或一體結(jié)構(gòu)。
[0025]本發(fā)明還提供一種基于上述獨立摩擦層納米發(fā)電機的發(fā)電機組，包括:由2個以上前述任一款納米發(fā)電機并聯(lián)或串聯(lián)形成；
[0026]優(yōu)選地，至少部分納米發(fā)電機共用I個第一部件；
[0027]優(yōu)選地，所有所述納米發(fā)電機共用I個第一部件；
[0028]優(yōu)選地，各所述納米發(fā)電機中的第二部件相同或不同；
[0029]優(yōu)選地，每個納米發(fā)電機均與一個獨立的電信號輸出端電連接，或者至少2個納米發(fā)電機共用一個電信號輸出端；
[0030]優(yōu)選地，至少部分納米發(fā)電機的第一電極層連接形成互相導(dǎo)通的第一導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，同時與之配合的第二電極層連接形成互相導(dǎo)通的第二導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并且兩個導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)相互隔離；
[0031]優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和第二導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形狀相同或互補；
[0032]優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和第二導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)均為規(guī)整的周期性結(jié)構(gòu)，每個周期性重復(fù)單元的尺寸和形狀相同；
[0033]優(yōu)選地，所述重復(fù)單元的尺寸和形狀與所述第一部件的形狀和尺寸相同；
[0034]優(yōu)選地，相鄰兩個第一部件同時與一個導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的不同重復(fù)單元接觸；
[0035]優(yōu)選地，所述第一部件與第二部件的數(shù)目相同。
[0036]本發(fā)明還提供一種發(fā)電方法，包括如下步驟:
[0037]I)提供分隔放置的第一電極層和第二電極層，并將兩個電極層分別與電信號輸出端的兩端電連接；
[0038]2)使獨立的第一部件交替與第一電極層和第二電極層接觸；
[0039]3 )通過電信號輸出端向外輸出電信號；
[0040]優(yōu)選地，步驟2)的交替接觸通過第一部件在兩個電極層之間來回滑動實現(xiàn)，或者通過改變第一部件分別與兩個電極層之間的垂直間距所造成的接觸和分離實現(xiàn)；
[0041]優(yōu)選地，步驟2)中的第一部件是電中性的物體或者是預(yù)先帶電的物體。
[0042]有益效果
[0043]本發(fā)明提供的基于獨立摩擦層的納米發(fā)電機最突出的優(yōu)點是運動部件不需要連接電極和導(dǎo)線，這使得幾乎任何自由運動的物體都可以作為機械能輸入，來將其上的靜電從一個電極表面帶向另一個電極表面。這極大地提高了機械能收集的簡便性、通用性。
[0044]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的【具體實施方式】部分予以詳細說明。
【附圖說明】
[0045]通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按照實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于顯示出本發(fā)明的主旨。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)