一種旋轉(zhuǎn)式復合型納米發(fā)電機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及本發(fā)電技術領域，特別涉及將摩擦效應與磁電效應耦合而成的旋轉(zhuǎn)式復合納米發(fā)電機。
【背景技術】
[0002]隨著儲量有限的傳統(tǒng)化石燃料(煤、石油和天然氣等)日益消耗殆盡，能源問題業(yè)已成為限制人類社會發(fā)展的桎梏。國內(nèi)外研究人員紛紛把目光投向可再生新型能源，其中，為解決微納器件及系統(tǒng)供能而提出的納米發(fā)電機日益成為為引領微納米能源發(fā)展的主導。
[0003]基于壓電效應、熱電效應、摩擦效應、磁電效應的納米發(fā)電機已有較多報道。中國專利《一種納米發(fā)電機系統(tǒng)》(CN 201320792713),中國專利《旋轉(zhuǎn)摩擦發(fā)電機、穩(wěn)壓輸出電路和供電裝置》(CN 201410069272)，中國專利《一種輸出恒定電流的旋轉(zhuǎn)摩擦發(fā)電機中國專利》(CN 201310507488)，中國專利《旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機》(CN 201310201386)等提出了基于摩擦效應發(fā)電裝置。然而單一形式的能源轉(zhuǎn)換效率不高，使其實際應用受到限制。
[0004]如何最大限度的提高能量轉(zhuǎn)化效率已成為微納能源研究的核心，為此復合型納米發(fā)電機應運而生。復合型納米發(fā)電機集成了不同能量采集方式的優(yōu)點，起到了一定的互補增強作用，提高了能量轉(zhuǎn)化效率。中國專利《壓電和摩擦電混合納米發(fā)電機》(CN201210185780.2)，中國專利《基于壓電-摩擦效應的高電學性能納米發(fā)電機的制備方法》(CN201310376298.1)，中國專利《一種復合式納米發(fā)電機及其制備方法》(CN201210455410.6)雖然采用了多種效應耦合，但裝置均僅限于低頻機械能轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換能量較低。中國專利《一種基于壓電摩擦磁電的復合納米發(fā)電機》(CN201310099750.4)由于采用徑向磁場發(fā)電機使得體積較大，不利于微型化集成于微納系統(tǒng)。目前，基于摩擦效應和磁電效應耦合的旋轉(zhuǎn)式復合型納米發(fā)電機尚未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有多種能量利用技術存在效率不高，不利于微型化集成于微納系統(tǒng)的問題，在本發(fā)明通過耦合放射狀、陣列式、平面雙電極摩擦納米發(fā)電組件和軸向磁電發(fā)電組件的設計，提供一種高效轉(zhuǎn)換機械能為穩(wěn)定直流輸出、可直接給小型用電器件供電的裝置。
[0006]本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)式復合型納米發(fā)電機，包括:
[0007]摩擦納米發(fā)電組件，包括具有共同轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子和定子，其中，所述轉(zhuǎn)子的下表面設置有摩擦層，所述摩擦層由若干摩擦單元以所述轉(zhuǎn)軸為圓心向外輻射排列而成；所述定子包括電極層，所述電極層為在同一平面內(nèi)間隔設置的若干第一電極單元和若干第二電極單元，并且所述第一電極單元和第二電極單元均以定子的轉(zhuǎn)軸為圓心向外輻射排列，所有第一電極單元串聯(lián)連接形成第一電極，所有第二電極單元串聯(lián)連接形成第二電極；所述摩擦單元與所述定子的上表面材料存在得失電子能力差異；在外力作用下，所述轉(zhuǎn)子與定子以轉(zhuǎn)軸為軸互相轉(zhuǎn)動，使摩擦層的摩擦單元與定子的上表面滑動摩擦，摩擦層表面所帶有的摩擦凈電荷隨其一起移動，使兩個所述電極間的感應電勢差；
[0008]磁電感應發(fā)電組件，包括:磁鐵部件和線圈部件，分別設置在所述轉(zhuǎn)子和定子上。
[0009]優(yōu)選的，所述摩擦單元的材料為絕緣體，所述定子的上表面為所述電極層。
[0010]優(yōu)選的，所述定子還包括隔離層，所述電極層設置在所述隔離層的下表面，所述隔離層的上表面為所述定子的上表面；所述隔離層為絕緣材料。
[0011]優(yōu)選的，所述摩擦單元的材料為絕緣體、導體或者半導體材料。
[0012]優(yōu)選的，所述絕緣體材料選自甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚乙烯、聚丙烯、聚異丁烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚氯醚、聚酯、聚氨酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯中的一種或幾種的疊加。
[0013]優(yōu)選的，摩擦單元不能同時覆蓋相鄰的第一電極單元或第二電極單元。
[0014]優(yōu)選的，所述摩擦層中相鄰兩個所述摩擦單元之間的距離相等。
[0015]優(yōu)選的，所述電極層中，若干個所述第一電極單元和第二電極單元形成的第一電極和第二電極的尺寸和形狀相同或者互補。
[0016]優(yōu)選的，所述第一電極單元和第二電極單元均為扇形或頂點被同心圓切割后形成的部分扇形結(jié)構(gòu)。
[0017]優(yōu)選的，所述第一電極單元和第二電極單元各自的頂角相同。
[0018]優(yōu)選的，所述摩擦單元為與第一電極單元頂角相同的扇形或頂點被同心圓切割后形成的部分扇形；所述摩擦單元、第一電極單元和第二電極單元的尺寸基本相同。
[0019]優(yōu)選的，相鄰的第一電極單元和第二電極單元之間的分隔距離為lOnm-lcm。
[0020]優(yōu)選的，所述扇形或者部分扇形的最小弧長和電極單元的厚度之比為0.01至1000
[0021]優(yōu)選的，所述線圈部件固定在所述定子下表面；所述磁鐵部件固定在所述轉(zhuǎn)子上表面。
[0022]優(yōu)選的，所述線圈為為單相、同心式繞組平面環(huán)形線圈；所述磁鐵為釹鐵硼、鋁鎳鈷、釤鈷、鐵氧體。
[0023]優(yōu)選的，所述線圈的匝數(shù)大于100匝。
[0024]優(yōu)選的，，所述磁鐵部件包括m對磁體，m對磁體按照N，S極交替排列均勻分布在以所述轉(zhuǎn)軸為軸的同一圓周(m多I)上，所述線圈部件包括2m個線圈，2m個線圈均勻分布在以轉(zhuǎn)軸為軸的同一圓周上。
[0025]優(yōu)選的，2m個所述環(huán)形線圈串聯(lián)連接。
[0026]優(yōu)選的，所述隔離層為薄層結(jié)構(gòu)，厚度為1nm至1mm。
[0027]優(yōu)選的，所述摩擦單元和/或定子上表面的中，至少一個表面包括微納納結(jié)構(gòu)，所述微納結(jié)構(gòu)為納米線、納米棒、納米管、納米顆粒、納米溝槽、微米溝槽、納米錐、微米錐、納米球或微米球狀結(jié)構(gòu)，或者上述結(jié)構(gòu)形成的陣列。
[0028]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0029]1、本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式復合型納米發(fā)電機，通過兩個電極集成在同一平面、摩擦層與電極層相對旋轉(zhuǎn)的平面旋轉(zhuǎn)摩擦電發(fā)電組件和軸向磁電發(fā)電組件的設計，使旋轉(zhuǎn)的機械運動，同時產(chǎn)生摩擦發(fā)電和磁電發(fā)電，極大的提高了發(fā)電機能量轉(zhuǎn)化效率和輸出電流，而且采用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設計同時也減小了器件體積。摩擦納米發(fā)電組件的兩個電極層集成在同一平面顯著增加了表面電荷的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移效率，同時轉(zhuǎn)子10與定子20通過旋轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)滑動摩擦，大幅提高了電荷輸出的頻率。
[0030]2、發(fā)電機中的盤式軸向磁電發(fā)電組件的設計，在提高能量轉(zhuǎn)化效率同時減小了器件體積。整個發(fā)電機制備工藝簡單，材料易于獲得并且成本低廉，有利于在利用機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊矫鎽猛茝V。
[0031]3、本發(fā)明的發(fā)電機中，摩擦納米發(fā)電組件和磁電發(fā)電組件均可以獲得高達毫安級的電流輸出，足以給很多日常的小型電器供電。可以直接作為實用電源，直接對小型用電設備進行實時供電。
【附圖說明】
[0032]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)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。
[0033]圖1為旋轉(zhuǎn)式復合型納米發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2為旋轉(zhuǎn)式復合型納米發(fā)電機結(jié)構(gòu)的爆炸示意圖；
[0035]圖3為轉(zhuǎn)子的摩擦層中摩擦單元的設置示意圖:
[0036]圖4為電極層中第一電極單元和第二電極單元的設置示意圖；
[0037]圖5為線圈部件中線圈302的示意圖；
[0038]圖6為磁電發(fā)電組件隨轉(zhuǎn)速變化電流電壓曲線圖(m = 3);
[0039]圖7為1000轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)下經(jīng)變壓后磁電發(fā)電組件電流電壓曲線圖(m = 3);
[0040]圖8為摩擦納米發(fā)電組件隨轉(zhuǎn)速變化電流電壓曲線圖(條紋數(shù)12);
[0041]圖9為1000轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)下經(jīng)變壓后摩擦納米發(fā)電組件電流電壓曲線圖(條紋數(shù)12)。
【具體實施方式】
[0042]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0043]其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進行詳細描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發(fā)明保護的范圍。
[0044]本實施例的發(fā)電機典型結(jié)構(gòu)參見圖1和圖2，包括摩擦納米發(fā)電組件和磁電感應發(fā)電組件，其中，所述摩擦納米發(fā)電組件包括:具有共同轉(zhuǎn)軸P的轉(zhuǎn)子10、