一种基于金属电荷束缚层的高性能水滴摩擦纳米发电机

摘要

本发明提供一种基于金属电荷束缚层的高性能水滴摩擦纳米发电机，包括转盘式摩擦纳米发电机、电路管理模块以及水滴摩擦纳米发电机，所述转盘式摩擦纳米发电机通过电路管理模块与水滴摩擦纳米发电机相连接；通过转盘式摩擦纳米发电机和电路管理模块为水滴摩擦纳米发电机提供高压电荷，可保证水滴摩擦纳米发电机的输出不依赖摩擦层，实现更大功率的对外输出。

说明书

技术领域

本发明属于微纳能源收集技术领域，涉及一种摩擦纳米发电机，具体是一种基于金属电荷束缚层的高性能水滴摩擦纳米发电机。

背景技术

能源是人类赖以生存与发展的基础。煤炭、石油、天然气等传统的化石能源在转化为电能时会伴随着很多环境问题。更加严重的问题是，这些一次能源的储量正在不断减少，而全世界的能源消耗量却在以每年5%的速度持续增长。寻找环境友好的可再生能源作为现有能源的补充是非常迫切的。水滴摩擦纳米发电机作为一种新型的能量收集装置，可以收集雨滴、水滴流动等。水滴摩擦纳米发电机具有成本低、重量轻、材料和结构选择多样化、低频率下的能量转换效率高等优点，目前水滴摩擦纳米发电机已经在自驱动传感、蓝色能源、微纳米能源和高压电源等领域取得了巨大进展。但是，水滴摩擦纳米发电机的发展和应用受到以下因素的制约：1. 水滴的电荷密度小，限制了水滴摩擦纳米发电机的输出性能和实际应用；2. 水滴摩擦纳米发电机的输出性能高度依赖摩擦电材料的表面润湿性。当摩擦材料表面被浸润，水滴摩擦纳米发电机的输出性能会急剧下降。因此，提高水滴电荷密度，减少对润湿性的依赖是水滴摩擦纳米发电机实际应用面临的挑战。我们提出了基于金属电荷束缚层的高性能水滴摩擦纳米发电机，提高水滴电荷量，增加输出的同时避免了对摩擦层疏水性的依赖。

发明内容

本发明针对目前的水滴摩擦纳米发电机电荷密度小，对摩擦材料疏水性依赖性强的问题，提出一种基于金属电荷束缚层的高性能水滴摩擦纳米发电机，通过转盘式摩擦纳米发电机和倍压电路提供高压输出，直接使金属电荷束缚层具有大量的束缚电荷，从根本上摆脱了水滴摩擦纳米发电机电荷密度小，对摩擦材料疏水性依赖性强的问题。

本发明采用如下技术方案：

一种基于金属电荷束缚层的高性能水滴摩擦纳米发电机，包括转盘式摩擦纳米发电机、电路管理模块以及水滴摩擦纳米发电机，所述转盘式摩擦纳米发电机通过电路管理模块与水滴摩擦纳米发电机相连接。

所述转盘式摩擦纳米发电机包括转子和定子，转子和定子表面分别设置有第一摩擦层和第二摩擦层，且第一摩擦层和第二摩擦层的电负性不同；当转子相对于定子转动时，第一摩擦层与第二摩擦层之间相互摩擦产生交流电；

所述转盘式纳米摩擦发电机中第一摩擦层为聚四氟乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚乙烯薄膜或聚丙烯薄膜等聚合物薄膜中的一种，第二摩擦层为铜薄膜、金薄膜、银薄膜、铝薄膜或铂薄膜等导电薄膜中的一种。

所述电路管理模块用于将转盘式摩擦纳米发电机产生的交流电整流为直流电，并输送至水滴摩擦纳米发电机，以提高水滴摩擦纳米发电机中金属电荷束缚层的电荷量；

所述电路管理模块为六倍压整流电路，该六倍压整流电路中所用二极管的反向击穿电压为1000 ~8000V，所用电容器的电容为1~50nF。

所述水滴摩擦纳米发电机包括基底层，基底层上设置有金属电荷束缚层，金属电荷束缚层上设置有绝缘层，绝缘层上设置有第二金属导电层，第二金属导电层上方设置有第一金属导电层以及位于第一金属导电层和第二金属导电层之间的介电层，该第一金属导电层上贯穿设置有缺口。缺口的大小尺寸为1.5~2mm。

所述水滴摩擦纳米发电机的外形尺寸为长：5~15cm×宽：5~15cm，其中基底层为2~10 mm厚亚力克板，金属电荷束缚层、第一金属导电层和第二金属导电层为8~500 μm厚铜薄膜，绝缘层和介电层为8~500 μm厚聚四氟乙烯薄膜。

本发明的有益效果如下：

1、工作时通过转盘式摩擦纳米发电机和倍压电路为水滴摩擦纳米发电机提供高电压直流电，水滴摩擦纳米发电机中的金属电荷束缚层可以束缚大量的电荷。由于金属电荷束缚层的环境是绝缘的，电荷可以束缚在金属层中，即使把转盘式摩擦纳米发电机断开也不影响后端水滴摩擦纳米发电机的工作。水滴从水滴摩擦纳米发电机顶部滑动掉落，实现电极和导线连通与断开，引起电容的巨大变化，电荷在金属电极之间来回转移，从而实现交流输出。

2、由于借助于转盘式摩擦纳米发电机和倍压电路为水滴摩擦纳米发电机提供高电压，通过公式Q=CU可得，金属束缚层具有极大电荷量，可使水滴摩擦纳米发电机的输出不依赖摩擦层，输出功率得到极大增强。

3、此外还具有结构简单、成本低廉的优点，便于产业化推广应用。

附图说明

图1本发明一种基于金属电荷束缚层的高性能水滴摩擦纳米发电机结构示意图；

图2（a）和（b）依次为图1中转盘式摩擦纳米发电机的转子和定子的平面结构示意图；

图3中（a）、（b）、（c）、（d）依次为图1中水滴摩擦纳米发电机的发电过程电荷变化示意图；

图4中（a）、（b）、（c）、（d）依次为水滴摩擦纳米发电机的短路电流、输出电压、带电量和不同负载电阻下的电流、电压和输出功率曲线；

图中，1、转盘式摩擦纳米发电机、11-转子、111-第一摩擦层、12-定子、121-第二摩擦层、2-电路管理模块、3-水滴摩擦纳米发电机、31-第一金属导电层、32-介电层、33-第二金属导电层、34-绝缘层、35-金属电荷束缚层、36-基底层。

具体实施方式

为使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步解释说明。

如图1所示，一种基于金属电荷束缚层的高性能水滴摩擦发电机，包括转盘式摩擦纳米发电机1、电路管理模块2以及水滴摩擦纳米发电机3，转盘式摩擦纳米发电机1通过电路管理模块2与水滴摩擦纳米发电机3相连接。

如图2所示，转盘式摩擦纳米发电机1用于向水滴摩擦纳米发电机3提供电能，以提高水滴摩擦纳米发电机3中金属电荷束缚层35的电荷量；具体结构为：包括转子11和定子12，转子11和定子12表面分别设置有第一摩擦层和第二摩擦层，且第一摩擦层和第二摩擦层的电负性不同；制作时，转子11和定子12均采用直径18cm，5mm厚亚力克板做基底，转子11上粘贴50μm厚PTFE（聚四氟乙烯）薄膜做第一摩擦层，定子12表面粘贴50μm厚铜薄膜做第二摩擦层。一般来说，第一摩擦层和第二摩擦层的电负性相差越大，发电效果越好。PTFE薄膜是两个四分之一圆的扇形，扇形之间间隔一个扇形空位；铜薄膜是四个四分之一圆的扇形，相邻两个扇形之间设置间隔不接触，相对的两个扇形用导线连接作为正负电机。基于摩擦起电和静电感应原理，当转子11相对于定子12转动时，随着第一摩擦层111（PTFE薄膜）和第二摩擦层121（铜薄膜）接触分离，正负电极之间产生电势差，向外输出交流电。

此外，转盘式摩擦纳米发电机1还可以用以下结构的摩擦纳米发电机代替：垂直接触分离结构的摩擦纳米发电机、平行滑动结构的摩擦纳米发电机、单电极接触结构的摩擦纳米发电机、滑动式摩擦层自由移动结构的摩擦纳米发电机或接触式摩擦层自由移动结构的摩擦纳米发电机。

电路管理模块2可采用传统整流电路或倍压整流电流，具体的，本发明采用六倍压整流电流，该六倍压整流电路中二极管采用反向击穿电压为8000V的二极管，电容器采用电容为10nF的电容器。

水滴摩擦纳米发电机3采用现有结构，已有的水滴摩擦纳米发电机结构均适用，这里列出五种基本结构：垂直接触分离结构水滴摩擦纳米发电机、平行滑动结构水滴摩擦纳米发电机、单电极接触结构水滴摩擦纳米发电机、滑动式摩擦层自由移动结构水滴摩擦纳米发电机和接触式摩擦层自由移动结构水滴摩擦纳米发电机。

本发明所采用的水滴摩擦纳米发电机3的外形尺寸：长×宽为5cm×5cm，其组件包括基底层36，基底层36上设置有金属电荷束缚层35，金属电荷束缚层35上设置有绝缘层34，绝缘层34上设置有第二金属导电层33，第二金属导电层33上方设置有第一金属导电层31以及位于第一金属导电层31和第二金属导电层33之间的介电层32，第一金属导电层31上贯穿设置有缺口，缺口的大小为1.5~2mm。制作时，基底层36采用3mm厚的亚力克板，金属电荷束缚层35、第二金属导电层33和第一金属导电层31均采用50μm厚铜薄膜，绝缘层34和介电层32均采用50μm厚PTFE薄膜。工作时，水滴的滴落速度为3.14 mL/min，水滴的大小为62 μL，第一金属导电层31和第二金属导电层33作为水滴摩擦纳米发电机3的两个电极，水滴在第一金属导电层31表面滑动时，将第一金属导电层31、介电层32和第二金属导电层33看作一个平板电容，水滴填充第一金属导电层31上的缺口时，因极板面积增大，导致电容增大；水滴离开后，极板面积变小，导致电容变小；根据公式Q=C×U，当电荷量Q保持恒定的情况下，电容C变化势必带来两极板上电势差变化，即电压U变化，电荷在第一金属导电片31和第二金属导电片33之间来回移动，从而使水滴摩擦纳米发电机向外实现交流输出。

本发明的工作原理如图3所示，转盘式摩擦纳米发电机1的转子11和定子12转动产生摩擦向外发电，经电路管理模块2整流升压后输送至水滴摩擦纳米发电机3的金属电荷束缚层35，充电一分钟后金属电荷束缚层35中的电荷足以达到饱和，此时即使断开转盘式摩擦纳米发电机1，金属电荷束缚层35中的电荷量也不会下降，基底层36和绝缘层34可以保护金属电荷束缚层35中的电荷不会因为漏电而耗散。如图3（a）所示，第一金属导电层31和第二金属导电层33以及介电层32组成一个平板电容，水滴在左端的时候第一金属导电层31和第二金属导电层33中没有电荷。如图3（b）所示，当水滴向右滑动填充第一金属导电层31上的缺口时，为了平衡金属电荷束缚层35上的电荷，靠近金属电荷束缚层35的第二金属导电层33会感应出负电荷，远离金属电荷束缚层35的第一金属导电层31会感应出正电荷，同时电容C变大，电流从第二金属导电层33流向第一金属导电层31，最后达到图3（c）的平衡状态，第一金属导电层1的电荷达到最大。当水滴滑落后，第一金属导电层31的面积变小，即极板面积变小，导致电容C变小，电容储存电荷的能力变小，第一金属导电层1储存不了的正电荷会流向金属层3，如图3（d）所示。这样通过水滴实现电容的增大与减小，电荷在上下两个极板（第一金属导电层31和第二金属导电层33）之间来回流动，得到稳定的高功率交流输出。

如图4（a）、（b）、（c）和（d）所示，本发明基于金属电荷束缚层的水滴摩擦纳米发电机的短路电流为142 μA，输出电压为2893 V，电荷量为250 nC，最大输出功率为210 mW。

综上，本发明基于金属电荷束缚层的水滴摩擦纳米发电机相比于传统水滴摩擦纳米发电机，单位面积上电荷密度大，输出功率高，且具有结构简单、成本低廉的优点，便于进行产业化推广应用。