[发明专利]一种柔性发电装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于机械能转化为电能的发电技术领域，更具体地，涉及一种具备高电能输出并且结构紧凑、便于加工制造的柔性发电装置及其制造方法。

背景技术

近年来，能源危机愈演愈烈，环保节能的意识已经深入人心，如何充分有效地利用能源及收集能源正成为一个重要的课题。除了常规的火力、风力发电技术之外，对其他发电技术，如光辐射直接转变为电能、应用流体的离子化将热能，特别是直接将动能转变为电能等新技术正获得日益关注。此外，随着现代化制造技术的发展，个人电子产品向着柔性、微型、低功耗、多功能一体化方向的发展成为了一种趋势。这种低功耗的个人电子产品的问世使得通过收集环境中的能量并直接为其供能变得现实可行。在日常生活中存在着大量机械能，如轮胎等工具的转动、人体自身的运动，海浪、空气运动等产生的机械能等。因此，环境中的机械能是一个非常有潜力的能源来源，如果能有效收集环境中的机械能并将其转化成电能，这部分能量足以驱动许多低功耗的个人电子产品。相应地，能够将环境中的机械能有效转换成电能的柔性发电装置已经问世。

传统的柔性发电装置主要是基于压电效应而制作的柔性发电机。例如，已经开发出了一种基于氧化锌、聚四氟乙烯、锆钛酸铅等一维纳米材料的压电效应并呈现多种形式的柔性纳米发电机。但是，此类发电机的制作工艺相当复杂，成本高昂，因此不利于大规模工业生产和推广使用。而且，该压电发电机的输出功率普遍较低，大部分处在微瓦每平方厘米级别，输出电流一般为数微安，输出电压只有几伏，因此并不足以驱动多种类型的个人电子产品。

为了开发出更加简单、廉价和高效的柔性发电机，日常生活中普遍存在的摩擦生电效应得到了关注。美国乔治亚理工大学的王中林教授课题组研究开发出了一种基于摩擦生电效应的柔性摩擦发电机，其利用在摩擦带电效应序列中处于不同位置的两种绝缘聚合物材料之间的摩擦，可成功获得电能，并通过改变材料的表面形貌来进一步提高发电机的性能。这种柔性摩擦发电机由于具备较好的可加工型和耐用性，可应用于譬如触摸屏之类的自驱动系统，或是用作自驱动压力传感器之类的装置。然而，这种基于绝缘体之间的摩擦生电效应的柔性摩擦发电机的输出功率仍然不够高，测试表明其最大输出功率密度为2.34μW/cm²，输出电流0.13μA/cm²，电压为18V，因此仍然不足以直接驱动许多种类的个人电子产品。相应地，本领域中存在着对柔性发电装置的结构及工作原理做出进一步改进，以便获得更高功率输出的新型柔性发电机的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种柔性发电装置及其制造方法，其通过对用于产生电流的功能元件的材料和工作原理、配套结构及其制造工艺等方面进行改进，相应可获得结构紧凑、低成本、便于加工制造并且具备更高功率输出的发电装置。

按照本发明的一个方面，提供了一种柔性发电装置，该柔性发电装置包括：

第一组件，该第一组件由高分子聚合物绝缘层和沉积在该高分子聚合物绝缘层上表面的第一金属导电层共同组成，并且所述第一金属导电层的边缘形成有第一电极；

第二组件，该第二组件由柔性基底和沉积在该柔性基底上表面的第二金属导电层共同组成，并且所述第二金属导电层的边缘形成有第二电极，其中：

所述第一、第二组件通过封装工艺在其外侧边缘予以联接，并且所述高分子聚合物绝缘层的下表面与所述第二金属导电层的上表面之间相互对置并具备一定间隙。

通过以上构思，当使用该柔性发电装置时，通过从第一、第二电极引线连通并按压第一和第二组件使其高分子聚合物绝缘层与第二金属导电层之间的间隙发生改变，在此弯曲和恢复的过程中，电容也会随着发生变化，并导致电子在电极两端的外部电路中来回振荡，进而形成为交流电流。尤其是，通过较多的试验测试表明，当将按照本发明的单个柔性发电装置与譬如50个的商用LED串联时，电输出可达到130V的峰值电压，输出电流33微安，输出功率的峰值密度为0.7毫瓦/平方厘米，其与现有技术相比，大幅度提高了输出功率，并能够直接用于驱动多种低功率的电子产品；此外，该柔性发电装置整体采用柔性材料制成，可以折叠弯曲，便于加工，发电稳定性好，因此适用于在柔性电子学以及其他个人、日常生活等各种场合的广泛应用。

作为进一步优选地，所述高分子聚合物绝缘层由选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯这些材料中的一种构成，所述第二金属导电层由金、银、铜、铝等材料构成。