[发明专利]纳米发电机系统及供电器件

说明书

本发明公开了一种纳米发电机系统及供电器件，包括：电极层；浮置层，设置在所述浮置层的上表面和/或下表面的介质层；电荷泵，与所述浮置层连接，向所述浮置层注入电荷；所述浮置层相对电极层相对运动时，发电机系统向外电路输出电信号。利用浮置层、及浮置层和介电层的组合作为具有摩擦起电及静电荷保存作用的至少一个摩擦层的等效，通过电荷泵可以向浮置层中实时、可控制地注入电荷。该纳米发电机系统的电荷密度不再主要依赖于摩擦或接触而产生、且不受空气击穿等的约束，具有高的功率输出密度。

技术领域

本公开属于纳米新能源和机械能收集的技术领域，涉及一种纳米发电机系统及供电器件。

背景技术

摩擦纳米发电技术的基本原理是相互接触或摩擦的两个表面中至少一个表面为绝缘材料时，利用摩擦或接触在两表面感应生成静电荷，当接触的两个表面分离时，静电荷的分离产生电势差，从而在感应电极中产生自由电荷的定向移动，如此可以收集环境中的机械能，并转化为电能。摩擦纳米发电技术尤其适用于收集低频运动的机械能，具有结构简单、成本低、材料选择丰富等优势，在新能源技术领域具有潜在的应用价值，在微型化高功率供能器件的需求越来越广泛的要求下，提供一种具有较高输出功率密度的摩擦纳米发电机成为一个关键的技术要求和技术难点。

表面电荷密度是影响摩擦纳米发电机的输出功率密度的重要因素。摩擦纳米发电机中的表面静电荷由两表面摩擦或接触产生，一般剧烈摩擦或接触才易于产生高的电荷密度，但这种情况下表面容易产生较大的发热和磨损，会极大的影响器件寿命；同时，电荷密度还受到空气击穿等约束，这些因素制约了表面电荷密度及输出功率密度的进一步提升。

因此，有必要提出一种具有高的输出功率密度的纳米发电机，且该纳米发电机的电荷密度不再主要依赖于摩擦或接触而产生、且不受空气击穿等的约束。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种纳米发电机系统及供电器件，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种纳米发电机系统，包括：

电极层；浮置层，设置在所述浮置层的上表面和/或下表面的介质层；电荷泵，与所述浮置层连接，向所述浮置层注入电荷；所述浮置层相对电极层相对运动时，发电机系统向外电路输出电信号。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的纳米发电机系统及供电器件，具有以下有益效果：

(1)利用浮置层、及浮置层和介电层的组合作为具有摩擦起电及静电荷保存作用的至少一个摩擦层的等效，通过电荷泵可以向浮置层中实时、可控制地注入电荷，介电层能够约束电荷的耗散速度以及免受空气击穿的约束，使得该纳米发电机的电荷密度不再主要依赖于摩擦或接触而产生、不会由于剧烈摩擦产生磨损和发热、且不受空气击穿等的约束，在收集机械能的同时通过持续注入少量的电荷在浮置层中积累大量约束电荷，达到高的功率输出密度，使其输出效果加倍提升，促进了纳米发电机的实用化；

(2)采用摩擦纳米发电机作为电荷泵，通过将该摩擦纳米发电机结合整流桥，实现对电荷的定向输出，从而向浮置层中进行电荷的实时、可控制地注入，且该摩擦纳米发电机的结构可以是接触-分离式、滑动式、单电极式、以及自由摩擦层式等，结构可根据实际需要进行灵活调整，适用范围广泛；

(3)通过设置作为电荷泵的摩擦纳米发电机与浮置结构的弹簧刚度等结构参数以使二者的运动相位匹配，即使电荷泵输出时，浮置结构的电压处于最低值附近。具体对于接触分离模式来说，是使浮置结构先处于接触状态，这时电容较大，电压较低，更容易注入电荷，摩擦纳米发电机再发生接触分离运动实现电荷注入，成为一体式供电器件，通过单一的下压和释放动作，即可完成电荷的实时、可控地注入浮置层，并收集机械能转变为电能输出。同样的相位匹配原理也适用于其它模式的发电机。