[发明专利]摆式摩擦纳米发电机及能量采集器

说明书

一种摆式摩擦纳米发电机及能量采集器，摆式摩擦纳米发电机包括：外壳，为一封闭的壳体结构，内部具有一空腔；一摆动结构，位于该空腔中，包含：摆杆；以及自由摆动摩擦层，与摆杆的末端刚性连接；电极层，位于外壳的内表面上，包含间隔开的第一电极层和第二电极层；以及分布式摩擦层，与自由摆动摩擦层的材料位于不同的摩擦电序列，一端固定于电极层之上，另一端为自由端；其中，摆动结构由于外界激励在外壳内部摆动时，该摆动结构的自由摆动摩擦层随之摆动，通过与分布式摩擦层发生摩擦带电，对应在电极层上产生电学输出。具有较高的能量采集效率，能适应各种环境，具有高稳定性及可靠性，并能够响应任意角度的外部激励，具有广泛的应用前景。

技术领域

本公开属于能源收集技术领域，涉及一种摆式摩擦纳米发电机及能量采集器。

背景技术

随着互联网和微纳电子设备的快速发展，世界范围内正面临着能源的消耗过快及能源短缺等严重问题，寻找可持续能源成为未来万物互联发展的迫切需求，尤其是分布在世界各个角落的传感节点，对这些亿级的分散电子设备供电将成为巨大的工程和需求巨量的能源。

现有的传统能源如锂电池不但寿命短，不能持续更换，同时维护巨量的电池需要大量的人力和物力。此外传统的电池存在潜在的环境污染；同时电池相对笨重，不利于可穿戴电子设备的应用。因此，探索新型的能量采集技术，从环境中采集能量为电子设备供电正成为研究人员的关注焦点。

当前主要的能量采集方式包括电磁、压电和太阳能电池等，然而，由于所用材料(如硅或镓)的易碎性以及制作的高成本和复杂性很大程度限制了能量采集器的应用；此外，电磁采集器在低频下工作效率极低。压电式能量采集器能量转化效率很低，太阳能电池技术的工作则受周围环境影响。因此，发展具有较高输出、能量转化率高和稳定的能量采集器是一种迫切需求。

近年来开发的摩擦纳米发电机具有高输出、成本低、制作简单和高转化率等特点，获得了广泛的关注。其工作原理是利用摩擦起电效应和静电感应的耦合作用实现能量由机械能到电能的转化。摩擦纳米发电机能够将环境中的各种形式的机械能，如振动、旋转、波浪以及风力等等，有效地转化为电能。

然而，现有的基于摩擦纳米发电机的能量采集器仍存在诸多欠缺，诸如：一、低频工作下能量采集效率很低，有待进一步提升；二、能量收集过程多数在一维方向，例如基于摩擦纳米发电机的风能采集器，位于中间的振动膜在风力的作用下与上下摩擦层接触发电，仅能响应单一方向的风吹以获得能量转化，在多维空间工作具有限制性。

因此，开发一种具有倍频特点、耐久性强、成本低、制作简单、高能量转换率以及多方向适用于低频的摩擦纳米发电机是目前能量采集领域急需解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种摆式摩擦纳米发电机及能量采集器，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，提供了一种摆式摩擦纳米发电机，包括：外壳，为一封闭的壳体结构，内部具有一空腔；一摆动结构，位于该空腔中，包含：摆杆；以及自由摆动摩擦层，与摆杆的末端刚性连接；电极层，位于外壳的内表面上，包含间隔开的第一电极层和第二电极层；以及分布式摩擦层，位于能与摆动结构在摆动过程中接触的范围内，与自由摆动摩擦层的材料位于不同的摩擦电序列，一端固定于电极层之上，另一端为自由端。其中，摆动结构由于外界激励在外壳内部摆动时，该摆动结构的自由摆动摩擦层随之摆动，通过与分布式摩擦层发生摩擦带电，在自由摆动摩擦层摆动过程中对应在电极层上产生电学输出。

在本公开的一些实施例中，自由摆动摩擦层与电极层之间存在间隙；

优选的，该间隙为0.2mm-1mm；

优选的，自由摆动摩擦层和分布式摩擦层接触的表面部分或全部包括纳米或微米结构。