[发明专利]一种摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机

说明书

本发明公开一种摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，其组件包括：质量块、内圆筒、内圆筒盖板、轴承、片状薄膜阵列、中心轴、外圆筒、电极阵列、拱形柔性薄膜阵列、外圆筒盖板。本发明的发电部分为片状薄膜阵列和电极阵列构成的感应式纳米发电机；拱形柔性薄膜阵列与片状薄膜阵列之间接触摩擦使片状薄膜阵列交替带正负静电荷；其它部分保证片状薄膜阵列与电极阵列之间相对运动。由于片状薄膜阵列和电极阵列之间非接触无摩擦，而且拱形柔性薄膜数量很少，极大的减小了发电机的阻力。本发明能收集微弱转动、振动或摆动的能量并将微弱转动、振动或摆动的能量转化为电能。

技术领域

本发明属于发电机技术领域，具体地，涉及一种摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机。

背景技术

摩擦起电现象是现实生活中最常见的现象之一，这一现象早在公元前就被人们观察到。但在2012年之前，人们却一直没有研究摩擦起电的实际应用。2012年，王中林教授课题组首次发明了摩擦纳米发电技术，人们才开始意识到摩擦起电产生的电可以被收集利用。随着研究的不断深入，人们越来越清晰的意识到，摩擦纳米发电技术未来在能量收集和自驱动传感中有着巨大的应用前景。

任意两种不同物质之间的相互摩擦或接触，两种物质表面都会产生极性相反的电荷。用现代微加工的方法将材料表面形貌制成纳米结构、或通过化学方法用纳米管、纳米颗粒等修饰材料的表面，都能大大提高摩擦起电的电量。由于相互摩擦或接触之后两种材料表面的电荷极性是相反的，所以会形成电势差。若将两个电极分别靠近这两种材料的表面，那么两个电极之间就会有电势差。此时如果将两个电极连接成通路，就会有电流从高电势处流向低电势处，这就是摩擦纳米发电机的基本原理。由于摩擦纳米发电机能够实现简单、可靠、高效且低成本的能量收集，特别是在低频情况下较传统的电磁发电更具优势，自2012年王中林教授提出这个全新的技术以来，这个领域引起了世界各国能源界和科学界的广泛关注，不断有研究人员投身于这个领域，使得摩擦纳米发电机在短短的八年时间里取得了超乎想象的巨大发展。

转动式滑动独立层模式的摩擦纳米发电机是该领域的一个重要研究方向。最初这种摩擦纳米发电机中产生摩擦电荷的两个摩擦层之间多为滑动式的硬-硬接触。这种接触一方面，会不断加大材料的磨损程度，缩短器件的使用寿命；另一方面，这种接触使得两摩擦层之间摩擦阻力过大，为克服摩擦力则需消耗大量的机械能。2018年，文献[ACS Nano12,9433-9440]中报道了一种基于片状柔性薄膜的旋转式摩擦纳米发电机，利用柔性聚合物薄膜与金属电极之间为柔性接触的特点，克服了传统转动式摩擦纳米发电机器件中摩擦层之间为硬-硬接触，导致摩擦阻力很大限制实际应用的缺点。但该发明需要注意转动的方向不能反向，对于往复振动或摆动更是无能为力。2020年，文献[Nano Energy 74,104937]中报道了一种基于拱形柔性薄膜的摆动式超低阻力摩擦纳米发电机，其独特的拱形膜结构使得收集往复摆动或振动的能量成为可能。但以上两篇文献中薄膜的个数均为电极个数的一半，虽然柔性接触减小了阻力，但薄膜与电极之间的静电吸引力却无法避免，加上薄膜数量众多，这样的吸引力使得收集微弱振动能量变得不可能。如果要再将阻力降低，必然需要减少膜的个数，这样又会使得输出减小。

发明内容

本发明的目的在于迎合现今能量采集和传感器需求，提供一种摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，用于采集振动或摆动的机械能。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，包括：内圆筒、内圆筒盖板、中心轴、轴承、外圆筒、外圆筒盖板、拱形柔性薄膜阵列、片状薄膜阵列、电极阵列。

电极阵列位于外圆筒内表面，等间距排列，个数为偶数。单个电极在粘贴到外圆筒之前形状为矩形，可用铜、铝、银等导电材料制作。该电极阵列被均分后串联形成电极I和电极II，相邻两个电极分别属于电极I和电极II。

拱形柔性薄膜阵列与外圆筒内表面连接，且与内圆筒外表面弹性接触连接，随着内圆筒和外圆筒之间的相对运动，拱形柔性薄膜阵列和内圆筒外表面之间会相互摩擦。