一种多接触层摆动式摩擦纳米发电机

摘要

本发明公开了一种多接触层摆动式摩擦纳米发电机，包括摩擦发电机构、曲柄摇杆机构和扇叶机构，摩擦发电机构中阵列式固定基底通过螺栓螺杆连接件固定于两侧端盖之间，阵列式摆动基底内嵌于阵列式固定基底内，阵列式摆动基底通过贯穿弧形通孔的连接轴及套筒与曲柄摇杆机构中的连杆一端铰接，连杆另一端通过销轴与曲柄铰接，曲柄固定于转轴的一端，该转轴通过轴承固定于支撑底座上，转轴的另一端固定有扇叶。本发明能够对风能、水流势能以其它可以将动能转化为圆周运动的能量、摆动式、往复式机械能等进行有效收集，应用范围广，有效解决了目前摩擦纳米发电机输出性能低、输出稳定性差及输出特性不易控制等问题。

权利要求

1.一种多接触层摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于包括摩擦发电机构、曲柄摇杆机构和扇叶机构，摩擦发电机构中阵列式固定基底通过螺栓螺杆连接件固定于两侧端盖之间，该阵列式固定基底的中部为空心结构，空心结构的边缘通过均布其上的隔板分隔成多个区域，隔板两侧分别依次设有金属电极板和第二摩擦层，阵列式摆动基底内嵌于阵列式固定基底内且该阵列式摆动基底上均布有与阵列式固定基底中的多个区域间隙配合的叶片，叶片两侧分别依次设有与第二摩擦层相对的第一摩擦层，第一摩擦层为束缚电子能力弱的金属导电层，第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层，多个金属导电层并联及多个金属电极板并联形成电能输出端，阵列式摆动基底通过中心轴及卧式轴承座固定于两侧端盖上并且该阵列式摆动基底通过固定于中心轴上的挡圈限位，端盖上设有弧形通孔，阵列式摆动基底通过贯穿弧形通孔的连接轴及套筒与曲柄摇杆机构中的连杆一端铰接，连杆另一端通过销轴与曲柄铰接，曲柄固定于转轴的一端，该转轴通过轴承固定于支撑底座上，转轴的另一端固定有扇叶，扇叶转动通过曲柄摇杆机构带动阵列式摆动基底以中心轴为中心往复摆动，实现第一摩擦层和第二摩擦层同步接触与分离，所述第一摩擦层的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金，第一摩擦层的厚度为50μm-1mm，第二摩擦层的材质为聚四氟乙烯或尼龙，第二摩擦层的厚度为50μm-1mm，金属电极板的材质为铝或铜，所述第二摩擦层进行电荷注入预处理。

2.根据权利要求1所述的多接触层摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述叶片两侧分别依次设有与第二摩擦层相对的海绵缓冲层和第一摩擦层。

3.根据权利要求1所述的多接触层摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述阵列式固定基底与阵列式摆动基底的材质均为亚克力板或塑料板。

说明书

一种多接触层摆动式摩擦纳米发电机

技术领域

[0001] 本发明属于摩擦发电机技术领域，具体涉及一种多接触层摆动式摩擦纳米发电机。

背景技术

[0002] 摩擦纳米发电技术作为一种典型的能量转换技术，自2012年王中林科研团队发明摩擦纳米发电机以来，已成功地将自然界中的水流、气流、声音以及人体运动等能源形式转换成电能，已实现输出面功率密度高达500W/m2，瞬间转换效率高达70%的显著成果，并成功为环境治理、传感器以及发光器件等提供能量源，对于未来能源结构的调整，具有重要意义。

[0003] 摩擦纳米发电机的基本原理是利用摩擦极性相差较大的不同材料之间相互摩擦产生静电荷，并耦合静电感应将周围环境中的机械能转换为电能，该装置具有结构简单、转化效率高及无污染等优点。但是现有的摩擦纳米发电机普遍存在输出功率低、输出稳定性差及制备成本高等问题，在一定程度上限制了摩擦纳米发电机的应用发展。

发明内容

[0004] 本发明解决的技术问题是提供了一种多接触层摆动式摩擦纳米发电机，有效解决了目前摩擦纳米发电机输出性能低、输出稳定性差及输出特性不易控制等问题。

[0005] 本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种多接触层摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于包括摩擦发电机构、曲柄摇杆机构和扇叶机构，摩擦发电机构中阵列式固定基底通过螺栓螺杆连接件固定于两侧端盖之间，该阵列式固定基底的中部为空心结构，空心结构的边缘通过均布其上的隔板分隔成多个区域，隔板两侧分别依次设有金属电极板和第二摩擦层，阵列式摆动基底内嵌于阵列式固定基底内且该阵列式摆动基底上均布有与阵列式固定基底中的多个区域间隙配合的叶片，叶片两侧分别依次设有与第二摩擦层相对的第一摩擦层，第一摩擦层为束缚电子能力弱的金属导电层，第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层，多个金属导电层并联及多个金属电极板并联形成电能输出端，阵列式摆动基底通过中心轴及卧式轴承座固定于两侧端盖上并且该阵列式摆动基底通过固定于中心轴上的挡圈限位，端盖上设有弧形通孔，阵列式摆动基底通过贯穿弧形通孔的连接轴及套筒与曲柄摇杆机构中的连杆一端铰接，连杆另一端通过销轴与曲柄铰接，曲柄固定于转轴的一端，该转轴通过轴承固定于支撑底座上，转轴的另一端固定有扇叶，扇叶转动通过曲柄摇杆机构带动阵列式摆动基底以中心轴为中心往复摆动，实现第一摩擦层和第二摩擦层同步接触与分离。

[0006] 进一步优选，所述第一摩擦层的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金，第一摩擦层的厚度为50μm-1mm，第二摩擦层的材质为聚四氟乙烯或尼龙，第二摩擦层的厚度为50μm-1mm，金属电极板的材质为铝或铜。

[0007] 进一步优选，所述第二摩擦层进行电荷注入预处理。

[0008] 进一步优选，所述叶片两侧分别依次设有与第二摩擦层相对的海绵缓冲层和第一摩擦层。

[0009] 进一步优选，所述阵列式固定基底与阵列式摆动基底的材质均为亚克力板或塑料板。

[0010] 本发明所述的多接触层摆动式摩擦纳米发电机在风力扇叶作用下将周围环境中风能转化为圆周运动的动能，再由曲柄连杆机构带动圆周阵列式摆动基底，将圆周运动转化为规律性的摆动，实现第一摩擦层与第二摩擦层的同步接触与分离，第一摩擦层与第二摩擦层接触摩擦起电，第一摩擦层与第二摩擦层的接触面分别带符号相反的表面电荷，当两个接触面在外力作用下而分离时，两个电极之间会形成感应电势差，通过负载连接两个电极，电子会通过负载从一个电极流向另一个电极，致使相互接触分离的第一摩擦层与第二摩擦层间电势周期性变化，驱动电子流向外电路产生交流电。所述第二摩擦层均经高压设备进行电荷预注入极化处理，提高单位面积电荷密度，进而提高电流输出，所述第一摩擦单元中添加海绵缓冲层，使第一摩擦层与第二摩擦层见接触更充分以提高数据输出稳定性。

[0011] 本发明所述的多接触层摆动式摩擦纳米发电机，第二摩擦层均经过电荷预注入处理，提高摩擦层电荷密度；第一摩擦单元中添加有海绵缓冲层，提高数据输出稳定性；多接触层摆动式摩擦纳米发电机整体结构采用多接触层同步接触分离的圆周阵列式结构，不仅保证各摩擦层能严格同步相向或相对运动，使各摩擦层同一时刻发生接触或分离，又大大提高了空间利用率，提高输出特性和输出稳定性；多接触层摆动式摩擦纳米发电机摩擦层的数量可根据应用场景和需求相应的增加或减少，控制其输出特性以扩大其应用范围；多接触层摆动式摩擦纳米发电机可以在不同风速环境下进行不同频率的接触或分离运动，应用性较强。

[0012] 本发明所述的多接触层摆动式摩擦纳米发电机的输出性能由多重因素共同决定，包括摩擦层所选材料、摩擦接触层数量、曲柄摇杆机构中摇杆摆动频率等，目前利用8个摩擦层制备的多接触层摆动式摩擦纳米发电机的最佳输出短路电流和开路电压分别为1.1mA和1350V（每个摩擦层有效接触面积为57.6cm2）。在应用上所述八个接触层摆动式摩擦纳米发电机可同时点亮500个LED灯。

[0013] 本发明的有益效果是：本发明的多接触层摆动式摩擦纳米发电机具有结构简单、转换效率高、输出功率大、并且输出电压和电流在一定程度上可以调节控制等优点，这种多接触层摆动式摩擦纳米发电机对风能、水流势能以及其它可以将动能转化为圆周运动的能量、摆动式、往复式机械能等进行有效收集，应用范围广。

[0014] 本发明提供的多接触层摆动式摩擦纳米发电机的优势在于：

[0015] 1、通过对圆周阵列式摆动基底和圆周阵列式固定基底进行均匀阵列划分，使各摩擦层能严格同步地进行接触或分离，极大提高了摩擦纳米发电机的输出电流和输出的稳定性，所述多接触层摆动式摩擦纳米发电机在结构设计上有效利用了空间，提高了摩擦纳米发电机空间利用率；

[0016] 2、所述第二摩擦层聚合物经过高压设备进行电荷注入预处理，这种方法的优势大大提高了聚合物表面电荷密度，与对摩擦层做微纳结构处理的方法相比，可以获得更高的输出性能，同时降低了其制作成本，有利于推广应用；

[0017] 3、所述多接触层摆动式摩擦纳米发电机动力源采用圆周运动转换为摆动的曲柄摇杆机构，使得摩擦纳米发电机可以收集更多形式的机械能而不仅仅局限于单纯的圆周运动和往复运动能量，极大地提高了摩擦纳米发电机的应用范围。

附图说明

[0018] 图1是本发明中多接触层摆动式摩擦纳米发电机的结构示意图；

[0019] 图2是本发明中多接触层摆动式摩擦纳米发电机的电流产生原理示意图；

[0020] 图3是本发明中多接触层摆动式摩擦纳米发电机的电压产生原理示意图；

[0021] 图4是本发明中多接触层摆动式摩擦纳米发电机的短路电流；

[0022] 图5是本发明中多接触层摆动式摩擦纳米发电机的电压波形曲线。

[0023] 图中：1-端盖，2-挡圈，3-阵列式摆动基底，4-中心轴，5-连接轴，6-阵列式固定基底，7-套筒，8-连杆，9-曲柄，10-转轴，11-轴承，12-支撑底座，13-扇叶，14-卧式轴承，15-金属电极板，16-第二摩擦层，17-海绵缓冲层，18-第一摩擦层，19-螺栓螺杆连接件。

具体实施方式

[0024] 以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚、完整地描述。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

[0025] 在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”是指示图中的方向；“填充度”定义为接触和分离过程中形成的面积。

[0026] 如图1所示，一种多接触层摆动式摩擦纳米发电机，包括摩擦发电机构、曲柄摇杆机构和扇叶机构，摩擦发电机构中阵列式固定基底6通过螺栓螺杆连接件19固定于两侧端盖1之间，该阵列式固定基底6的中部为空心结构，空心结构的边缘通过均布其上的隔板分隔成多个区域，隔板两侧分别依次设有金属电极板15和第二摩擦层16，阵列式摆动基底3内嵌于阵列式固定基底6内且该阵列式摆动基底3上均布有与阵列式固定基底6中的多个区域间隙配合的叶片，叶片两侧分别依次设有与第二摩擦层16相对的第一摩擦层18，第一摩擦层18为束缚电子能力弱的金属导电层，第二摩擦层16为束缚电子能力强的非金属绝缘层，多个金属导电层并联及多个金属电极板15并联形成电能输出端，阵列式摆动基底3通过中心轴4及卧式轴承座14固定于两侧端盖1上并且该阵列式摆动基底3通过固定于中心轴4上的挡圈2限位，端盖1上设有弧形通孔，阵列式摆动基底3通过贯穿弧形通孔的连接轴5及套筒7与曲柄摇杆机构中的连杆8一端铰接，连杆8另一端通过销轴与曲柄9铰接，曲柄9固定于转轴10的一端，该转轴10通过轴承11固定于支撑底座12上，转轴10的另一端固定有扇叶13，扇叶13转动通过曲柄摇杆机构带动阵列式摆动基底3以中心轴4为中心往复摆动，实现第一摩擦层18和第二摩擦层16同步接触与分离。

[0027] 所述第一摩擦层18的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金，第一摩擦层18的厚度为50μm-1mm，第二摩擦层16的材质为聚四氟乙烯或尼龙，第二摩擦层16的厚度为50μm-1mm，金属电极板15的材质为铝或铜；所述第二摩擦层16进行电荷注入预处理；所述叶片两侧分别依次设有与第二摩擦层16相对的海绵缓冲层17和第一摩擦层18；所述阵列式固定基座6与阵列式摆动基座3的材质均为亚克力板或塑料板。

[0028] 本发明所述多接触层摆动式摩擦纳米发电机利用自然环境中的风能，通过曲柄摇杆机构将风能转化为圆周运动机械能转化为摆动机械能，实现第一摩擦层与第二摩擦层的同步接触与分离，产生摩擦静电荷，且两摩擦层所带电荷量相等的相反电荷。本发明所述的多接触层摆动式摩擦纳米发电机结构的特点是能实现第一摩擦层与第二摩擦层同时接触与分离，第二摩擦层经过电荷预注入处理，这两种特点的结合使得所述多接触层摆动式摩擦纳米发电机具有较高且稳定的输出特性，优于其它类似摩擦纳米发电机的输出性能。

[0029] 本发明所述的多接触层摆动式摩擦纳米发电机的工作原理为：首先在任何频率条件下的圆周运动外力作用下，通过曲柄摇杆机构使得相对的第一摩擦层和第二摩擦层能同时相互接触与分离，第二摩擦层上产生大量摩擦静电荷（负电荷），金属电极板上产生等量的相反电荷。

[0030] 如图2所示，当第一摩擦层与金属电极层直接用导线连接时，即短路条件下当带电摩擦层接触或分离时，电荷发生流动形成电流；当第一摩擦层与金属电极层未连接时，如图3所示，即开路条件下，第一摩擦层与金属电极板在一定时刻电势不同形成电势差；当第一摩擦层与金属电极层之间连接负载时，往复运动导致电荷在两个电极间通过负载不断往复流动，从而对负载供电。

[0031] 下面给出制造本实施方式所述的多接触层摆动式摩擦纳米发电机的一个优选方案，但该多接触层摆动式摩擦纳米发电机的制造并不限制于此。

[0032] 该优选方案中：选择亚克力板制作阵列式基底，阵列式基底尺寸为90mm×70mm；选择面积相同的导电层，导电层材质为Cu，尺寸为90mm×65mm，厚度为50μm-1mm，优选0.1mm；第一摩擦单元的摩擦层为Cu，第二摩擦单元的摩擦层为聚四氟乙烯薄膜，此处第一摩擦层与电极板均为金属，可直接用电极板充当摩擦层，摩擦层尺寸同导电层尺寸一致，覆盖程度为100%，海绵缓冲层尺寸同导电层尺寸一致。

[0033] 根据上述对多接触层摆动式摩擦纳米发电机工作原理的说明，按上述优选方案制造的多接触层摆动式摩擦纳米发电机的摩擦单元数为8个，8个第一摩擦单元的摩擦层在阵列式摆动基底3上均匀阵列式排布；分别与阵列式固定基底6上的阵列式分布的第二摩擦单元中的第二摩擦层每次四个接触面交替接触分离，各相同摩擦单元中的电极板用导线并联连接。当扇叶转动时，则如图4和5所示的多接触层摆动式摩擦纳米发电机的最大短路电流与开路电压分别为1.1mA和＋1350V，电流密度达到205.13mA/m2。该多接触层摆动式摩擦纳米发电机工作时可同时驱动500个LED灯发光。

[0034] 利用该多接触层摆动式摩擦纳米发电机组成自驱动电化学降解体系，应用于酸性三苯甲烷类阴离子染料-溴甲酚绿的降解，发现溶液颜色随着降解时间逐渐由橙色变为无色，表明溴甲酚绿分子转化成了其它物质，成功实现了利用摩擦发电机发电对酸性三苯甲烷类阴离子染料有机污染物的处理，有望降低含酸性三苯甲烷类阴离子染料污染物工业废水的处理成本。

[0035] 因此，可知本发明的多接触层摆动式摩擦纳米发电机具有结构简单、成本低廉、经久耐用、输出电压高、输出电流大和输出性能稳定等优点，同时这种独特的阵列式摆动结构使我们可以方便地改变所述摩擦发电机的摩擦层数量，调整输出性能。本发明所述的多接触层摆动式摩擦纳米发电机的两种摩擦单元总是同时接触或分离，提高了运动速率。另外本发明所述的多接触层摆动式摩擦纳米发电机对振动频率的要求不高，可以将自然界中低频震动的能量转化成电能。

[0036] 以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。