一種非接觸式靜電感應(yīng)納米發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)組和發(fā)電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能夠?qū)h(huán)境中機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電器件，特別是一種非接觸式靜電感應(yīng)發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)組以及相關(guān)的發(fā)電方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在微電子和材料技術(shù)高速發(fā)展的今日，大量新型具有多種功能和高度集成化的微型電子器件不斷被開發(fā)出來，并在人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出前所未有的應(yīng)用前景。然而，和這些微型電子器件所匹配的電源系統(tǒng)的研究卻相對滯后，一般說來，這些微型電子器件的電源都是直接或者間接來自于電池。電池不僅體積較大、質(zhì)量較重，而且含有的有毒化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境和人體存在潛在的危害。因此，開發(fā)出能將運(yùn)動、振動等自然存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)具有極其重要的意義。
[0003]從2012年開始，基于摩擦靜電效應(yīng)的納米發(fā)電機(jī)得以快速發(fā)展，并以其高效的輸出、簡單的工藝、穩(wěn)定的性能，為機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軄眚?qū)動電子器件提供了一種十分具有前景的途徑。但是，基于現(xiàn)有的摩擦電納米發(fā)電機(jī)的基本模式與器件設(shè)計(jì)，兩個(gè)相互運(yùn)動的摩擦層均附著有電極，并通過導(dǎo)線接入系統(tǒng)，也就是說發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中在外部機(jī)械能作用下運(yùn)動的部件必須有導(dǎo)線連出。這一特點(diǎn)很大程度地限制了摩擦電納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，使其無法有效收集環(huán)境中任意的自由運(yùn)動物體的機(jī)械能。此外，對于現(xiàn)有的滑動模式的摩擦電納米發(fā)電機(jī)，為保證有效的輸出，兩個(gè)摩擦層在滑動時(shí)必須時(shí)刻保持緊密接觸，這不利于收集自然界中無規(guī)的運(yùn)動能量，而且也由于摩擦阻力的存在影響了發(fā)電機(jī)的壽命和效率。因此，如果能夠設(shè)計(jì)一種運(yùn)動的摩擦層不需要連接電極，并且可以在非接觸滑動的情況下實(shí)現(xiàn)機(jī)械能有效轉(zhuǎn)化的摩擦發(fā)電機(jī)原理和結(jié)構(gòu)，將對摩擦發(fā)電機(jī)的廣泛應(yīng)用具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是設(shè)計(jì)一種新型摩擦電納米發(fā)電機(jī)，其中在外部機(jī)械能作用下的摩擦層部件不需要連接電極，可以用任何能夠產(chǎn)生摩擦靜電或已帶有摩擦靜電的物體來充當(dāng)；同時(shí)，該發(fā)電機(jī)可以在非接觸的模式下工作，能夠大幅提高發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性、壽命和能量轉(zhuǎn)化效率。
[0006]技術(shù)方案
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種非接觸式靜電感應(yīng)納米發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)包括兩個(gè)分隔設(shè)置的電極層，和一個(gè)交替位于兩個(gè)電極層上方并且與電極層不接觸的第一部件，該第一部件預(yù)先帶電，不需要另外附著電極層和連接導(dǎo)線，可以自由移動。在工作時(shí)，當(dāng)該預(yù)先帶電的第一部件位于一個(gè)電極層上方時(shí)，會通過靜電感應(yīng)作用在兩個(gè)電極層之間造成電荷分離以平衡整個(gè)電場，此后，隨著第一部件在兩個(gè)電極層上方交替移動，其表面所帶有的凈電荷將隨其一起在兩個(gè)電極之間所接的外電路內(nèi)往復(fù)移動，而使得電極層間的感應(yīng)電勢差發(fā)生周期性變化，驅(qū)動電極層間連接的外電路上產(chǎn)生交流電流。這種發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)能夠比較方便的調(diào)整輸出電壓，例如可以控制兩個(gè)電極層的相對位置，以調(diào)整二者之間的等效電容量。此外，獨(dú)立的第一部件每一次從一個(gè)電極層上方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極層上方的過程，可以帶動的電荷轉(zhuǎn)移量略小于或近似等于第一部件上的靜電荷。因此，這種結(jié)構(gòu)是一種十分高效的將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)計(jì)。
[0008]這種由帶電第一部件相對于電極層的運(yùn)動產(chǎn)生的靜電感應(yīng)驅(qū)動力，不強(qiáng)烈地依賴于第一部件表面與電極層平面間的垂直距離，因此，該發(fā)電機(jī)在非接觸的作用模式下能夠很好的工作。
[0009]基于上述思路，本發(fā)明首先提供一種非接觸式靜電感應(yīng)納米發(fā)電機(jī)，包括第一部件、第二部件和電信號輸出端，其特征在于，所述第一部件至少一個(gè)表面帶電；所述第二部件由一個(gè)第一電極層和與之配合的一個(gè)第二電極層組成，所述第一電極層和第二電極層分隔設(shè)置并且分別與所述電信號輸出端的兩端電連接，所述第一部件的帶電表面交替靠近所述第一電極層和第二電極層，使所述第一電極層和第二電極層通過所述電信號輸出端向外輸出電信號。
[0010]優(yōu)選的，所述第一部件的帶電表面與所靠近的電極層表面之間的垂直間距遠(yuǎn)小于所述第一部件從一個(gè)電極層移向另一個(gè)電極層的距離。
[0011]優(yōu)選的，所述垂直間距小于5cm。
[0012]優(yōu)選的，所述第一部件表面帶有的電荷通過與第二部件摩擦獲得。
[0013]優(yōu)選的，所述第一部件需要帶電的表面和/或第二部件用于與所述第一部件發(fā)生接觸摩擦的表面進(jìn)行物理或化學(xué)改性，使其表面分布有微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)。
[0014]優(yōu)選的，所述第一電極層與第一部件靠近的表面，和第二電極層202與第一部件10靠近的表面形狀和尺寸相同。
[0015]優(yōu)選的，所述第一部件帶電表面的形狀和尺寸與所靠近的第一電極層和/或第二電極層表面的形狀和尺寸相同。
[0016]優(yōu)選的，所述第一部件為絕緣體或半導(dǎo)體。
[0017]優(yōu)選的，所述第一部件為駐極體材料。
[0018]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層的尺寸和形狀相同或不同。
[0019]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層之間的分隔距離為0.lmm-5cm。
[0020]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層處于同一個(gè)平面或曲面上。
[0021]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層之間的空隙中填有填充介質(zhì)。
[0022]優(yōu)選的，所述填充介質(zhì)為絕緣體，從下列材料中選取:聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酹A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚(2，6- 二甲基聚亞苯基氧化物)、不導(dǎo)電的液體、不導(dǎo)電的氣體和真空。
[0023]優(yōu)選的，還包括隔離層，所述第一電極層和第二電極層的上表面完全貼合在所述隔離層的背面，第一部件的帶電表面交替向背面貼合有所述第一電極層的隔離層的部分上表面、以及背面貼合有第二電極層的隔離層的部分上表面靠近。
[0024]優(yōu)選的，所述隔離層為絕緣材料。
[0025]優(yōu)選的，所述第一部件為絕緣體、半導(dǎo)體或?qū)w。
[0026]優(yōu)選的，所述隔離層為分立結(jié)構(gòu)或一體結(jié)構(gòu)。
[0027]優(yōu)選的，第一部件的表面通過與所述隔離層表面接觸并來回滑動而帶電。
[0028]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層分隔設(shè)置在同一個(gè)曲面上，所述第一部件設(shè)置在另一個(gè)曲率相同的曲面上，并且隨著兩個(gè)曲面的旋轉(zhuǎn)，所述第一部件的帶電表面交替與所述第一電極層和第二電極層靠近。
[0029]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層分隔設(shè)置在同一個(gè)曲面上，所述第一部件在作單擺式振動或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的過程中，其帶電表面交替與第一電極層201和第二電極層
A+-.、r—罪近。
[0030]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種基于非接觸式靜電感應(yīng)納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)組，由2個(gè)或2個(gè)以上上述任一項(xiàng)所述納米發(fā)電機(jī)并聯(lián)或串聯(lián)形成。
[0031]優(yōu)選的，至少部分納米發(fā)電機(jī)共用I個(gè)第一部件。
[0032]優(yōu)選的，所有所述納米發(fā)電機(jī)共用I個(gè)第一部件。
[0033]優(yōu)選的，各所述納米發(fā)電機(jī)中的第二部件相同或不同。
[0034]優(yōu)選的，每個(gè)納米發(fā)電機(jī)均與一個(gè)獨(dú)立的電信號輸出端電連接，或者至少2個(gè)納米發(fā)電機(jī)共用一個(gè)電信號輸出端。
[0035]優(yōu)選的，所有所述納米發(fā)電機(jī)共用I組第二部件。
[0036]優(yōu)選的，每個(gè)所述第一部件的帶電表面交替靠近第一電極層和第二電極層，并且相鄰兩個(gè)第一部件之間的間距滿足:當(dāng)I個(gè)第一部件完全離開第二電極層后，另一個(gè)第一部件才開始靠近第一電極層。
[0037]優(yōu)選的，兩個(gè)電極層在所述第一部件運(yùn)動方向的尺寸相同，具有長度L，兩個(gè)電極層之間的最短距離為d;
[0038]相鄰兩個(gè)第一部件所帶的電荷電性相同；相鄰兩個(gè)第一部件之間的最短距離大于或等于L+d，并且小于2L+d ；
[0039]或者，
[0040]相鄰兩個(gè)第一部件所帶的電荷電性相反；相鄰兩個(gè)第一部件之間的最優(yōu)距離為d ；
[0041]優(yōu)選的，至少部分納米發(fā)電機(jī)的第一電極層連接形成互相導(dǎo)通的第一導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)與之配合的第二電極層連接形成互相導(dǎo)通的第二導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并且兩個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)相互隔離。
[0042]優(yōu)選的，所述第一導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和第二導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形狀相同或互補(bǔ)。
[0043]優(yōu)選的，所述第一導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和第二導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)均為規(guī)整的周期性結(jié)構(gòu)，每個(gè)周期性重復(fù)單元的尺寸和形狀相同。
[0044]優(yōu)選的，所述重復(fù)單元的尺寸和形狀與所述第一部件的形狀和尺寸相同。
[0045]優(yōu)選的，相鄰兩個(gè)第一部件同時(shí)與一個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的不同重復(fù)單元靠近。
[0046]優(yōu)選的，所述第一部件與第二部件的重復(fù)單元的數(shù)目相同或不同。
[0047]相應(yīng)的，本發(fā)明還一個(gè)一種發(fā)電方法，包括如下步驟:
[0048]I)提供分隔放置的第一電極層和第二電極層，并將兩個(gè)電極層分別與電信號輸出端的兩端電連接；
[0049]2)使獨(dú)立并且?guī)щ姷牡谝徊考惶婵拷谝浑姌O層和第二電極層；
[0050]3)通過電信號輸出端向外輸出電信號。
[0051]優(yōu)選的，步驟2)中的第一部件所帶的電，是在靠近第一電極層201之前預(yù)先帶有，或