基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机

1.本发明涉及发电机技术领域，特别涉及基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机。


背景技术：

2.随着新时代物联网(iot)和大数据(bd)的快速发展，数以亿计的分布式传感器网络被开发出来用于收集和转换周围环境的信息，因此分布式和持续性供电成为了迫切的需求和巨大的挑战。
3.摩擦纳米发电机(teng)作为一种新型的能量转换技术，为捕获低频机械能(如振动能、风能、水能等)转化为电能提供了一种有前景的技术方案。此外，teng在iot、bd和环境监测的大规模应用中也表现出了很好的优点，如：制备成本低、材料选择丰富、结构设计简单和环保等优点，其在微-纳能源采集及自供电传感器网络等各领域吸引了研究者们的广泛关注。
4.根据teng的工作机理和输出信号类型，teng大致可分为两类：(一)基于摩擦起电和静电感应的耦合，teng产生交流电流输出(ac-teng)；(二)基于摩擦起电和空气击穿的耦合，teng产生直流电流输出(dc-teng)，dc-teng在不需整流电路和储能单元情况下可以直接向电子器件供电。目前，通过使用单元集成的dc-teng器件可以达到超高的总输出电荷密度。
5.然而，普通的dc-teng在运行过程中缺乏电荷积累过程，其有效电荷密度严重依赖于表面接触力。很明显，由于高的表面接触力，会产生强烈的机械磨损，这是实际应用的瓶颈问题。有趣的是，基于摩擦起电和静电感应的ac-teng能够不断积累摩擦电荷。ac-teng即使在较低的表面接触力下也能产生理想的有效电荷密度。然而，由于大多数电子器件需要直流电源，ac-teng在没有整流电路的情况下不能直接驱动它们。因此，有必要探索一种新型的dc-teng，使其在低的表面接触力下仍然具有理想的直流输出。


技术实现要素：

6.针对现有技术中普通dc-teng因表面接触力较高导致机械磨损较大的问题，本发明提出基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机，通过将发电机的正、负电极中正介电膜、负介电膜的面积均小于对应导电部件，实现直流输出，低的表面接触力减小材料磨损，提高了耐久性。
7.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
8.一种基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机，所述发电机的正电极上的正介电膜13的面积小于第一导电部件12的面积，负电极上负介电膜23的面积小于第二导电部件22的面积。
9.优选地，所述发电机包括正电极和负电极；
10.所述正电极包括第一导电部件12和正介电膜13，正介电膜13覆盖在第一导电部件
12的上表面；所述负电极包括第二导电部件22和负介电膜23，负介电膜23覆盖在第二导电部件22的上表面。
11.优选地，所述发电机包括接触-分离模式、滑动模式和转动模式。
12.优选地，所述接触-分离模式的发电机结构为：
13.第一导电部件12在第一基底11的上表面，正介电膜13在第一导电部件12的上表面；第二导电部件22在第二基底21的上表面，负介电膜23在第二导电部件22的上表面；摩擦电极和正电极、负电极之间做分离往返运动，进行电荷的转移。
14.优选地，所述摩擦电极还分别和第一导电部件12、第二导电部件22进行接触导电。
15.优选地，所述滑动模式或转动模式的发电机结构为：
16.正介电膜13在第一导电部件12的上表面，负介电膜23在第二导电部件22的上表面，第一导电部件12和第二导电部件22间隔地贴在第四基底111上；摩擦电极包括第三导电部件42和第三基底41，第三导电部件42在第三基底41的下表面。
17.优选地，所述第一导电部件12的侧边设有垂直的第一凸起121，第三导电部件42的侧边设有第二凸起421，第一凸起121和第二凸起421接触导电。
18.优选地，所述第一基底11和第二基底21采用绝缘材料；第一导电部件12和第二导电部件22采用导电材料；正介电膜13采用摩擦后带正电的材料，负介电膜23采用摩擦后带负电的材料。
19.优选地，所述摩擦电极的材料为柔性的碳凝胶，用于和第一导电部件12、第二导电部件22实现软接触。
20.优选地，所述正介电膜13的长度和第一导电部件12的长度相同，正介电膜13的宽度为第一导电部件12的宽度的k倍，k＜1且为正数；负介电膜23的长度和第二导电部件22的长度相同，负介电膜23的宽度为第二导电部件22的宽度的k倍，k＜1且为正数。
21.综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
22.本发明中，正、负电极的介质膜与摩擦电极进行摩擦起电，然后分别与正、负电极对应的导电部件感应起电，但发电机的正、负电极中正介电膜、负介电膜的面积均小于对应导电部件，从而使得摩擦电极与感应起电的导电部件进行电荷转移，实现直流输出；
23.同时由于正介电膜、负介电膜的面积均小于对应导电部件即接触面积减小，摩擦电极在运动过程中，没有时刻与正介电膜、负介电膜接触，从而减小摩擦力和损耗，提高了耐久性。
附图说明：
24.图1为根据本发明示例性实施例的接触-分离模式的发电机示意图。
25.图2为接触-分离模式的发电机输出直流的原理示意图，图2(i)表示摩擦电极与正电极的正介电膜接触时的电荷分布，图2(ii)表示摩擦电极与负电极的负介电膜初始接触时的电荷分布，图2(iii)表示摩擦电极与负电极的第二导电部件接触时的电荷分布，图2(iv)表示摩擦电极与负电极的负介电膜分离时的电荷分布，图2(v)表示摩擦电极与正电极的正介电膜初始接触的电荷分布，图2(vi)表示摩擦电极与正电极的第一导电部件接触时的电荷分布。
26.图3为根据本发明示例性实施例的接触-分离模式的发电机短路电流和转移电荷的输出曲线图.
27.图4为根据本发明示例性实施例的滑动或转动模式的发电机示意图。
28.图5为根据本发明示例性实施例的滑动或转动模式的发电机中滑动电极和导电部件示意图。
29.图6为滑动或转动模式的发电机输出直流的原理示意图，图6(i)表示摩擦电极与负电极的负介电膜初始接触时的电荷分布，图6(ii)表示摩擦电极与正电极的正介电膜初始接触时的电荷分布，图6(iii)表示摩擦电极与正电极的正介电膜接触时的电荷分布，图6(iv)表示摩擦电极与正电极的正介电膜初始分离时的电荷分布。
30.图7为根据本发明示例性实施例的滑动或转动模式的发电机耐久性测试图。
具体实施方式
31.下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.本发明提供基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机，包括负电极，正电极和摩擦电极，负电极和正电极通过导线连接。
34.在现有的基于摩擦和静电感应的摩擦纳米发电机中，正介电膜和负介电膜的面积和导电部件的面积相同，一般在电荷转移的过程中，输出交流电。本发明为了使发电机输出直流，需要对上述结构进行改进。
35.本发明的原理从以下几个实施例进行说明。
36.实施例1：
37.发电机为接触-分离模式，正电极和负电极通过导线连通，摩擦电极在正电极和负电极之间做往返运动，实现电子从负电极向正电极的转移，
38.如图1a所示，所述正电极包括第一基底11、第一导电部件12和正介电膜13。第一导电部件12覆盖在第一基底11的上表面，正介电膜13覆盖在第一导电部件12的上表面，即第一导电部件12位于第一基底11和正介电膜13中间。
39.如图1b所示，所述负电极包括第二基底21、第二导电部件22和负介电膜23，第二导电部件22覆盖在第二基底21的上表面，负介电膜23覆盖在第二导电部件22的上表面，即第二导电部件22位于第二基底21和负介电膜23中间。
40.本实施例中，第一基底11和第二基底21采用绝缘材料，例如亚克力板、如木板，玻璃板等；第一导电部件12和第二导电部件22采用导电材料，例如铝箔、铜箔、钢片等，起到导电作用；正介电膜13采用摩擦后带正电的材料，如尼龙，pu等；负介电膜23采用摩擦后带负电的材料，如fep，ptfe，kapton膜等。
41.摩擦电极，采用导电材料，用于分别和正电极、负电极接触，进行电荷的转移，从而实现电流的累积输出。
42.本实施例中，正介电膜13的面积小于第一导电部件12的面积，负介电膜23的面积小于第二导电部件22的面积，即正介电膜13不能完全地覆盖第一导电部件12，负介电膜23不能完全地覆盖第二导电部件22，摩擦电极的面积、第一导电部件12、第二导电部件22的面积相等，这样摩擦电极在分别与正电极、负电极紧密接触的时候，摩擦电极可以分别与铝箔第一导电部件12、第二导电部件22接触导电。
43.正、负电极和摩擦电极面积大小可以根据实际的情况改变，面积越大，直流输出越大。
44.如图2所示，发电机为接触-分离模式的原理如下：
45.图2(i)中，摩擦电极4与正电极上的正介电膜13摩擦接触，正介电膜13上带有6个正电荷(可以是其他数量电荷，本实施例中是为了方便说明)，摩擦电极4带有6个负电荷；负电极上负介电膜23带有6个负电荷，第二导电部件22上带有6个正电荷。(根据摩擦一段时间后达到饱和状态来分析的，并不是首次摩擦就开始分析初始电荷的积累过程，介电膜上的电荷是可以保留一段时间，如果不持续摩擦电荷会耗散，但是饱和后还在持续摩擦，就可以认为介电膜上的电荷一致保持不变)摩擦电极4向右运动，即从正电极开始向负电极运动。
46.图2(ii)中，摩擦电极4与负电极的负介电膜23开始接触，正电极上的第一导电部件12与正介电膜13之间产生静电感应，由于正介电膜13上带有6个正电荷，则第一导电部件12将会从负电极的第二导电部件22上得到相等数量的6个负电荷，从而带上负电；而第二导电部件22由于失去6个负电荷，从而带上12个正电荷，即负电荷的转移方向是从负电极流向正电极。
47.图2(iii)中，摩擦电极4继续向右运动，由于负介电膜23的面积小于第二导电部件22的面积，则负介电膜23不能完全地覆盖第二导电部件22，则摩擦电极4将与第二导电部件22接触，从而进行部分电荷中和，第二导电部件22上的12个正电荷转移到摩擦电极4上，经过电荷中和后摩擦电极4上将带有6个正电荷。(负介电膜23和第二导电部件22之间通过双面胶进行粘贴固定，负介电膜23与摩擦电极4的距离要近一些，比如近的一边4个远的一边2个，但为便于分析，因此可理解为电荷全部转移到与负介电膜23更近的电极上)
48.图2(iv)中，摩擦电极4开始向左运动，即从负电极向正电极运动，此时正电极上第一导电部件12带有6个负电荷，正介电膜13带有6个正电荷，负电极上第二导电部件22不带电荷，负介电膜23带有6个负电荷，摩擦电极4上将带有6个正电荷。
49.图2(v)中，摩擦电极4与正电极的正介电膜13开始接触，负电极上第二导电部件22和负介电膜23之间产生静电感应，由于负介电膜23带有6个负电荷，则第二导电部件22将产生6个正电荷，则对应的6个负电荷从第二导电部件22转移到第一导电部件12，使得第一导电部件12带有12个负电荷；负电荷的转移方向还是从负电极流向正电极。
50.图2(vi)中，摩擦电极4继续向左运动，由于正介电膜13的面积小于第一导电部件12的面积，则正介电膜13不能完全地覆盖第一导电部件12，则摩擦电极4将与第一导电部件12接触，从而进行电荷中和，第一导电部件12上的12个负电荷转移到摩擦电极4上，经过电荷中和后摩擦电极4上将带有6个负电荷。
51.本实施例中，图2(v)与图2(ii)中负电荷的转移方向相同，即发电机电流的输出方
向不变，输出直流，但由于摩擦电荷可以不断积累直至饱和，因此，可以在低的表面接触力下实现理想的电荷输出。
52.同时由于摩擦电极4没有一直和正电极、负电极保持接触，从而降低了表面接触力和材料之间的磨损，提高了耐久性。
53.从图3(a)中可看出，在摩擦电极往复运动工程中，发电机(发电机输出端连接静电计keithley6514来展示其转移电荷和短路电流的输出情况)的转移电荷输出呈现出线性增加的趋势；图3(b)中，短路电流只有正向的输出峰，没有负向的输出峰，即输出的是直流。
54.实施例2
55.发电机为滑动模式，正电极和负电极通过导线连通，摩擦电极在正电极和负电极之间做滑动，实现负电荷从负电极向正电极的转移。
56.如图4所示，正电极包括第一导电部件12和正介电膜13，正介电膜13覆盖在第一导电部件12的上表面；负电极包括第二导电部件22和负介电膜23，负介电膜23覆盖在第二导电部件22的上表面；摩擦电极包括第三导电部件42和第三基底41，第三导电部件42覆盖在第三基底41的上表面；
57.本实施例中，第三导电部件42采用导电材料，例如铝箔、铜箔、钢片等，起到导电作用；第三基底41采用绝缘材料，例如亚克力板、如木板，玻璃板等；
58.本实施例中，将正电极和负电极间隔地贴在第四基底111上，第四基底111为矩形。
59.本实施例中，正介电膜13的长度和第一导电部件12的长度相同，但正介电膜13的宽度为第一导电部件12的宽度的k倍，k＜1且为正数，优先为k＝1/2，这样可以提高电荷输出(如果不对半的话，也可以但是输出可能会变小)；负介电膜23的长度和第二导电部件22的长度相同，但负介电膜23的宽度为第二导电部件22的宽度的k倍，k＜1且为正数，优先为k＝1/2；正电极和负电极的大小相同，即第一导电部件12和第二导电部件22的长度、宽度、厚度相同，正介电膜13和负介电膜23的长度、宽度、厚度相同；摩擦电极中第三导电部件42和正介电膜13或负介电膜23的长度、宽度、厚度相同。
60.由于正电极中正介电膜13有一定厚度，即正介电膜13的上表面和第一导电部件12的上表面有一定高度，同理负介电膜23和第二导电部件22上表面有一定高度，这样当摩擦电极在负介电膜23和正介电膜13上滑动时，第三导电部件42与负介电膜23和正介电膜13接触的时候为接触起电，第三导电部件42不与负介电膜23和正介电膜13接触时候为感应起电。
61.如图5所示，第一导电部件12的侧边设有垂直的第一凸起121(与第一导电部件12的材料相同且两者互相垂直接触)，同理第二导电部件22的侧边也设有垂直的凸起；摩擦电极中第三导电部件42的侧边设有第二凸起421(与第三导电部件42的材料相同且两者互相水平接触)，这样设置的好处是摩擦电极分别在负介电膜23和正介电膜13上滑动时，还能与第一导电部件12和第二导电部件22进行部分接触导电。
62.本实施例中，正、负电极和摩擦电极的单元数量和面积大小可以根据实际的情况改变。
63.如图6所示，发电机为滑动模式的原理如下：
64.图6(i)中，当摩擦电极中第三导电部件42与负电极上的负介电膜23接触时，负介电膜23带4个负电荷，第二导电部件22不带电荷；第三导电部件42带4个正电荷；正电极上的
正介电膜13带4个正电荷，第一导电部件12由于正介电膜13的静电感应，从而带4个负电荷。
65.图6(ii)中，当摩擦电极中第三导电部件42从负介电膜23向正介电膜13滑动时，第二导电部件22由于负介电膜23的静电感应，从而带4个正电荷，对应的4个负电荷通过导线转移到相连的第一导电部件12，因此第一导电部件12带8个负电荷。即负电荷从负电极转移到正电极。
66.图6(iii)中，当摩擦电极中第三导电部件42与正电极的正介电膜13接触后，由于第三导电部件42上的第二凸起421与第一导电部件12的第一凸起121接触，从而第三导电部件42与第一导电部件12之间发生电荷中和；则第三导电部件42带4个负电荷，第一导电部件12不带电荷，正介电膜13带4个正电荷；负介电膜23带4个负电荷，第二导电部件22带4个正电荷。
67.图6(iv)中，当摩擦电极中第三导电部件42从正介电膜13向负介电膜23滑动时，正电极上的第一导电部件12由于正介电膜13的静电感应，从相连的负电极的第二导电部件22上转移来4个负电荷，因此第二导电部件22带8个正电荷。即负电荷从负电极转移到正电极。
68.本实施例中，图6(iv)与图6(ii)中负电荷的转移方向相同，都是从负电极转移到正电极，即在摩擦电极滑动过程中，发电机电流的输出方向不变，输出的是直流，但由于摩擦电荷可以不断积累直至饱和，因此，可以在低的表面接触力下实现理想的电荷输出。
69.同时由于摩擦电极没有一直和正电极、负电极保持接触，从而降低了表面接触力和材料之间的磨损，提高了耐久性。从图7可看出，由于低的表面接触力，在10万次运行循环后仍能保持初始输出的99％。
70.实施例3
71.发电机为转动模式，正电极和负电极通过导线连通，摩擦电极在正电极和负电极之间转动，实现负电荷从负电极向正电极的转移。
72.本实施例中，将正电极和负电极间隔地贴在第四基底111上，第四基底111为圆形，其他结构和原理与实施例2中一样，因此不加以赘述。
73.随着转速的增加，发电机在单位时间的转移电荷量明显增加，短路电流呈现出线性增加的趋势，但是开路电压恒定在2700v左右，在低的表面接触力下具有高的直流输出特性。
74.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。