一种自驱动开关式摩擦纳米发电机和摩擦发电方法技术

本发明专利技术提供一种自驱动开关式摩擦纳米发电机，包括：摩擦纳米发电单元和电压驱动开关，其中，所述摩擦纳米发电单元包括至少一对相应的摩擦层通过物理接触产生相反的摩擦电荷，以及分别与两个所述摩擦层接触设置且相互绝缘的电极；所述摩擦发电单元的一个电极连接所述电压驱动开关作为摩擦纳米发电机的一个输出端，所述摩擦发电单元的另一个电极作为摩擦纳米发电机的另一个输出端。电压驱动开关的闭合与断开由摩擦发电单元驱动，可以调控摩擦纳米发电机的电学输出特性，扩展了摩擦纳米发电机的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种自驱动开关式摩擦纳米发电机和摩擦发电方法
本专利技术涉及发电领域，特别是涉及将机械能转化为瞬时电信号的摩擦纳米发电机以及发电方法。
技术介绍
摩擦纳米发电机是最近专利技术的一种新型的将机械能转化为电能的方式，利用得失电子能力不同的两种材料之间的互相摩擦，发生表面电荷转移。摩擦纳米发电机能够将广泛存在的机械能，如海浪、风能、各种运动物体的动能、以及人体活动如步行、跑动、跳动等形式的能量转变为电能，为小型电子器件如便携设备等提供电源。但是，目前，工业和家用电器适用的电源普遍需要的供电频率是50-60Hz，而现有摩擦纳米发电机的输出频率受外部作用力变化频率的控制，在低频外力的作用下，无法获得高频的电学输出，不能满足电子器件高频电源的需要。另外，现有摩擦纳米发电机还存在输出电流和输出功率小的缺点。
技术实现思路
本专利技术提供一种利用电压驱动开关与摩擦发电单元相结合的方式，改善了现有摩擦纳米发电机的输出性能。能够自驱动的控制摩擦发电单元两电极之间的导通与断开，可以实现对摩擦发电单元电学输出特性的调控，为电子器件提供高频或高功率的电源。为实现上述目的，本方法提供一种自驱动开关式摩擦纳米发电机，包括：摩擦纳米发电单元和电压驱动开关，其中，所述摩擦纳米发电单元包括至少一对相应的摩擦层通过物理接触产生相反的摩擦电荷，以及分别与两个所述摩擦层接触设置且相互绝缘的电极；所述摩擦发电单元的一个电极连接所述电压驱动开关作为摩擦纳米发电机的一个输出端，所述摩擦发电单元的另一个电极作为摩擦纳米发电机的另一个输出端。优选的，所述电压驱动开关为静电振动式开关。优选的，所述静电振动式开关包括弹性振子和接触端。优选的，所述弹性振子采用导电材料的丝状或者片状导体；接触端采用导电材料的片状导体。优选的，所述弹性振子的长度范围为4cm-8cm。优选的，所述电压驱动开关为电离开关。优选的，所述电离开关为空气电离开关；所述空气电离开关包括导电材料的放电针和集电板，所述放电针与集电板之间存在空气间隙；所述放电针与集电板之间的距离可调。优选的，所述放电针与集电板之间的距离小于1mm时；或者，所述放电针与集电板之间的距离的范围为1mm-20mm。优选的，所述放电针的针尖曲率半径为1μm-500μm；优选5μm-200μm；更优选10μm-100μm。优选的，所述导电材料为金属或者金属合金。优选的，所述所述摩擦发电单元的基本运动模式为：垂直接触分离模式(CS)、平行滑动模式(LS)、单电极模式主要包括单电极接触结构(SEC)、摩擦层自由移动模式包括滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)或接触式摩擦层自由移动结构(CFT)。优选的，所述摩擦发电单元为柔性结构发电单元。优选的，在两个所述输出端之间连接整流元件。相应的，本专利技术还提供一种摩擦发电方法，采用上述任一项中所述的摩擦纳米发电机进行发电。与现有技术相比，本专利技术具有下列有益效果：1、在使用相同的摩擦发电单元的情况下，由于电压驱动开关，例如静电振动式开关的接入，可以提高发电机的输出频率，扩展了摩擦纳米发电机在较高频率范围的应用。例如空气电离式开关的接入，发电机可以形成脉冲电学输出，可以极大地提高输出电流和输出功率，扩展了摩擦纳米发电机在大电流、大功率方面的应用。2、本专利技术的发电机通过摩擦发电单元两个部件之间的相对运动产生高压静电，诱使电压驱动开关闭合与断开，实现开关的自驱动模式，开关闭合无需外界机械力的触发。3、通过调节电压驱动开关的参数，可以调控发电机的输出特性，有助于实现摩擦发电与各种用电器件的结合。4、与全桥整流器结合可以将输出的交流电信号转变为单向脉冲信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以为电容器或者锂离子电池充电，也可以为各种小型便携式电子器件提供所需的高频电源。附图说明通过附图所示，本专利技术的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本专利技术的主旨。图1为本专利技术摩擦纳米发电机的结构示意图；图2a至图2e为5种结构摩擦纳米发电机的结构示意图；图3为实施例一发电机的结构示意图；图4为实施例一中静电振动开关闭合与断开，产生脉冲电学输出的原理示意图；图5为实施例一中发电机中电量随弹性振子长度的变化曲线；图6为实施例一中发电机的输出电压随弹性振子长度的变化曲线；图7为实施例一中发电机的输出电压-电流曲线；图8为实施例一中输出频率随弹性振子长度的变化曲线；图9为实施例二的发电机的空气电离开关以空气击穿的方式实现开关闭合的示意图；图10为实施例二中发电机通过空气击穿产生脉冲输出的发电原理示意图；图11为实施例二中本专利技术发电机的空气电离开关以电晕放电的方式实现开关闭合的示意图；图12为实施例二中发电机通过电晕放电产生交流输出的发电原理示意图；图13为实施例二中发电机在空气击穿方式下的输出电流随时间的变化曲线；图14为实施例二中发电机在电晕放电方式下的输出电流随时间的变化曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施示例中的附图，对本专利技术实施示例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施示例仅是本专利技术一部分实施示例，而不是全部的实施示例。基于本专利技术中的实施示例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施示例，都属于本专利技术保护的范围。其次，本专利技术结合示意图进行详细描述，在详述本专利技术实施示例时，为便于说明，所述示意图只是示例，不应限制本专利技术保护的范围。本专利技术基于由摩擦纳米发电机自身产生的电压驱动的电压驱动开关，使两个电极层形成电学连通，改善摩擦纳米发电机的输出性能。例如产生高频的交变电流或者提供大功率脉冲电源。下面结合附图详细介绍本专利技术自驱动开关式摩擦纳米发电机的具体结构。现有摩擦纳米发电机的基本原理是摩擦发电和静电感应的耦合。一个基本的摩擦发电单元包括至少一对相应的摩擦层来通过物理接触产生相反的摩擦电荷。摩擦发电单元一般还有两个相互绝缘的电极使得自由电子只能从外电路流过。在外部机械作用力的驱动下，摩擦层之间周期性的相对运动使得静电荷的原有平衡被打破，自由电子会通过外电路来建立新的平衡，形成对外输出。本专利技术中，在现有摩擦发电单元的基础上连接一个电压驱动开关，参见附图1，摩擦发电单元的一个电极连接一个电压驱动开关作为本专利技术的摩擦纳米发电机的一个输出端，摩擦发电单元的另一个电极作为摩擦纳米发电机的另一个输出端。当摩擦发电单元的两个电极之间的电压达到电压驱动开关的开启电压时，电压驱动开关产生相应的动作，使摩擦纳米发电机的输出较摩擦发电单元的输出性能有所改善。电压驱动开关可以为已知的任何结构的右电压控制其“断开”和“闭合”两个不同的状态的开关，例如，电压驱动开关可以为静电振动式开关，可以将驱动摩擦发电单元产生的低频机械能转化为高频电学输出，能够为电子器件提供高频电源。电压驱动开关可以为空气电离开关，将机械能转化为瞬时大功率的电学脉冲，能够为电子器件提供大功率脉冲电源。本专利技术提供的摩擦纳米发电机中，已有的摩擦纳米发电结构均可以作为摩擦发电单元，这里列出5种基本结构的摩擦发电单元，五种基本的结构为垂直接触分离模式(CS)、平行滑动模式(LS)、单电极接触结构(SEC)、滑动式摩擦层自由移动结构(SFT)和接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自驱动开关式摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：摩擦纳米发电单元和电压驱动开关，其中，所述摩擦纳米发电单元包括至少一对相应的摩擦层通过物理接触产生相反的摩擦电荷，以及分别与两个所述摩擦层接触设置且相互绝缘的电极；所述摩擦发电单元的一个电极连接所述电压驱动开关作为摩擦纳米发电机的一个输出端，所述摩擦发电单元的另一个电极作为摩擦纳米发电机的另一个输出端。

【技术特征摘要】
1.一种自驱动开关式摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：摩擦纳米发电单元和电压驱动开关，其中，所述摩擦纳米发电单元包括至少一对相应的摩擦层通过物理接触产生相反的摩擦电荷，以及分别与两个所述摩擦层接触设置且相互绝缘的电极；所述摩擦发电单元的一个电极连接所述电压驱动开关作为摩擦纳米发电机的一个输出端，所述摩擦发电单元的另一个电极作为摩擦纳米发电机的另一个输出端。2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述电压驱动开关为静电振动式开关。3.根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述静电振动式开关包括弹性振子和接触端。4.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述弹性振子采用导电材料的丝状或者片状导体；接触端采用导电材料的片状导体。5.根据权利要求3或4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述弹性振子的长度范围为4cm-8cm。6.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述电压驱动开关为电离开关。7.根据权利要求6所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述电离开关为空气电离开关；所述空气电离开关包括导电材料的放电针和集电板，所述放电针与集电板之间存在空气间隙；所述放...

【专利技术属性】
技术研发人员：王中林，程纲，郑莉，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11