一种弹性结构的摩擦纳米发电机制造技术

本发明专利技术提供一种弹性结构的摩擦纳米发电机，包括弹性基底、若干个发电单元和质量块，弹性基底为蛇形弯折的多层折叠结构，相邻两层基底互相连接形成U型或V型凹陷结构；发电单元包括面对面设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元，分别设置在相邻两层基底上；在振动能量作用下，质量块上下振动，弹性基底作用下使第一摩擦单元和第二摩擦单元互相接触分离，第一摩擦单元的电极和第二摩擦单元的电极之间产生电信号。在弹性基底的支撑结构上实现了多个发电机单元的并联，通过调整质量块调整发电机最佳输出频率范围，可以在3～30hz低频范围内有效将环境振动能量转换为电能。

【技术实现步骤摘要】
一种弹性结构的摩擦纳米发电机
本专利技术涉及能量转换领域，特别涉及一种在很宽频率范围内收集环境振动能量的摩擦纳米发电机。
技术介绍
近些年，无线传感器网络发展迅速，被广泛应用在环境、安全、过程控制和健康监视等领域，改善了资源的利用效率，实现了自然环境和工程控制的智能化。但是，大量的无线传感器节点也带来了一些亟待解决的问题，特别是对能源的需求。随着科技的发展，虽然电池技术性能已经得到很大改进，但是依然无法跟上无线传感器对能源需求的增长速度。振动能量作为自然环境中普遍存在的一种机械能，受外界条件限制较少，收集利用便捷，是无线传感器网络替代能源的理想选择。而在较宽频率范围内实现能量高效收集的纳米发电机技术是解决振动能量收集与利用的重要手段。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种包括弹性结构的摩擦纳米发电机，利用了不同位置处发电单元的共振频率不同，可以在很宽频率范围内收集环境振动能量。本专利技术提供的一种弹性结构的摩擦纳米发电机，包括：弹性基底、若干个发电单元和质量块，其中所述弹性基底为蛇形弯折的多层折叠结构，相邻两层基底互相连接形成U型或V型凹陷结构；所述发电单元包括面对面设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元，分别设置在相邻两层基底上；所述质量块与所述弹性基底的一端固定设置，在振动能量作用下，所述质量块上下振动，弹性基底作用下使第一摩擦单元和第二摩擦单元互相接触分离，第一摩擦单元的电极和第二摩擦单元的电极之间产生电信号。优选的，包括多个由所述弹性基底和所述发电单元组成的弹性发电部件，多个所述弹性基底共同支撑所述质量块。优选的，所述发电单元中，第一摩擦单元包括设置在所述弹性基底上的第一电极层和与第一电极层接触设置的第一摩擦层；第二摩擦单元包括设置在所述弹性基底上的第二电极层和与第二电极层接触设置的第二摩擦层；第一摩擦层和第二摩擦层面对面设置，并且第一摩擦层和第二摩擦层的表面材料存在摩擦电极序差。优选的，所述第一摩擦层或第二摩擦层的材料选自导体、绝缘体或半导体材料。优选的，所述第二摩擦层选自导电材料。优选的，所述第二摩擦层代替所述第一导电层。优选的，同一层所述弹性基底两侧设置的摩擦单元同为第一摩擦单元或者同为第二摩擦单元。优选的，所有发电单元的第一电极层并联后连接至整流单元，所有发电单元的第二电极层并联后连接至整流单元。优选的，任意相邻两个所述V型或U型凹陷结构的开口方向相反。优选的，在每个V型或U型的凹陷结构内均包括一个所述发电单元。优选的，所述质量块的质量为1000g～4000g，发电机的共振频率范围为3～30hz。优选的，发电机的共振频率为5～8hz时，质量块质量为3000±200g；或者，发电机的共振频率为13～16hz时，质量块质量为1500±200g。优选的，所述弹性基底选自表面包括绝缘层的金属薄膜材料、无机非金属材料和有机高分子材料或其组合。优选的，所述弹性基底的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、橡胶、聚酰亚胺薄膜或纸张。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果是：本专利技术提供的弹性结构的摩擦纳米发电机，在弹性基底的支撑结构上实现了多个发电机单元的并联，通过调整质量块调整发电机最佳输出频率范围，可以在3～30hz低频范围内有效将环境振动能量转换为电能。摩擦纳米发电机具有结构简单紧凑，制备方法简便，输出功率大，工作频率范围宽等特点，在车载传感器供电、大型装备健康状况监控，无线传感网络节点、环境气象监测、环境水质监测等领域有着广泛的应用前景。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为本专利技术的弹性结构的摩擦纳米发电机的结构示意图；图2为弹性结构的摩擦纳米发电机的发电单元的结构示意图；图3为摩擦纳米发电机的弹性基底的结构示意图；图4为摩擦纳米发电机包括多个弹性发电部件的结构示意图；图5为一个具体实施例的摩擦纳米发电机采用不同质量块时的输出测试结果。具体实施方式本专利技术提供一种在很宽频率范围内收集环境振动能量的摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机包括多个折叠结构的发电单元，并可通过质量块调整共振频率范围，在3hz到30hz的宽频范围内的振动能量有效转化为电能。为了便于理解本专利技术的技术方案，下面结合附图详细介绍本专利技术的具体实施方式。参见图1，本实施例的弹性结构的摩擦纳米发电机，包括弹性基底1、若干个发电单元和质量块5，其中：弹性基底1为蛇形弯折的多层折叠结构，相邻两层基底互相连接形成U型凹陷结构；发电单元包括面对面设置的第一摩擦单元2和第二摩擦单元3，分别设置在相邻两层基底1上，即U型凹陷结构内表面的两层相邻的基底分别支撑发电单元的一个摩擦单元，弹性基底1和发电单元组成弹性发电部件；质量块5与弹性基底1的一端固定设置，在振动能量作用下，质量块5上下振动，使弹性基底1发生形变使第一摩擦单元2和第二摩擦单元3互相接触并发生表面电荷转移，并且在弹性基底1的刚度(弹性)作用下第一摩擦单元2和第二摩擦单元3互相分离，第一摩擦单元2的电极和第二摩擦单元3的电极之间产生交流脉冲电信号。可以通过导线4将多个发电单元的输出电信号进行并联后作为一个统一的输出信号。参见图2，发电单元中，第一摩擦单元2可以包括设置在弹性基底1上的第一电极层22和与第一电极层22接触设置的第一摩擦层21；第二摩擦单元3可以包括设置在弹性基底1上的第二电极层32和与第二电极层32接触设置的第二摩擦层31；第一摩擦层21和第二摩擦层22面对面设置，并且第一摩擦层21和第二摩擦层22的表面材料存在摩擦电极序差。在质量块5的作用下第一摩擦单元2和第二摩擦单元3互相接触，由于二者的表面材料存在摩擦电极序差，会在两个摩擦层表面产生表面电荷，互相分离后，由于静电感应作用，在第一电极层22和第二电极层23之间产生电荷流动。弹性基底的两层之间互相靠近和远离，在发电单元的第一电极层22和第二电极层23之间产生交流电信号，将多个发电单元的电信号经过整流后并联即可形成有效的电输出。弹性基底材料的选择需要考虑到轻量化和柔性，蛇形弯折的层叠状基片1的各层之间的距离可以在质量块受到振动的作用力下往复变化。可以选择刚性较好的表面包括绝缘层的金属薄膜材料、无机非金属材料和有机高分子材料或其组合，如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、橡胶、纸张、聚酰亚胺薄膜或表面涂覆有绝缘涂层的金属铝片等弹性膜材料折叠而成，这种结构的弹性基底具有类似弹簧的特性。对于弹性基底的蛇形弯折形状，不严格限定为本实施例所述的U型，近似U即可，也可以为V型。参见图3，弹性基底1为蛇形弯折状层叠结构，所述层叠结构至少为三层，任意相邻两层之间互相连接形成V型或U型凹陷结构。弹性基底包括V型或U型凹陷结构的数量视情况可变。具体参见图3中a图所示，弹性基底A为蛇形弯折状层叠结构，任意相邻两层之间互相连接形成V型凹陷结构，图中A11层基片与相邻的A12层基片互相连接形成一个V型凹陷结构A1(虚线框中所示)，A12层基片与相邻的A13层基片互相连接形成一个V型凹陷结构A2(虚线框中所示)，弹性基底A的其他部分依次类推，这里不再列举，形成的“Z”字形弹性结构。参见图3中图b所示，弹性基底B为蛇形弯折状层叠结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种弹性结构的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括弹性基底、若干个发电单元和质量块，其中所述弹性基底为蛇形弯折的多层折叠结构，相邻两层基底互相连接形成U型或V型凹陷结构；所述发电单元包括面对面设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元，分别设置在相邻两层基底上；所述质量块与所述弹性基底的一端固定设置，在振动能量作用下，所述质量块上下振动，弹性基底作用下使第一摩擦单元和第二摩擦单元互相接触分离，第一摩擦单元的电极和第二摩擦单元的电极之间产生电信号。

【技术特征摘要】
1.一种弹性结构的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括弹性基底、若干个发电单元和质量块，其中所述弹性基底为蛇形弯折的多层折叠结构，相邻两层基底互相连接形成U型或V型凹陷结构；所述发电单元包括面对面设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元，分别设置在相邻两层基底上；所述质量块与所述弹性基底的一端固定设置，在振动能量作用下，所述质量块上下振动，弹性基底作用下使第一摩擦单元和第二摩擦单元互相接触分离，第一摩擦单元的电极和第二摩擦单元的电极之间产生电信号。2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括多个由所述弹性基底和所述发电单元组成的弹性发电部件，多个所述弹性基底共同支撑所述质量块。3.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电单元中，第一摩擦单元包括设置在所述弹性基底上的第一电极层和与第一电极层接触设置的第一摩擦层；第二摩擦单元包括设置在所述弹性基底上的第二电极层和与第二电极层接触设置的第二摩擦层；第一摩擦层和第二摩擦层面对面设置，并且第一摩擦层和第二摩擦层的表面材料存在摩擦电极序差。4.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层或第二摩擦层的材料选自导体、绝缘体或半导体材料。5.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦层选自导电材料。6.根据权利要求5所述的摩擦纳米发电机，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王中林，王晓峰，衣芳，牛思淼，
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