一种风铃式摩擦纳米发电机及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种风铃式摩擦纳米发电机及其制作方法，属于自供能技术领域，包括封装腔、设置在封装腔内的摆动单元；所述封装腔上设有通风口，内部设有电极，所述电极包括相对设置在封装腔两个内表面的电极层；所述摆动单元包括摆动薄膜和摩擦薄膜，所述摆动薄膜一端连接封装腔顶部，另一端连接摩擦薄膜，用于带动摩擦薄膜摆动，所述摩擦薄膜在摆动过程能够与电极层接触。本发明专利技术可充分将环境微弱风能或人体呼吸气流微能量转换为电信号输出，解决了现有摩擦纳米发电机使用场景有限，以及无法收集较小风能的问题。

A Wind Bell Friction Nano Generator and Its Fabrication Method

【技术实现步骤摘要】
一种风铃式摩擦纳米发电机及其制作方法
本专利技术属于自供能
，涉及能量采集、清洁能源及自供能
，尤其涉及一种风铃式摩擦纳米发电机及其制作方法。
技术介绍
无论是工业设备、家庭用电还是小型化便携电子设备都离不开电能的供应。随着能源紧缺问题日益严峻，急需开发新的能量采集技术实现对日常清洁能源，如风能、人体运动机械能或海洋能等的收集，这类清洁能源具有储藏丰富、分布广泛、规模巨大等诸多优点，却往往被人们所忽略。现有的新型能源技术，如太阳能、燃料电池等，可从一定程度上解决能源紧缺问题，但太阳能技术受限于自然天气等因素影响，燃料电池则存在着燃料携带及安全使用等问题。因此，出现了新型自供能技术，可将周围环境中广泛存在的振动能、人体动能、热能、噪声等能量源源不断地转换为电能，实现对传感器及其它电子元件的永久性供电，颠覆了传统有源器件技术和现有的新型能源技术。但传统的自供能技术主要是基于压电效应、电磁感应及光伏效应，这类技术普遍存在成本高、构造复杂、体积巨大、应用面窄等问题，限制了自供能技术的进一步发展。而基于摩擦起电与静电感应耦合作用的摩擦纳米发电机，具有结构简单、输出功效高、制造成本低、适用范围广以及可设计性强等优点，可通过不同结构设计广泛应用于环境中各种形式的能源收集，如风能、人体运动机械能或海洋能等，并将其转化为电信号输出。通过发电机可将这类清洁能源转化为电能储存，并进一步为微型电子设备供电，实现无需外部电源供电的自供能技术的普遍应用。目前，摩擦纳米发电机已广泛应用于环境机械能收集，并将所采集的能量存储为电子设备供电。风能作为自然界最广泛存在的一种清洁能源之一，通过设计适用于风能采集的发电机结构，实现将风能转换为电信号输出，可大大缓解当今所面临的能源危机。现有技术所研制的风能采集摩擦纳米发电机多基于旋转型，即通过风力带动发电机旋转从而产生电信号输出，但这类风能采集摩擦纳米发电机的尺寸较大，需要较大风能才能驱动，仅适于在风速较大、较快的场景使用，对于微弱风能场景，由于风力不足以驱动发电机，所以无法实现正常工作。因此，为了解决上述问题，本专利技术提出了一种风铃式摩擦纳米发电机及其制作方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供了一种风铃式摩擦纳米发电机及其制作方法，解决了现有摩擦纳米发电机使用场景有限，以及无法收集较小风能的问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种风铃式摩擦纳米发电机，包括封装腔、设置在封装腔内的摆动单元；所述封装腔上设有通风口，内部设有电极，所述电极包括相对设置在封装腔两个内表面的电极层；所述摆动单元包括摆动薄膜和摩擦薄膜，所述摆动薄膜一端连接封装腔顶部，另一端连接摩擦薄膜，用于带动摩擦薄膜摆动，所述摩擦薄膜在摆动过程能够与电极层接触。进一步地，所述摩擦薄膜为空心圆柱摩擦薄膜，所述空心圆柱摩擦薄膜为长方形薄膜卷曲成的圆柱体，材料为具有摩擦负极性的柔性有机聚合物薄膜材料，可为聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷或聚氯乙烯或聚酰亚胺，所述空心圆柱摩擦薄膜的厚度范围为100μm～250μm。更进一步地，所述空心圆柱摩擦薄膜底面圆处分别设置有圆形薄膜，所述圆形薄膜与空心圆柱摩擦薄膜底面圆的直径和材料均一致。更进一步地，所述电极还包括相对设置在封装腔另外两个内表面的电极片，高度与圆形薄膜等高。进一步地，还包括数据采集单元，所述数据采集单元包括通过引线与电极层连接的静电计，以及与静电计连接的采集终端。进一步地，所述封装腔的材料为玻璃或塑料。进一步地，所述电极为铝箔电极或铜箔电极或在柔性有机薄膜材料表面蒸镀的薄片电极，所述有机薄膜材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺，所述薄片电极的材料为铝或镍或铜或银或金，所述电极的厚度范围为200nm～10μm。进一步地，所述摆动薄膜为柔性有机聚合物薄膜材料，所述摆动薄膜的厚度范围为10μm～30μm。一种风铃式摩擦纳米发电机的制作方法，包括以下步骤：步骤1：裁取一片长方形的、厚度范围为100μm～250μm的、具有摩擦负极性的柔性有机聚合物薄膜，用去离子水清洗并干燥后，卷曲粘贴成一个空心圆柱体并定型，即为空心圆柱摩擦薄膜；步骤2：裁取一片厚度范围为10μm～30μm的柔性有机聚合物薄膜，宽度与步骤1中空心圆柱摩擦薄膜曲面侧面的高一致，即为摆动薄膜，用去离子水清洗并干燥后，一端与步骤1的空心圆柱摩擦薄膜的曲面侧面粘贴，构成摆动单元；步骤3：切割玻璃或塑料后，组成长方体的封装腔，并在封装腔前后两侧面的上部分设置通风口，在下部分粘贴电极层，构成电极；步骤4：将步骤2摆动单元中摆动薄膜的另一端粘贴在步骤3得到的封装腔顶部内表面的正中间，使摆动单元自然下垂；步骤5：在电极层上引出引线，连接静电计后，再连接采集终端。更进一步地，所述步骤1还包括在空心圆柱摩擦薄膜的两个底面圆上分别粘贴一个圆形薄膜，所述圆形薄膜的直径与空心圆柱摩擦薄膜的直径一致，材料也一致；步骤3还包括在封装腔左右两侧面、高度与圆形薄膜等高的位置，并排粘贴两个圆形电极片。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1.一种风铃式摩擦纳米发电机及其制作方法，将发电机放置于有风的环境或采用人体呼吸气流驱动，当气流通过封装腔的通风口，摆动单元的空心圆柱摩擦薄膜在封装腔内前后摆动，并与电极层不断接触-分离，产生交变电信号输出，可充分将环境微弱风能或人体呼吸气流微能量转换为电信号输出，相比于现有的风能收集发电机，本专利技术的发电机更易于微弱气流驱动，可广泛收集微弱气流能量，还具有结构新颖、制备简单、成本低廉、实用性高、携带方便、易于安装、对材料要求低的诸多优点，在微清洁能源领域具有较大的应用前景。2.本专利技术的发电机，由于在不同风速或气流流速下，摆动单元的空心圆柱摩擦薄膜摆动的幅度或频率将有所不同，从而使得空心圆柱摩擦薄膜与电极层的接触-分离距离不同，发电机的输出电信号也随之改变，由此原理可得知，该发电机还可实现对环境风速的实时自供能监测。3.本专利技术中所述封装腔的材料为玻璃或塑料，具有较强定型作用，可避免发电机的使用寿命和使用场地受到太大的限制。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：图1是一种风铃式摩擦纳米发电机的结构示意图；图2是本专利技术中实施例一的摆动单元结构示意图；图3是本专利技术中实施例一的电极结构示意图；图4是本专利技术中实施例二的透视结构示意图；图5是本专利技术中实施例二的立体结构示意图；图6是实施例一的发电机工作原理的电极示意图；图7是实施例一的发电机对不同驱动气流的实时响应图；图8是实施例一的发电机对同一驱动气流的重复性实时响应图；图9是实施例二的发电机工作原理的电极示意图；图中标记：1.封装腔、101.通风口、2.电极、201.电极层、202.电极片、3.摆动薄膜、4.空心圆柱摩擦薄膜、401.圆形薄膜、5.引线、6.静电计、7.采集终端。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风铃式摩擦纳米发电机，其特征在于：包括封装腔(1)、设置在封装腔(1)内的摆动单元；所述封装腔(1)上设有通风口(101)，内部设有电极(2)，所述电极(2)包括相对设置在封装腔(1)两个内表面的电极层(201)；所述摆动单元包括摆动薄膜(3)和摩擦薄膜，所述摆动薄膜(3)一端连接封装腔(1)顶部，另一端连接摩擦薄膜，用于带动摩擦薄膜摆动，所述摩擦薄膜在摆动过程能够与电极层(2)接触。

【技术特征摘要】
1.一种风铃式摩擦纳米发电机，其特征在于：包括封装腔(1)、设置在封装腔(1)内的摆动单元；所述封装腔(1)上设有通风口(101)，内部设有电极(2)，所述电极(2)包括相对设置在封装腔(1)两个内表面的电极层(201)；所述摆动单元包括摆动薄膜(3)和摩擦薄膜，所述摆动薄膜(3)一端连接封装腔(1)顶部，另一端连接摩擦薄膜，用于带动摩擦薄膜摆动，所述摩擦薄膜在摆动过程能够与电极层(2)接触。2.根据权利要求1所述的一种风铃式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦薄膜为空心圆柱摩擦薄膜(4)，所述空心圆柱摩擦薄膜(4)为长方形薄膜卷曲成的圆柱体，材料为具有摩擦负极性的柔性有机聚合物薄膜材料，可为聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷或聚氯乙烯或聚酰亚胺，所述空心圆柱摩擦薄膜(4)的厚度范围为100μm～250μm。3.根据权利要求2所述的一种风铃式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述空心圆柱摩擦薄膜(4)底面圆处分别设置有圆形薄膜(401)，所述圆形薄膜(401)与空心圆柱摩擦薄膜(4)底面圆的直径和材料均一致。4.根据权利要求3所述的一种风铃式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述电极(2)还包括相对设置在封装腔(1)另外两个内表面的电极片(202)，高度与圆形薄膜(401)等高。5.根据权利要求1所述的一种风铃式摩擦纳米发电机，其特征在于：还包括数据采集单元，所述数据采集单元包括通过引线(5)与电极层(201)连接的静电计(6)，以及与静电计(6)连接的采集终端(7)。6.根据权利要求1所述的一种风铃式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述封装腔(1)的材料为玻璃或塑料。7.根据权利要求1所述的一种风铃式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述电极(2)为铝箔电极或铜箔电极或在柔性有机薄膜材料表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：太惠玲，王斯，杨瑞雨，张俊新，刘勃豪，蒋亚东，袁震，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51