同时提升压电摩擦电双模态发电效率的风能发电机及方法技术

本发明专利技术提出一种同时提升压电摩擦电双模态发电效率的风能发电机及制备、工作方法，包括主体发电机、方向舵发电机和支撑托盘；主体发电机从下至上包括底电极、第二纳米复合薄膜、谐振片、第一纳米复合薄膜、顶电极，上、下发电机共用谐振片；主体发电机左、右侧开口分别为进风口和出风口；主体发电机绕风流方向旋转90

【技术实现步骤摘要】
同时提升压电摩擦电双模态发电效率的风能发电机及方法


[0001]本专利技术属于纳米材料领域、微纳能源领域，涉及成膜技术，具体涉及一种同时提升压电
‑
摩擦电双模态风能发电机输出性能的方法。

技术介绍

[0002]能源短缺和环境污染是当今社会面临的两大难题，从太阳、风、海浪等可再生自然资源中获取能量，不会排放任何污染物，是解决能源短缺和环境污染问题的有效方法。因此如何有效利用可再生能源是我们迫在眉睫的课题。
[0003]传统的供电方式是发电厂利用高密度的、有序的、高质量的低熵能源，如煤炭、石油的燃烧带动热机进而产生电能，送往诸如工厂、学校等固定场所。而物联网的出现、移动通信的普及，使得物体传感器分布广泛且随时可能移动。虽然操作每个传感器所需的功率很小，通常是微瓦到瓦的范围，但其数量巨大，这使得小型器件的能源需求变成了分布式的、无序的、无线的高熵能源。自供能设备提供了一种利用机械能发电的新方法。
[0004]压电
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摩擦电纳米发电机(P
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TENG)，是利用压电效应和摩擦起电效应将环境中存在的众多分布式、高熵的能源，如风能、人体运动能、振动能等低频能量转化为电能，进而有效收集利用环境中任何可用能量的装置。
[0005]P
‑
TENG作为能量收集装置，其应用很大程度上取决于其输出功率。对于压电效应，表面电荷密度与压电系数成正比；对于摩擦电效应，功率密度与表面摩擦电荷密度呈二次方关系。因此人们努力通过材料选择和结构优化等方式提高电荷密度，从而扩展压电
‑
摩擦电纳米发电机的应用领域。现有的研究大多是通过调整工艺参数然后测试薄膜的性能，再调整再测试，反复调整实现性能的优化。
[0006]为了进一步提高P
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TENG的输出性能，扩展其应用范围，有必要在微观层面对压电
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摩擦电材料的结构进行改进，增加聚合物薄膜的电荷密度。在微观层面设计压电
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摩擦电复合材料结构的方法操作简单、成本低廉、实用性高，改善了P
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TENG的应用前景，扩大了应用范围，为P
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TENG的优化提供了一个新的研究方向。

技术实现思路

[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术提供了一种同时提升压电
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摩擦电双模态风能发电机输出性能的方法。
[0008]为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：
[0009]一种同时提升压电摩擦电双模态发电效率的风能发电机，包括主体发电机和固定在主体发电机上表面的方向舵发电机8；
[0010]主体发电机从下至上包括底电极6、第二纳米复合薄膜5、谐振片4、第一纳米复合薄膜2、顶电极1，底电极6、第二纳米复合薄膜5、谐振片4构成下发电机，谐振片4、第一纳米复合薄膜2、顶电极1构成上发电机，上、下发电机共用谐振片4；主体发电机底部由支撑托盘9支撑；主体发电机的上、下、前、后侧由透明外壳3密封，主体发电机左、右侧的开口分别为
进风口10和出风口11；从进风口到出风口的方向为风流方向；
[0011]谐振片4为铝箔、软质绝缘塑料片、铝箔形成的三明治柔性结构，软质绝缘塑料片使上下两个发电机的电荷转移互不干扰；谐振片4在靠近进风口的一端固定在透明外壳上、另一端自由摆动；
[0012]底电极6上表面的第二纳米复合薄膜5与顶电极1下表面上的第一纳米复合薄膜2为同种材料；
[0013]主体发电机绕风流方向旋转90
°
并缩小后得到方向舵发电机8，方向舵发电机8的重心位于靠近出风口11的一端；方向舵发电机8的重心位于主体发电机平行于风流方向的中轴线上；
[0014]风流进入风能发电机后引起谐振片震动，谐振片与所述两个纳米复合薄膜之间有靠近和挤压两个过程，靠近过程引起摩擦电输出，挤压过程引起压电输出，纳米复合薄膜压电极性方向与其摩擦电极性方向一致，使输出信号在外电路中正向叠加，实现压电和摩擦电双模态的能量收集。
[0015]作为优选方式，纳米复合薄膜都是压电陶瓷和聚合物的复合物，在其固化过程中借助外接摩擦纳米发电机施加的交变电场，将压电陶瓷纳米颗粒垂直于聚合物薄膜厚度方向进行定向排布，首尾相接组成纳米棒，使聚合物基复合薄膜具有特定取向，从而在陶瓷填料的体积分数相同的情况下，同时提升复合薄膜的介电常数ε
33
与压电系数d
33
；介电常数ε
33
的增加将提升摩擦电式换能效率，而压电系数d
33
的增加将提升压电式换能效率。
[0016]作为优选方式，纳米复合薄膜的制备方法为将纳米颗粒压电材料填充散布到聚合物薄膜中，在聚合物固化前，通过外接摩擦纳米发电机输出60
‑
2200V、10
‑
500Hz的交流电，在20℃
‑
30℃的环境静置12h
‑
24h，使得纳米颗粒沿电场线方向首尾相接排列成纳米棒，以增加应力传导效率。
[0017]作为优选方式，纳米复合薄膜中，压电陶瓷纳米颗粒排列为沿薄膜厚度方向的纳米棒结构，压电陶瓷纳米颗粒材料占聚合物薄膜的体积分数为1％
‑
50％，压电陶瓷纳米颗粒直径范围为0.1
‑
1μm，其排列形成的纳米棒长度范围为1
‑
100μm。
[0018]作为优选方式，压电陶瓷纳米颗粒的材料为钛酸钡BTO、锆钛酸铅PZT、铌酸盐系、铌镁酸铅
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钛酸铅PMN
‑
PT中的任意一种。
[0019]作为优选方式，聚合物薄膜材料选自聚偏氟乙烯PVDF，聚偏氟乙烯
‑
共三氟乙烯P(VDF
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TrFE)，聚偏氟乙烯
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共六氟丙烯P(VDF
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HFP)，聚二甲基硅氧烷PDMS，3
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己基噻吩聚合物P3HT，聚四氟乙烯PTFE，聚苯胺，聚吡咯，聚对苯二甲酸乙二醇酯PET聚合物材料其中一种。
[0020]作为优选方式，顶电极和底电极的材料为铜、或铝、或银金属。
[0021]本专利技术还提供一种同时提升压电摩擦电双模态发电效率的风能发电机的制备方法，包括如下步骤：
[0022](1)准备钛酸钡纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷和其固化剂并将它们按质量比1:10:1混合均匀得到混合物；
[0023](2)将配好的混合物放在氧化铟锡ITO玻璃上，抽真空，在真空环境下除去混合物中溶解的空气；
[0024](3)把另一块氧化铟锡ITO玻璃压在上面，第二次抽真空，两玻璃板间隔100μm
‑
200
μm；
[0025](4)从氧化铟锡ITO玻璃表面引出导线，用银浆粘连ITO与导线末端，并连接到摩擦纳米发电机；
[0026](5)用摩擦纳米发电机输出110V
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同时提升压电摩擦电双模态发电效率的风能发电机，其特征在于：包括主体发电机和固定在主体发电机上表面的方向舵发电机(8)；主体发电机从下至上包括底电极(6)、第二纳米复合薄膜(5)、谐振片(4)、第一纳米复合薄膜(2)、顶电极(1)，底电极(6)、第二纳米复合薄膜(5)、谐振片(4)构成下发电机，谐振片(4)、第一纳米复合薄膜(2)、顶电极(1)构成上发电机，上、下发电机共用谐振片(4)；主体发电机底部由支撑托盘(9)支撑；主体发电机的上、下、前、后侧由透明外壳(3)密封，主体发电机左、右侧的开口分别为进风口(10)和出风口(11)；从进风口到出风口的方向为风流方向；谐振片(4)为铝箔、软质绝缘塑料片、铝箔形成的三明治柔性结构，软质绝缘塑料片使上下两个发电机的电荷转移互不干扰；谐振片(4)在靠近进风口的一端固定在透明外壳上、另一端自由摆动；底电极(6)上表面的第二纳米复合薄膜(5)与顶电极(1)下表面上的第一纳米复合薄膜(2)为同种材料；主体发电机绕风流方向旋转90
°
并缩小后得到方向舵发电机(8)，方向舵发电机(8)的重心位于靠近出风口(11)的一端；方向舵发电机(8)的重心位于主体发电机平行于风流方向的中轴线上；风流进入风能发电机后引起谐振片震动，谐振片与所述两个纳米复合薄膜之间有靠近和挤压两个过程，靠近过程引起摩擦电输出，挤压过程引起压电输出，纳米复合薄膜压电极性方向与其摩擦电极性方向一致，使输出信号在外电路中正向叠加，实现压电和摩擦电双模态的能量收集。2.根据权利要求1所述的一种同时提升压电摩擦电双模态发电效率的风能发电机，其特征在于：纳米复合薄膜都是压电陶瓷和聚合物的复合物，在其固化过程中借助外接摩擦纳米发电机施加的交变电场，将压电陶瓷纳米颗粒垂直于聚合物薄膜厚度方向进行定向排布，首尾相接组成纳米棒，使聚合物基复合薄膜具有特定取向，从而在陶瓷填料的体积分数相同的情况下，同时提升复合薄膜的介电常数ε
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与压电系数d
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；介电常数ε
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的增加将提升摩擦电式换能效率，而压电系数d
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的增加将提升压电式换能效率。3.根据权利要求1所述的一种同时提升压电摩擦电双模态发电效率的风能发电机，其特征在于：纳米复合薄膜的制备方法为将纳米颗粒压电材料填充散布到聚合物薄膜中，在聚合物固化前，通过外接摩擦纳米发电机输出60
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2200V、10
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500Hz的交流电，在20℃
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30℃的环境静置12h
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24h，使得纳米颗粒沿电场线方向首尾相接排列成纳米棒，以增加应力传导效率。4.根据权利要求1所述的一种同时提升压电摩擦电双模态发电效率的风能发电机，其特征在于：纳米复合薄膜中，压电陶瓷纳米颗粒排列为沿薄膜厚度方向的纳米棒结构，压电陶瓷纳米颗粒材料占聚合物薄膜的体积分数为1％
‑
50％，压电陶瓷纳米颗粒直径范围为0.1
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1μm，其排列形成的纳米棒长度范围为1
‑
100μm。5.根据权利要求1所述的一种同时提升压电摩擦电双模态发电效率的风能发电机，其特征在于：压电陶瓷纳米颗粒的材料为钛酸钡BTO、锆钛酸铅PZT、铌酸盐系、铌镁酸铅
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钛酸铅PMN
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PT中的任意一种。6.根据权利要求1所述的一种同时提升压电摩擦电双模态发电效率的风能发电机，其
特征在于：聚合物薄膜材料选自聚偏氟乙烯PVDF，聚偏氟乙烯
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共三氟乙烯P(VDF<...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏元捷，李惟雄，陈彦梦，谢光忠，陆海军，黎威志，太惠玲，杜晓松，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：