基于独立摩擦层的纳米发电机、发电机组和发电方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够环境中机械能转化为电能的发电器件，特别是一种基于独立摩擦层的纳米发电机、发电机组以及相关的发电方法。
【背景技术】
[0002]在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。然而，和这些微型电子器件所匹配的电源系统的研究却相对滞后，一般说来，这些微型电子器件的电源都是直接或者间接来自于电池。电池不仅体积较大、质量较重，而且含有的有毒化学物质对环境和人体存在潜在的危害。因此，开发出能将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的技术具有极其重要的意义。
[0003]从2012年开始，基于摩擦静电效应的纳米发电机得以快速发展，并以其高效的输出、简单的工艺、稳定的性能，为机械能转变为电能来驱动电子器件提供了一种十分具有前景的途径。但是，基于现有的摩擦电纳米发电机的基本模式与器件设计，两个相互运动的摩擦层均附着有电极，并通过导线接入系统，也就是说发电机结构中在外部机械能作用下运动的部件必须有导线连出。这一特点很大程度地限制了摩擦电纳米发电机的应用，使其无法有效收集环境中任意的自由运动物体的机械能。因此，如果能够设计一种运动的摩擦层不需要连接电极的摩擦发电机，将对摩擦发电机的广泛应用具有重要的意义。
【发明内容】
[0004]要解决的技术问题
[0005]本发明所要解决的技术问题是设计一种新型摩擦电纳米发电机，其中在外部机械能作用下的摩擦层部件不需要连接电极，可以用任何能够产生摩擦静电或已带有摩擦静电的物体来充当。
[0006]技术方案
[0007]为解决上述技术问题，本发明提出一种基于独立摩擦层的纳米发电机。该发电机设计包括两个分隔设置的电极层，和一个与两个电极层交替接触的摩擦层，该摩擦层不需要另外附着电极层和连接导线，可以自由移动。在工作时，该独立的摩擦层相对于两个电极层发生位移，并交替与两个电极层接触，在此过程中，摩擦层表面所带有的摩擦净电荷将随其一起移动，而使得电极层间的感应电势差发生周期性变化，驱动电极层间连接的外电路上产生交流电流。这种发电机结构能够比较方便的调整输出电压，例如将两个电极层置于同一平面上，使二者之间的等效电容量很小，该发电机可以产生很高的电压输出(超过I万伏)。此外，独立的摩擦层每一次从一个电极表面转移到另一个电极表面的过程，可以带动与摩擦层上静电荷等量的电荷转移。因此，这种结构是一种十分高效的将机械能转化为电能的设计。
[0008]这种基于独立摩擦层的纳米发电机，可以直接让摩擦层在两个电极层的表面滑动，通过其间的相互摩擦产生的静电荷作为滑动感应源。除此之外，也可以在两个电极层表面再铺设一层隔离层，摩擦层与该隔离层间通过摩擦来产生静电。这两种结构的本质是一样的。
[0009]由于摩擦静电普遍存在于自然环境和人类生活环境中任何绝缘体的表面，因此利用这种发电机原理和结构，可以直接将运动物体自身的绝缘体表面作为“独立的摩擦层”，极为简便和普适地收集自由运动物体上的机械能。在此基础上，为了增大输出，还可以给运动体表面上覆盖一层易于产生高摩擦电荷密度的材料，如聚四氟乙烯等。
[0010]基于上述思路，本发明首先提供一种独立摩擦层的纳米发电机，包括第一部件、第二部件和电信号输出端，其中所述第二部件由一个第一电极层和与之配合的一个第二电极层组成，所述第一电极层和第二电极层分隔设置并且分别与所述电信号输出端的两端电连接，所述第一部件的下表面交替与所述第一电极层和第二电极层接触，使所述第一电极层和第二电极层通过电信号输出端向外输出电信号,所述第一部件的下表面与所述第一电极层和第二电极层的材料具有不同的摩擦电性质；
[0011]优选地，所述第一部件在初次与所述电极层接触前为电中性或带电体；
[0012]优选地，所述第一部件不能同时覆盖所述第一电极层和第二电极层；
[0013]优选地，所述第一部件的形状和尺寸与所述第一电极层和/或第二电极层的尺寸和形状相同；
[0014]优选地，所述第一部件为绝缘体或半导体；
[0015]优选地，所述第一部件10的下表面和/或第二部件20的上表面全部或部分设置有微米或次微米量级的微结构阵列；
[0016]优选地，所述第一电极层和第二电极层的尺寸和形状相同或不同；
[0017]优选地，所述第一电极层和第二电极层之间的分隔距离为0.lmm-5cm ；
[0018]优选地，所述第一电极层和第二电极层处于同一个平面上；
[0019]优选地，所述第一电极层和第二电极层之间的空隙中填有填充介质；
[0020]优选地，所述填充介质选自聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚双酹A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚(2，6- 二甲基聚亚苯基氧化物)、不导电的液体、不导电的气体或真空；
[0021]优选地，还包括隔离层，所述第一电极层和第二电极层的上表面完全贴合在所述隔离层的背面，第一部件的下表面交替与背面贴合有所述第一电极层的隔离层的部分上表面、以及背面贴合有第二电极层的隔离层的部分上表面接触，并且所述第一部件的下表面与隔离层材料具有不同的摩擦电性质；
[0022]优选地，所述隔离层为绝缘材料；
[0023]优选地，所述第一部件为绝缘体、半导体或导体；
[0024]优选地，所述隔离层为分立结构或一体结构。
[0025]本发明还提供一种基于上述独立摩擦层纳米发电机的发电机组，包括:由2个以上前述任一款纳米发电机并联或串联形成；
[0026]优选地，至少部分纳米发电机共用I个第一部件；
[0027]优选地，所有所述纳米发电机共用I个第一部件；
[0028]优选地，各所述纳米发电机中的第二部件相同或不同；
[0029]优选地，每个纳米发电机均与一个独立的电信号输出端电连接，或者至少2个纳米发电机共用一个电信号输出端；
[0030]优选地，至少部分纳米发电机的第一电极层连接形成互相导通的第一导电网络，同时与之配合的第二电极层连接形成互相导通的第二导电网络，并且两个导电网络相互隔离；
[0031]优选地，所述第一导电网络和第二导电网络的形状相同或互补；
[0032]优选地，所述第一导电网络和第二导电网络均为规整的周期性结构，每个周期性重复单元的尺寸和形状相同；
[0033]优选地，所述重复单元的尺寸和形状与所述第一部件的形状和尺寸相同；
[0034]优选地，相邻两个第一部件同时与一个导电网络的不同重复单元接触；
[0035]优选地，所述第一部件与第二部件的数目相同。
[0036]本发明还提供一种发电方法，包括如下步骤:
[0037]I)提供分隔放置的第一电极层和第二电极层，并将两个电极层分别与电信号输出端的两端电连接；
[0038]2)使独立的第一部件交替与第一电极层和第二电极层接触；
[0039]3 )通过电信号输出端向外输出电信号；
[0040]优选地，步骤2)的交替接触通过第一部件在两个电极层之间来回滑动实现，或者通过改变第一部件分别与两个电极层之间的垂直间距所造成的接触和分离实现；
[0041]优选地，步骤2)中的第一部件是电中性的物体或者是预先带电的物体。
[0042]有益效果
[0043]本发明提供的基于独立摩擦层的纳米发电机最突出的优点是运动部件不需要连接电极和导线，这使得几乎任何自由运动的物体都可以作为机械能输入，来将其上的静电从一个电极表面带向另一个电极表面。这极大地提高了机械能收集的简便性、通用性。
[0044]本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0045]通过附图所示，本发明的上述及其它目的、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。并未刻意按照实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应