一种非接触式静电感应纳米发电机、发电机组和发电方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够将环境中机械能转化为电能的发电器件，特别是一种非接触式静电感应发电机、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。此外，对于现有的滑动模式的摩擦电纳米发电机，为保证有效的输出，两个摩擦层在滑动时必须时刻保持紧密接触，这不利于收集自然界中无规的运动能量，而且也由于摩擦阻力的存在影响了发电机的寿命和效率。因此，如果能够设计一种运动的摩擦层不需要连接电极，并且可以在非接触滑动的情况下实现机械能有效转化的摩擦发电机原理和结构，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；同时，该发电机可以在非接触的模式下工作，能够大幅提高发电机的稳定性、寿命和能量转化效率。
[0006]技术方案
[0007]为解决上述技术问题，本发明提出一种非接触式静电感应纳米发电机。该发电机设计包括两个分隔设置的电极层，和一个交替位于两个电极层上方并且与电极层不接触的第一部件，该第一部件预先带电，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，当该预先带电的第一部件位于一个电极层上方时，会通过静电感应作用在两个电极层之间造成电荷分离以平衡整个电场，此后，随着第一部件在两个电极层上方交替移动，其表面所带有的净电荷将随其一起在两个电极之间所接的外电路内往复移动，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，例如可以控制两个电极层的相对位置，以调整二者之间的等效电容量。此外，独立的第一部件每一次从一个电极层上方转移到另一个电极层上方的过程，可以带动的电荷转移量略小于或近似等于第一部件上的静电荷。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]这种由带电第一部件相对于电极层的运动产生的静电感应驱动力，不强烈地依赖于第一部件表面与电极层平面间的垂直距离，因此，该发电机在非接触的作用模式下能够很好的工作。
[0009]基于上述思路，本发明首先提供一种非接触式静电感应纳米发电机，包括第一部件、第二部件和电信号输出端，其特征在于，所述第一部件至少一个表面带电；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，所述第一部件的带电表面交替靠近所述第一电极层和第二电极层，使所述第一电极层和第二电极层通过所述电信号输出端向外输出电信号。
[0010]优选的，所述第一部件的带电表面与所靠近的电极层表面之间的垂直间距远小于所述第一部件从一个电极层移向另一个电极层的距离。
[0011]优选的，所述垂直间距小于5cm。
[0012]优选的，所述第一部件表面带有的电荷通过与第二部件摩擦获得。
[0013]优选的，所述第一部件需要带电的表面和/或第二部件用于与所述第一部件发生接触摩擦的表面进行物理或化学改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构。
[0014]优选的，所述第一电极层与第一部件靠近的表面，和第二电极层202与第一部件10靠近的表面形状和尺寸相同。
[0015]优选的，所述第一部件带电表面的形状和尺寸与所靠近的第一电极层和/或第二电极层表面的形状和尺寸相同。
[0016]优选的，所述第一部件为绝缘体或半导体。
[0017]优选的，所述第一部件为驻极体材料。
[0018]优选的，所述第一电极层和第二电极层的尺寸和形状相同或不同。
[0019]优选的，所述第一电极层和第二电极层之间的分隔距离为0.lmm-5cm。
[0020]优选的，所述第一电极层和第二电极层处于同一个平面或曲面上。
[0021]优选的，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。
[0022]优选的，所述填充介质为绝缘体，从下列材料中选取: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、不导电的气体和真空。
[0023]优选的，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，第一部件的带电表面交替向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靠近。
[0024]优选的，所述隔离层为绝缘材料。
[0025]优选的，所述第一部件为绝缘体、半导体或导体。
[0026]优选的，所述隔离层为分立结构或一体结构。
[0027]优选的，第一部件的表面通过与所述隔离层表面接触并来回滑动而带电。
[0028]优选的，所述第一电极层和第二电极层分隔设置在同一个曲面上，所述第一部件设置在另一个曲率相同的曲面上，并且随着两个曲面的旋转，所述第一部件的带电表面交替与所述第一电极层和第二电极层靠近。
[0029]优选的，所述第一电极层和第二电极层分隔设置在同一个曲面上，所述第一部件在作单摆式振动或者旋转运动的过程中，其带电表面交替与第一电极层201和第二电极层
A+-.、r—罪近。
[0030]相应的，本发明还提供一种基于非接触式静电感应纳米发电机的发电机组，由2个或2个以上上述任一项所述纳米发电机并联或串联形成。
[0031]优选的，至少部分纳米发电机共用I个第一部件。
[0032]优选的，所有所述纳米发电机共用I个第一部件。
[0033]优选的，各所述纳米发电机中的第二部件相同或不同。
[0034]优选的，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。
[0035]优选的，所有所述纳米发电机共用I组第二部件。
[0036]优选的，每个所述第一部件的带电表面交替靠近第一电极层和第二电极层，并且相邻两个第一部件之间的间距满足:当I个第一部件完全离开第二电极层后，另一个第一部件才开始靠近第一电极层。
[0037]优选的，两个电极层在所述第一部件运动方向的尺寸相同，具有长度L，两个电极层之间的最短距离为d;
[0038]相邻两个第一部件所带的电荷电性相同；相邻两个第一部件之间的最短距离大于或等于L+d，并且小于2L+d ；
[0039]或者，
[0040]相邻两个第一部件所带的电荷电性相反；相邻两个第一部件之间的最优距离为d ；
[0041]优选的，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。
[0042]优选的，所述第一导电网络和第二导电网络的形状相同或互补。
[0043]优选的，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。
[0044]优选的，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。
[0045]优选的，相邻两个第一部件同时与一个导电网络的不同重复单元靠近。
[0046]优选的，所述第一部件与第二部件的重复单元的数目相同或不同。
[0047]相应的，本发明还一个一种发电方法，包括如下步骤:
[0048]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；
[0049]2)使独立并且带电的第一部件交替靠近第一电极层和第二电极层；
[0050]3)通过电信号输出端向外输出电信号。
[0051]优选的，步骤2)中的第一部件所带的电，是在靠近第一电极层201之前预先带有，或