基于静电感应的发电机和发电方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发电机，特别是涉及利用静电感应将机械能转化为电能的发电机以及发电方法。
【背景技术】
[0002]随着微电子和材料技术的高速发展，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，并在各个领域展现出前所未有的应用前景。然而，与这些微型电子器件相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。如果能够将自然界中普遍存在的运动、振动等机械能加以利用，将可能为微型电子器件提供电源。
[0003]目前发明的摩擦纳米发电机可以实现将自然界中普遍存在运动、振动等机械能有效地转化为适于微型电子器件应用的需要，目前见诸于报道的所有摩擦纳米发电机的典型结构都需要两个可以互相接触和分开的摩擦层，当两个摩擦层互相接触或者分离过程中，通过分别设置在摩擦层的两个电极层向外电路输出脉冲电信号。这样结构的摩擦发电机中，一个电极层在摩擦层的带动下相对于另一个电极层的距离在不停的变化，这样的结构不仅为摩擦发电机与外电路的连接带来了困难；而且，为了保证摩擦发电机的输出性能，需要两个摩擦层材料不断的接触或者摩擦，因此，发电机的耐久性和稳定性不能保证。这些限制因素极大的妨碍了摩擦发电机的推广应用。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种结构简单的基于静电感应的摩擦发电机，能够将环境中普遍存在的机械能转变为电能。
[0005]为实现上述目的，本发明提供一种基于静电感应的发电机，所述发电机包括第一部件和第二部件，其中，
[0006]所述第一部件带有电荷；
[0007]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互相电连接；
[0008]当所述第一部件相对所述第二部件的第一电极层移动，使所述第一部件所带的电荷在所述第一电极层上的电势改变，在静电感应作用下电荷在第一电极层和第二电极层之间流动形成电流。
[0009]优选的，所述第一部件能够与所述第二部件的第一电极层接触和分离使第一部件相对于第二部件的第一电极层移动，并且使所述第一部件的表面带有电荷；
[0010]或者，所述第一部件能够与所述第二部件的第一电极层互相滑动摩擦并且在摩擦过程中接触面积发生变化，使第一部件相对于第二部件的第一电极层移动，并且使所述第一部件的表面带有电荷；[0011 ] 或者，所述第一部件在与第一电极层接触前预先带有电荷。
[0012]优选的，所述第一部件与所述第一电极层能够互相接触的表面的形状和尺寸相当。
[0013]优选的，所述第一部件与第二部件的第一电极层互相滑动的表面都为光滑平整表面，或者都为凹凸结构的不平整表面。
[0014]优选的，所述第一部件与第一电极层能够互相接触的两个表面中至少一个表面经过物理或化学改性处理。
[0015]优选的，所述第一部件能够与所述第一电极层接触的表面的材料为绝缘材料或者半导体材料。
[0016]优选的，所述第一部件不与所述第二部件中任意一个电极层接触，所述第一部件为带电物体。
[0017]优选的，所述第一部件在第一电极层所在表面上的投影尺寸和形状与第一电极层的尺寸和形状相当。
[0018]优选的，所述第一部件为驻极体材料。
[0019]优选的，还包括摩擦层，所述第二部件的第一电极层贴合在所述摩擦层的下表面。
[0020]优选的，所述摩擦层的材料为绝缘材料或者半导体；所述摩擦层的厚度范围在1nm到5 cm之间。
[0021]优选的，所述第一部件能够与所述摩擦层的上表面接触和分离使第一部件相对于第二部件的第一电极层移动，并且使所述第一部件的表面带有电荷；
[0022]或者，所述第一部件能够与所述摩擦层上表面互相滑动摩擦并且在摩擦过程中接触面积发生变化，使第一部件相对于第二部件的第一电极层移动，并且使所述第一部件的表面带有电荷。
[0023]优选的，所述第一部件与所述摩擦层能够互相接触的表面的形状和尺寸相当。
[0024]优选的，所述第一部件与摩擦层互相滑动的表面都为光滑平整表面，或者都为凹凸结构的不平整表面。
[0025]优选的，所述第一部件与第一电极层能够互相接触的两个表面中至少一个表面经过物理或化学改性处理。
[0026]优选的，所述第一部件能够与所述摩擦层互相接触的两个表面的材料为绝缘材料、半导体或者导体材料；所述第一部件与所述摩擦层能够互相接触的两个表面的材料存在电极序差异。
[0027]优选的，所述第一部件不与所述摩擦层和第二部件接触，所述第一部件为带电物体。
[0028]优选的，所述第一部件在第一电极层所在表面上的投影尺寸和形状与第一电极层的尺寸和形状相当。
[0029]优选的，所述第一部件为驻极体材料。
[0030]优选的，还包括隔离层，所述隔离层用于隔离所述第二部件的第一电极层以及第二电极层，使二者隔离开并且保持设定的相对位置。
[0031]优选的，所述隔离层的材料为绝缘体材料。
[0032]优选的，所述第二部件的第一电极层和第二电极层均镶嵌在所述隔离层中，至少第一电极层的上表面露出所述隔离层；
[0033]或者，所述隔离层将所述第一电极层和/或第二电极层全部包裹住；
[0034]或者，所述隔离层和所述第二部件的两个电极层按照层叠方式设置，第二部件的第一电极层和第二电极层分别设置在隔离层的上下表面。
[0035]优选的，所述绝缘材料为下列材料中的一种或几种:聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、派瑞林、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、棉及其织物、聚氨酯弹性体、木头、硬橡胶和醋酸酯。
[0036]优选的，所述半导体材料为下列材料中的一种或几种:硅、锗、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物、以及由II1- V族化合物和I1- VI族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体、有机半导体，以及非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物半导体。
[0037]优选的，所述经过物理改性的表面部分或全部分布有微米或次微米量级的微结构阵列。
[0038]优选的，所述经过化学改性的表面，全部或部分分布有纳米、微米或次微米量级的微结构，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球或微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列。
[0039]优选的，所述第一电极层和第二电极层的材料为金属或铟锡氧化物ΙΤ0、FTO或导电高分子材料。
[0040]优选的，所述第一部件、第一电极层和/或第二电极层为柔性材料。
[0041]优选的，所述第一部件、第一电极层、第二电极层和/或摩擦层为柔性材料。
[0042]优选的，所述隔离层为柔性材料。
[0043]相应的，本发明还提供一种基于静电感应的发电方法，应用上述任一项所述的发电机，包括步骤:
[0044]所述第一部件相对于第一电极层移动，使第一部件所带的电荷在第一电极层上的电势改变；在所述第一电极层与第二电极层之间产生电荷流动形成电流。
[0045]优选的，所述第一部件相对于第一电极层移动，具体为第一部件与第一电极层的表面发生接触后分离，使第一部件带有电荷；
[0046]或者，所述第一部件相对于第一电极层移动，具体为第一部件与第一电极层的表面互相滑动摩擦，并且在滑动过程中使接触面积发生变化，使第一部件表面带有的电荷；
[0047]或者，所述第一部件相对于第一电极层移动，具体为第一部件相对于第一电极层移动，并且始终不与第一电极层接触，所述第一部件自身带有电荷。
[0048]与现有技术相比，本发明具有下列有益效果:
[0049]1、本发明的发电机中，第一部件与第二部件的电极层或者附着在第一电极层上的摩擦层的表面互相接触摩擦或者是滑动摩擦，使第一部件表面带有电荷，然后在第一部件相对于第一电极层的接触分离或者滑动摩擦两种相对运动模式下，使得第一部件带有的电荷在第一电极层上的电势发生变化，导致第二部件的两个电极层之间有电荷流动，形成电流。或者，第一部件本身带有电荷，不需要与第二部件中任何一个电极层接触而与第一电极层的相对位置发生变化，也可以在静电感应作用下，导致第二部件的两个电极层之间有电荷流动，形成电流。因此，在第一部件相对于第一电极层或者摩擦层运动时，第二部件的两个电极层不需要跟随第一部件运动，两个电极层之间的距离或相对位置可以根据外电路连接的便利性或者工作环境等条件进行方便的设置，本发明的发电机使用范围广泛，可以方便的将日常生活中存在机械能转化为电能。
[0050]2、在第二部件的第一电极层上设置摩擦层，在发电过程中第一部件不与第一电极层直接接触和互相滑动，避免了第二部件中电极层的磨损，极大的提高了发电机的使用耐久性。
[0051]3、由于不需要在