一种草丛结构的纳米摩擦风能发电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发电机，特别是涉及将风能产生的机械能转化为电能的草丛结构的纳米摩擦发电机。
【背景技术】
[0002]风能作为自然界中最重要的可再生能源之一，它是由太阳辐射热引起的。太阳辐射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中，虽只有约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球风能约为2.74X 109Mff,其中可利用的风能为2.74X 107Mff,比地球上可开发利用的水能的总量还要大10倍。但目前由于涡轮式风力发电机昂贵的价格，较为庞大的体积及质量，这些风能虽然广泛存在，但是没有被有效的收集手段加以利用，通常大量被浪费。
[0003]目前，风能转化为电能的发电机所利用的原理主要有静电感应，电磁感应和特殊材料的压电性能、静电脉冲发电机等。然而，已经发明的静电感应发电机，存在体积大、适用性窄等缺点，电磁感应发电机和压电发电机则普遍存在结构复杂，对材料有特殊要求和成本较高等缺陷。静电脉冲发电机在小型化和轻量化方面有所不足，输出功率密度较小，不能满足对各种振动机械能收集的需要。
【发明内容】
[0004]本发明涉及一种可以将自然界、高速公路、隧道等等形式的风能转化为电能的结构简单的草丛结构的纳米摩擦风能发电机，能够为微型电子器件如航标、路标、警示牌等提供匹配的电源。
[0005]为实现上述目的，本发明提供一种草丛结构的纳米摩擦风能发电机，包括:
[0006]—种草丛结构的纳米摩擦风能发电机，其特征在于，包括:被固定在基底上η条的弹性塑料片相互形成的发电机数为η-1草丛结构单元构成纳米发电机的一个发电单元；
[0007]在任一相邻两弹性塑料片构成的草丛结构单元中，立于塑料片衬底105上的两片弹性塑料片分别包括:第一电极层101和第一摩擦层102、第二电极层103和第二摩擦层104，两片弹性塑料薄膜插在塑料片衬底上105形成草丛结构的纳米发电机；每片弹性塑料片按摩擦极性序列顺序交错排列，固定在基底上的弹性塑料片相互作用形成自由接触和分离的草丛结构；弹性塑料片的绝缘材料摩擦层的表面设置有微结构阵列修饰层；
[0008]所述发电机在外界风力作用下，所有的单元发电机的摩擦极性相差较大的表面接触和分离，因而有脉冲电信号输出，发电机的η-1发电单元通过外电路并联起来汇集发电机的输出电流。
[0009]这样，第一电极层101充当背电极，另一片塑料薄膜有第二电极层103，第二电极层103的上表面接触设置有第二摩擦层104。发电机受到外力作用(风力作用)时，使得草丛结构的纳米摩擦风能发电机闭合弯曲形变发生接触及滑动，使发电单元的第一摩擦层102与第二电极层103接触和摩擦，在第一电极层101与第二电极层103之间有脉冲电信号输出所述每片弹性塑料片的正反面分别为摩擦极性序列相差较大的材料互相充当接触电极和背电极。在外界风力作用下，所有的单元发电机的摩擦极性相差较大的表面接触和分离，因而有脉冲电信号输出
[0010]与现有技术相比，本发明具有下列有益效果:
[0011 ] 1、本发明提供的草丛结构的纳米摩擦风能发电机采用最新的纳米摩擦发电技术，相对于传统造价昂贵，体积及质量庞大的涡轮式风能发电机，它在增强发电适用性，大大的降低成本的同时仍然能保持非常有益的功率的输出。
[0012]2、本发明提供的草丛结构的纳米摩擦风能发电机采用单元数η的塑料片相互作用形成的发电机数为η-1 (η为边单位数)草丛结构的纳米发电机，因此，柔性塑料片衬底的两面分别为背电极和接触电极提供载体，使得发电机数目成的η-1倍增长，能够有效增加草丛结构的纳米摩擦风能发电机的电流输出，从而有效地将振动机械能转变为电能。
[0013]3、采用具有一定机械强度、绝缘性能以及抵消单元发电机之间的电场影响的弹性高分子塑料片作为草丛结构的纳米摩擦风能发电机的主要框架，成本低廉。
[0014]3、对于采用纳米线阵列作为发电机的接触面，不但可以增加接触面积，而且纳米线外壁与导电面的滑动增强发电机的摩擦起电效果，杂化了接触起电效应和摩擦起电效应，从而大大地提高了发电机的输出功率。
[0015]4、本发明的发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，可以收集自然界、高速公路、隧道等产生的风能转变为电能，具有广泛的实际用途。
【附图说明】
[0016]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。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
[0017]图1为本发明发电机的结构示意图；
[0018]图2为实施例二在柔性塑料薄膜表面设置微结构阵列修饰层的表面形貌经50000倍放大后的扫描电子显微镜图谱。
[0019]图3、图4、图5和图6为本发明发电机实施例二的结构模型照片；
[0020]图7、图8和图9分别为纳米发电机单元数为11=1，11 = 2和11 = 4的草丛结构的纳米摩擦风能发电机的开路电压测量结果；
[0021]图10、图11和图12为单位边长为η = 1，η = 2和η = 3的蜂窝式发电机的短路电流测量结果；
【具体实施方式】
[0022]风能作为自然界中最重要的可再生能源之一，它是由太阳辐射热引起的。太阳辐射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中，虽只有约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球风能约为2.74X 109Mff,其中可利用的风能为2.74X 107Mff,比地球上可开发利用的水能的总量还要大10倍。但目前由于涡轮式风力发电机昂贵的价格，较为庞大的体积及质量，这些风能虽然广泛存在，但是没有被有效的收集手段加以利用，通常大量被浪费。
[0023]下面结合附图和实施例详细介绍本发明悬臂式脉冲发电机的【具体实施方式】。
[0024]实施例一:
[0025]参见图1，草丛结构的纳米摩擦风能发电机包括塑料片衬底105、两片弹性塑料片分别包括第一电极层101和第一摩擦层102、第二电极层103和第二摩擦层104，塑料片衬底105按塑料片形状剪切，形成草丛结构的纳米发电机。
[0026]塑料片衬底105具有一定机械强度，厚度和弹性，两片弹性塑料薄膜插在塑料片衬底上105形成草丛结构的纳米发电机；其中，塑料薄膜的正反面设置有第一电极层101，第一摩擦层102，此时，第一电极层101充当背电极，另一片塑料薄膜有第二电极层103，第二电极层103的上表面接触设置有第二摩擦层104。发电机受到外力作用(风力作用)时，使得草丛结构的纳米摩擦风能发电机闭合弯曲形变发生接触及滑动，使发电单元的第一摩擦层102与第二电极层103接触和摩擦，在第一电极层101与第二电极层103之间有脉冲电信号输出。
[0027]本发明的草丛结构的纳米摩擦风能发电机中，第一摩擦层102与第二电极层103可以完全接触及滑动后完全分开，也可以部分接触及滑动后分开，也就使其接触面积发生不断的变化。
[0028]本发明的草丛结构的纳米摩擦风能发电机利用了具有不同摩擦电极序的摩擦层材料接触时发生表面电荷转移的原理。本发明中所述的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列