一种风能摩擦纳米发电机的制作方法
【专利摘要】一种风能摩擦纳米发电机，包括至少一个发电装置，每一个发电装置中，顶部摩擦发电组件和底部摩擦发电组件相对设置、且顶部摩擦发电组件和底部摩擦发电组件之间形成通风通道；抖动模块安装于通风通道内，当风通过通风通道时驱动抖动模块抖动，以使抖动模块与顶部摩擦发电组件以及底部摩擦发电组件之间产生摩擦起电和静电感应耦合效应。每一个周期性接触?分离式的风能摩擦纳米发电机单元能够收集风力环境中的机械能并转换成有用的电能。利用外围电路和整流桥将风能摩擦纳米发电机阵列并联，能够增加发电装置的输出电流。在外接负载的阻抗匹配的条件下，优化发电装置阵列的输出功率，提高其工作的持久性和稳定性。
【专利说明】
一种风能摩擦纳米发电机
技术领域
[0001]本发明涉及一种风能摩擦纳米发电机，属于纳米发电技术领域。【背景技术】
[0002]摩擦纳米发电机(TENG)是美国佐治亚理工学院的Z.L.Wang研究组在2012年研制出的一种新型发电机。TENG是一种利用摩擦起电和静电感应耦合效应将机械能转换成电能的装置，其工作方式与现有技术中已知的各种发电技术不同。
[0003]风能不仅作为一种大自然和日常生活中最常见、来源最丰富、可靠性好、成本低廉、不需要燃料且环境友好的可再生性能源，也是一种用于驱动摩擦纳米发电机的重要能源。然而，在实现本发明的过程中，
【申请人】发现目前尚未出现一种利用刚性镂空抖动模块与摩擦层之间周期性接触-分离而输出电信号的风能擦纳米发电机。
[0004]因此，如何提供一种风能摩擦纳米发电机是本领域技术人员亟需解决的技术问题之一。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种风能摩擦纳米发电机，该风能摩擦纳米发电机能够利用风能驱动抖动模块来收集能量并转换成有用的电能，进而能够对日常环境中的风能进行收集并充分的利用。
[0006]为达到上述目的，本发明提供以下技术方案:一种风能摩擦纳米发电机，包括至少一个发电装置，其中，每一个所述发电装置包括顶部摩擦发电组件、底部摩擦发电组件、抖动模块，且:所述顶部摩擦发电组件和底部摩擦发电组件相对设置、且顶部摩擦发电组件和底部摩擦发电组件之间形成通风通道；所述抖动模块具有刚性镂空板状结构，且所述抖动模块与所述顶部摩擦组件之间通过弹性件连接，所述抖动模块与所述底部摩擦组件之间通过弹性件连接。
[0007]所述抖动模块安装于所述通风通道内，当风通过所述通风通道时驱动所述抖动模块抖动，以使所述抖动模块与所述顶部摩擦发电组件以及底部摩擦发电组件之间产生摩擦起电和静电感应耦合效应。
[0008]上述风能摩擦纳米发电机中，每一个发电装置中，当风通过通风通道时，抖动模块在风力吹动下发生抖动，抖动模块在抖动时与顶部摩擦发电组件以及底部摩擦发电组件之间产生摩擦，发生周期性接触-分离式运动，从而使抖动模块与顶部摩擦发电组件以及底部摩擦发电组件之间产生摩擦以及静电感应耦合效应，进而收集风能并将其转换成有用的电能。
[0009]因此，上述风能摩擦纳米发电机发电时其抖动模块通过风能进行驱动，能够利用风能进行摩擦发电。
[0010]优选地，所述抖动模块包括第一电极部、第一连接部和第二电极部，其中，沿所述顶部摩擦发电组件朝向底部摩擦发电组件的方向，所述第一电极部位于所述第一连接部朝向所述顶部摩擦发电组件的一侧，所述第二电极部位于所述第一连接部朝向所述底部摩擦发电组件的一侧，且所述第一连接部设有多个贯穿其厚度方向的用于风通过的镂空孔；当所述抖动模块抖动时，所述第一电极部用于与顶部摩擦发电组件摩擦配合，所述第二电极部用于与底部摩擦发电组件摩擦配合。
[0011]优选地，沿所述通风通道的延伸方向，所述第一电极部位于所述第一连接部的一侦I且所述第二电极部位于所述第一连接部的另一侧，所述第一电极部与所述第一连接部连接的部位与所述顶部摩擦发电组件之间设有所述弹性件，且所述第二电极部与所述第一连接部连接的部位与所述底部摩擦发电组件之间设有所述弹性件。
[0012]优选地，所述抖动模块包括依次连接的第三电极部、第二连接部、第四电极部、第三连接部、第五电极部以形成“几”字形结构，其中，所述第二连接部和第三连接部相对设置、且均设有多个镂空孔，其中:当所述抖动模块抖动时，所述第三电极部和第五电极部用于与底部摩擦发电组件摩擦配合，所述第四电极部用于与顶部摩擦发电组件摩擦配合。
[0013]优选地，所述第三电极部和第五电极部与所述底部摩擦发电组件之间设有所述弹性件，所述第四电极部与所述顶部摩擦发电组件之间设有所述弹性件。[〇〇14]优选地，所述第三连接部设有的镂空孔的总镂空面积与第四连接部设有的镂空孔的总镂空面积不同。由于抖动模块中的第三连接部设有的镂空孔的总镂空面积与第四连接部设有的镂空孔的总镂空面积不同，因此，进入通风通道的风在穿过第三连接部和第四连接部时受到的阻力不同，进而使风能够通过第三连接部和第四连接部的阻力差驱动抖动模块进行抖动。[〇〇15]优选地，所述第三连接部设有的镂空孔的数量与第四连接部设有的镂空孔的数量相同，且所述第三连接部上设置的镂空孔在所述第四连接部朝向所述第三连接部一侧表面上的投影与所述第四连接部设置的镂空孔之间不完全重叠。第三连接部上设置的镂空孔在第四连接部朝向第三连接部一侧表面上的投影与第四连接部设置的镂空孔之间不完全重叠，则进入通风通道内的风在穿过第三连接部和第四连接部时会对风产生阻挡，进而使风在穿过第三连接部和第四连接部时能够驱动抖动模块进行抖动。[〇〇16]优选地，所述弹性件为弹簧、弹片、海绵、或者弹性橡胶件。
[0017]优选地，每一个所述发电装置中:所述顶部摩擦发电组件包括沿所述顶部摩擦发电组件朝向底部摩擦发电组件方向依次排列的基底、由导电材料制备的第一缓冲层、由导电材料制备的第一导电层;所述抖动模块包括由高分子聚合物材料形成的第一摩擦层;所述底部摩擦发电组件包括沿所述顶部摩擦发电组件朝向底部摩擦发电组件方向依次排列的由导电材料制备的第二导电层、由导电材料制备的第二缓冲层、基底；或者，所述顶部摩擦发电组件包括沿所述顶部摩擦发电组件朝向底部摩擦发电组件方向依次排列的基底、由导电材料制备的第三导电层、由导电材料制备的第三缓冲层、由高分子聚合物制备的第二摩擦层;所述抖动模块包括沿所述顶部摩擦发电组件朝向底部摩擦发电组件方向依次排列的由导电材料制备的第四导电层、由导电材料制备的第四缓冲层、由高分子聚合物制备的绝缘层、由导电材料制备的第五缓冲层、由导电材料制备的第五导电层;所述底部摩擦发电组件包括沿所述顶部摩擦发电组件朝向底部摩擦发电组件方向依次排列的第三摩擦层、由导电材料制备的第六缓冲层、由导电材料制备的第六导电层、基底;这样， 第三导电层、第二摩擦层、第四导电层配合可以形成第一发电单元，第五导电层、第三摩擦层、第六导电层配合可以形成第二发电单元，即，每一个发电装置能够具有第一发电单元和第二发电单元两个发电单元，通过两个发电单元并联的方式，增大风能摩擦纳米发电机的输出电流，进而提高发电装置对风能收集并转换成电能的效率。
[0018]优选地，所述第一导电层、第二导电层、第三导电层、第四导电层、第五导电层以及第六导电层中，任意一层的厚度为5 nm?1200 nm;所述第一缓冲层、第二缓冲层、第三缓冲层、第四缓冲层、第五缓冲层以及第六缓冲层中，任意一层的厚度为10 nm?100 nm。[〇〇19] 优选地，所述第二摩擦层和/或第三摩擦层的厚度为1 Mi?200 mi。
[0020]优选地，所述导电材料为金属材料、铟锡氧化物、导电碳材料或者石墨烯电极材料。
[0021]优选地，所述导电碳材料为碳纳米管、碳纤维或者碳薄膜。
[0022]优选地，所述金属材料为铝、铜、金、银、钛、钌、钯或者铂。
[0023]优选地，所述第一导电层、第二导电层、第三导电层、第四导电层、第五导电层以及第六导电层中，任意一层的材料为铝材料；所述第一缓冲层、第二缓冲层、第三缓冲层、第四缓冲层、第五缓冲层以及第六缓冲层中，任意一层的材料为钛。[〇〇24]优选地，所述高分子聚合物材料为聚四氟乙烯、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-C0-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、 聚乙稀、聚丙稀、聚氯乙稀或派瑞林。
[0025]优选地，所述第一摩擦层的材料与所述第二摩擦层的材料相同，或者，所述第一摩擦层的材料与所述第二摩擦层的材料不同。[〇〇26]优选地，所述基底为亚克力板材料制备的基底。
[0027]优选地，所述发电装置为多个，且多个所述发电装置通过连接整流桥和外围电路进行并联连接。
[0028]上述风能摩擦纳米发电机中，将多个发电装置通过整流桥和外围电路进行并联之后，能够增大风能摩擦纳米发电机的输出电流，在外接负载的阻抗匹配的条件下，风能摩擦纳米发电机的输出功率能够达到最大值，进而使风能摩擦纳米发电机具有广泛的用途和良好的应用前景。
[0029]优选地，多个所述发电装置呈阵列式分布。【附图说明】
[0030]图1为本发明一种实施例提供的风能摩擦纳米发电机中发电装置的结构示意图；图2为本发明另一种实施例提供的风能摩擦纳米发电机中发电装置的结构示意图；图3为本发明另一种实施例提供的风能摩擦纳米发电机中发电装置中的结构示意图； 图4为本发明另一种实施例提供的风能摩擦纳米发电机中发电装置中的结构示意图； 图1-4中:1.顶部摩擦发电组件2.抖动模块3.底部摩擦发电组件201.第一电极部、 202.第一连接部203.第二电极部，2021.镂空孔41.弹性件204.第三电极部205.第二连接部206.第四电极部207.第三连接部208.第五电极部2051.第二连接部的镂空孔 2071.第三连接部的镂空孔；图5为本发明一种实施例提供的风能摩擦纳米发电机中发电装置的剖面结构示意图； 图中:11.基底一 15.第一缓冲层16.第一导电层26.第一摩擦层35.第二缓冲层 36.第二导电层31基底二；图6为本发明另一种实施例提供的风能摩擦纳米发电机中发电装置的剖面结构示意图；图中:11.基底一 12.第三导电层13.第三缓冲层14.第二摩擦层21.第四导电层 22.第四缓冲层23.柔性绝缘层24.第五缓冲层25.第五导电层31.基底二32.第六导电层33.第六缓冲层34.第三摩擦层A1.第一发电单元A2.第二发电单元；图7为四个发电单元A1、A2、A3和A4并联时的等效电路图，其中测试电表一可以是电压表、电流表或者不波器；图中:A1、A2、A3和A4为发电单元，C是等效电容。【具体实施方式】[〇〇31]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[〇〇32]本发明实施例提供了一种风能摩擦纳米发电机，如图1、图2以及图3所示，风能摩擦纳米发电机包括至少一个发电装置，其中，每一个发电装置包括顶部摩擦发电组件(1)、 底部摩擦发电组件(3)、抖动模块(2)，且:顶部摩擦发电组件(1)和底部摩擦发电组件(3)平行设置、且顶部摩擦发电组件(1)和底部摩擦发电组件(3)之间形成通风通道B;抖动模块(2)安装于通风通道B内，当风通过通风通道B时驱动抖动模块(2)抖动，以使抖动模块(2)与顶部摩擦发电组件(1)以及底部摩擦发电组件(3)之间产生摩擦起电和静电感应耦合效应。
[0033]上述风能摩擦纳米发电机中，每一个发电装置中，抖动模块(2)与顶部摩擦发电组件(1)以及底部摩擦发电组件(3)配合形成摩擦发电单元，当风通过通风通道B时，抖动模块 (2)在风力吹动下发生抖动，抖动模块(2)在抖动时与顶部摩擦发电组件(1)以及底部摩擦发电组件(3)之间产生摩擦，发生周期性接触-分离式运动，从而使抖动模块(2)与顶部摩擦发电组件(1)以及底部摩擦发电组件(3)之间产生摩擦起电以及静电感应耦合效应，进而收集风能并将其转换为有用的电能。
[0034]因此，上述风能摩擦纳米发电机发电时其抖动模块(2)通过风能进行驱动，能够利用风能进行摩擦发电。
[0035]具体地，上述风能摩擦纳米发电机中，每一个发电装置中抖动模块(2)可以具有刚性镂空板状结构，如图1、图2以及图3所示，其中，抖动模块(2)与顶部摩擦组件(1)之间通过弹性件(41)连接，和/或，抖动模块(2 )与底部摩擦发电组件(3)之间通过弹性件(41)连接。
[0036]弹性件(41)的设置能够使具有刚性镂空板状结构的抖动模块(2)可以使风通过通风通道B，同时，抖动模块(2)可以对通过通风通道B的风产生阻力，进而抖动模块(2)能够在风的驱动下相对于顶部摩擦发电组件(1)以及底部摩擦发电组件(3 )抖动。
[0037]当抖动模块(2)具有刚性镂空板状结构时，其具体设置方式可以由多种方式，如:一种实现方式中，如图1所示，上述抖动模块(2)可以包括第一电极部(201)、第一连接部(202)和第二电极部(203)，其中，沿顶部摩擦发电组件(1)朝向底部摩擦发电组件(3)的方向，第一电极部(201)位于第一连接部(202)朝向顶部摩擦发电组件(1)的一侧，第二电极部(203)位于第一连接部(202)朝向底部摩擦发电组件(3)的一侧，且第一连接部(202)设有多个贯穿其厚度方向的用于风通过的镂空孔(2021);当抖动模块(2)抖动时，第一电极部(201)用于与顶部摩擦发电组件(1)摩擦配合，第二电极部(203)用于与底部摩擦发电组件(3)摩擦配合。[〇〇38] 优选地，沿通风通道B的延伸方向，第一电极部(201)位于第一连接部(2020的一侦叭且第二电极(203)部位于第一连接部(202)的另一侧，第一电极部(201)与第一连接部 (202)连接的部位与顶部摩擦发电组件(1)之间设有弹性件(41)，且第二电极部(203)与第一连接部(202)连接的部位与底部摩擦发电组件(3)之间设有弹性件(41)。
[0039]当发电装置中的抖动模块(2)具有上述结构、且弹性件(41)按上述方式分布时，抖动模块(2)在通风通道B内风的驱动下相对于顶部摩擦发电组件(1)以及底部摩擦发电组件 (3)的可抖动性较高。
[0040]另一种实现方式中，如图2和图3所示，抖动模块(2)包括依次连接的第三电极部 (204)、第二连接部(205)、第四电极部(206)、第三连接部(207)、第五电极部(208)以形成 “几”字形结构，其中，第二连接部(205)和第三连接部(207)相对设置、且均设有多个镂空孔，如图2中所示，第二连接部(205)设有多个镂空孔(2051)，第三连接部(207)设有多个镂空孔(2071)，其中:如图2和图3所示，当抖动模块(2)抖动时，第三电极部(204)和第五电极部(208)用于与底部摩擦发电组件(3)摩擦配合，第四电极部(206)用于与顶部摩擦发电组件(1)摩擦配合； 或者，如图4所示，当抖动模块(2)抖动时，第三电极部(204)和第五电极部(208)用于与顶部摩擦发电组件(1)摩擦配合，第四电极部(206)用于与底部摩擦发电组件(1)摩擦配合。[〇〇411 在一种实施方式中，当第三电极部(204)和第五电极部(208)用于与底部摩擦发电组件(3)摩擦配合、且第四电极部(206)用于与顶部摩擦发电组件(1)摩擦配合时，上述结构的发电装置中，与第三电极部(204)和第五电极部(208)配合的底部摩擦发电组件(3)可以是分体式结构，如图2所示。这样，能够降低整个发电装置的重量;另外，与第三电极部(204)和第五电极部(208)配合的底部摩擦发电组件(3)还可以是一体式结构，如图3所示。这样， 便于在发电装置中形成通风通道B。[〇〇42] 且优选地，如图2所示，第三电极部(204)和第五电极部(208)与底部摩擦发电组件 (3)之间设有弹性件(41)，第四电极部(206)与顶部摩擦发电组件(1)之间设有弹性件(41)。 [〇〇43]同理，在另一种实施方式中，当第三电极部(204)和第五电极部(208)用于与顶部摩擦发电组件(1)摩擦配合、且第四电极部(206)用于与底部摩擦发电组件(3)摩擦配合时， 上述结构的发电装置中，与第三电极部(204)和第五电极部(208)配合的顶部摩擦发电组件 (3)可以是分体式结构，如图(4)所示，这样，能够降低整个发电装置的重量;另外，与第三电极部(204)和第五电极部(208)配合的顶部摩擦发电组件(3)还可以是一体式结构，这样，便于在发电装置中形成通风通道(B)。[〇〇44]当然，为了提高风在通过通风通道B时对抖动模块(2)的驱动力，第三连接部(205) 设有的镂空孔(2051)的总镂空面积与第四连接部(207)设有的镂空孔(2071)的总镂空面积不同。由于抖动模块(2)中的第三连接部(205)设有的镂空孔(2051)的总镂空面积与第四连接部(207)设有的镂空孔(2071)的总镂空面积不同，因此，进入通风通道B的风在穿过第三连接部(205)和第四连接部(207)时受到的阻力不同，进而使风能够通过第三连接部(205) 和第四连接部(207)的阻力差驱动抖动模块(2)进行抖动。[〇〇45] 一种具体实现方式中，可以是第三连接部(205)设有的镂空孔(2051)的数量多于第四连接部(207)设有的镂空孔(2071)的数量，但是，第三连接部(205)设有的每一个镂空孔(2051)的横截面积与第四连接部(207)设有的每一个镂空孔(2071)的横截面积相同。 [〇〇46]另一种具体实现方式中，还可以是第三连接部(205)设有的镂空孔(2051)的数量与第四连接部(207)设有的镂空孔(2071)的相同，但是，第三连接部(205)设有的每一个镂空孔(20510的横截面积大于第四连接部(207)设有的每一个镂空孔(2071)的横截面积。 [〇〇47]当然，还可以通过使三连接部(205)设有的镂空孔(2051)与第四连接部(207)设有的镂空孔(2071)不对称的方式来提高风通过通风通道B时对抖动模块(2)的驱动性，S卩，第三连接部(205)设有的镂空孔(2051)的数量与第四连接部(207)设有的镂空孔(2071)的数量相同，且第三连接部(205)上设置的镂空孔(2051)在第四连接部(207)朝向第三连接部 (205)—侧表面上的投影与第四连接部(207)设置的镂空孔(2071)之间不完全重叠。[〇〇48] 第三连接部(205)上设置的镂空孔(2051)在第四连接部(207)朝向第三连接部 (205)—侧表面上的投影与第四连接部(207)设置的镂空孔(2071)之间不完全重叠，则进入通风通道B内的风在穿过第三连接部(205)和第四连接部(207)时会对风产生阻挡，进而使风在穿过第三连接部(205)和第四连接部(207)时能够驱动抖动模块2进行抖动。
[0049]在上述各实施方式的基础上，上述提到的弹性件(41)可以为弹簧、弹片、海绵或者弹性橡胶件等。
[0050]具体地，上述各实施方式中提供的具有刚性镂空板状结构的抖动模块(2)在被风吹动的位移量需要满足弹性件(41)的胡克定律，弹性件(41)的设置位置也不是唯一的，弹性件(41)的设置位置、第一电极部(21)与顶部摩擦发电组件(1)之间的间距、第二电极部 (23)与底部摩擦发电组件(3)之间的间距等也需要符合弹性件(41)的胡克定律，同时，下面所述的因素会对上述风能摩擦纳米发电机输出的电流大小、工作的持久性和稳定性产生重要的影响:1、弹簧的弹力；2、弹簧的长度、形变量和劲度系数；3、弹簧的连接方式；4、抖动模块的工作频率；5、刚性镂空结构的重量(重量等于质量乘以重力加速度g，g = 9.8 N/kg);6、连接部(22)设有的镂空孔(221)的面积以及各镂空孔(221)的分布方式；7、进入到通风通道B内的气流速度。
[0051]同时，弹性件(41)的设置位置、第一电极部(21)与顶部摩擦发电组件(1)之间的间距、第二电极部(23)与底部摩擦发电组件(3)之间的间距等在设计时需要根据上述因素来确定，当根据上述因素确定的弹性件(41)的设置位置、第一电极部(21)与顶部摩擦发电组件(1)之间的间距、第二电极部(23)与底部摩擦发电组件(3)之间的间距等满足胡克定律时，能够增大上述风能摩擦纳米发电机的输出电流，并且提高其工作时的持久性和稳定性。 [〇〇52]同时，连接部(22)上设置的镂空孔(221)的数量、形状以及各镂空孔(221)的大小等不做限定，即，各镂空孔(221)的面积可以相同，也可以不同，只要能够满足发电装置中对抖动模块(2)的风能驱动即可。[〇〇53]上述风能摩擦纳米发电机中，发电装置的具体结构可以有多种，如:方式一，如图5所示，每一个发电装置中:顶部摩擦发电组件(1)包括沿顶部摩擦发电组件(1)朝向底部摩擦发电组件(3)方向依次排列的基底一(11)、由导电材料制备的第一缓冲层(15)、由导电材料制备的第一导电层 (16);抖动模块(2)包括由高分子聚合物材料形成的第一摩擦层(26);底部摩擦发电组件 (3 )包括沿顶部摩擦发电组件(1)朝向底部摩擦发电组件(3 )方向依次排列的由导电材料制备的第二导电层(36)、由导电材料制备的第二缓冲层(35)、基底二(31)。这样，第一导电层 (16)、第一摩擦层(26)、第二导电层(36)相互配合形成一个发电单元，进而能够收集风能并转换成有用的电能。[〇〇54]方式二，如图6所示，每一个发电装置中:顶部摩擦发电组件(1)包括沿顶部摩擦发电组件(1)朝向底部摩擦发电组件(3)方向依次排列的基底一(11)、由导电材料制备的第三导电层(12)、由导电材料制备的第三缓冲层 (13)、由高分子聚合物制备的第二摩擦层(14);抖动模块(2)包括沿顶部摩擦发电组件(1) 朝向底部摩擦发电组件(3)方向依次排列的由导电材料制备的第四导电层(21)、由导电材料制备的第四缓冲层(22 )、由高分子聚合物制备的柔性绝缘层(23 )、由导电材料制备的第五缓冲层(24)、由导电材料制备的第五导电层(25);底部摩擦发电组件(3)包括沿顶部摩擦发电组件(1)朝向底部摩擦发电组件(3)方向依次排列的第三摩擦层(34)、由导电材料制备的第六缓冲层(33)、由导电材料制备的第六导电层32、基底二(31);这样，第三导电层(12)、 第二摩擦层(14)、第四导电层(21)配合可以形成第一发电单元(A1)，第五导电层(25)、第三摩擦层(34)、第六导电层(32)配合可以形成第二发电单元(A2)，请参考图6,即，每一个发电装置能够具有第一发电单元(A1)和第二发电单元(A2)两个发电单元，提高发电装置对风能的利用率。
[0055]当然，为了增大发电装置的输出电流，发电单元A1、A2、A3和A4可以进行并联链接， 等效电路如图7中所示，其中，C是等效电容，测试电表一可以为电压表、电流表、示波器等器件。[〇〇56]上述方式一和方式二中，方式一中的发电装置具有的第一导电层(16)以及第二导电层(36)中，任意一层的厚度为5 nm ?1200 nm，如5 nm、50 nm、100 nm、200 nm、500 nm、 700 nm、800 nm、950 nm、1000 nm、1100 nm、1200 nm等;且，上述方式二中的发电装置具有的第三导电层(12)、第四导电层(21)、第五导电层(25)、第六导电层(32)中，任意一层的厚度为5 nm ?1200 nm，如5 nm、50 nm、100 nm、200 nm、500 nm、700 nm、800 nm、950 nm、 1000 nm、1100 nm、1200 nm等；并且:方式一中的发电装置具有的第一缓冲层(15)以及第二缓冲层(35)中，任意一层的厚度为 10 nm ?100 nm，如 10 nm、20 nm、50 nm、70 nm、80 nm、95 nm、100 nm等;且，上述方式二中的发电装置具有的第三缓冲层(13)、第四缓冲层(22)、第五缓冲层(24)、第六缓冲层(33) 中，任意一层的厚度为 10 nm ?100 nm，如 10 nm、20 nm、50 nm、70 nm、80 nm、95 nm、100 nm等。[〇〇57]同时，上述方式二中的发电装置具有的第二摩擦层(14)的厚度为1 Mi?200 Mi， 具体如 1 ym、5 圓、20 圓、50 圓、80 ym、100 ym、120 ym、160 ym、180 ym、195 ym、200 ym 等，和/或，第三摩擦层34的厚度为1 ym?200 ym，具体如1 _、5 _、20 m1、50 m1、80 ym、 100 ym、120 ym、160 ym、180 ym、195 ym、200 ym等。[〇〇58]在上述方式一以及方式二的基础上，方式一和方式二中提到的导电材料可以为金属材料、铟锡氧化物材料、导电碳材料或者石墨烯电极材料，导电碳材料可以为碳膜、碳纤维、碳纳米管等。优选为金属材料。
[0059]上述金属材料可以为铝、铜、金、银、钛、钌、钯或者铂等。当然，由上述导电材料制备第一导电层(12)、第二导电层(21)、第三导电层(25)、第四导电层(32)、第五导电层(16) 以及第六导电层(36)时，可以采用电子束蒸发、蒸镀、直流或射频磁控溅射的方法来制备。
[0060]当然，上述金属材料还可以为至少两种金属材料的合金，如下所述:上述合金可以为钯银合金(Ag x Pcb- X )，其中，z大于等于0且小于等于1;上述合金还可以为铝青铜，其中，合金内的含铝量不超过11.5%，这样，合金可以具有较高的强度、良好的耐磨性和耐蚀性；上述合金还可以为镁锡铜合金，其成分按百分重量计可以为:镁0.10?0.5;锡0.10? 0.4;杂质总量不大于0.30;余量为铜。
[0061]当然，上述合金还可以为其他金属材料的合金，只要能够满足发电装置的导电性能即可，这里不再一一例举。[〇〇62]同时，采用上述金属材料来制备第一缓冲层(13)、第二缓冲层(22)、第三缓冲层 (24)、第四缓冲层(33)、第五缓冲层(15)以及第六缓冲层(35)时，同样可以采用电子束蒸发、蒸镀、直流或射频磁控溅射的方法来制备。[〇〇63] 具体地，第一导电层(12)、第二导电层(21)、第三导电层(25)、第四导电层(32)、第五导电层(16)以及第六导电层(36)中，任意一层的材料为铝材料；第一缓冲层(13)、第二缓冲层22、第三缓冲层(24)、第四缓冲层(33)、第五缓冲层(15) 以及第六缓冲层(35)中，任意一层的材料为钛。
[0064]更具体地，上述第一导电层(12)、第二导电层(21)、第三导电层(25)、第四导电层 32、第五导电层(16)、第六导电层(36)、第一缓冲层(13)、第二缓冲层(22)、第三缓冲层 (24)、第四缓冲层(33)、第五缓冲层(15)以及第六缓冲层(35)具体材料的选择原则包括下列因素:晶格类型、原子半径、比热容、热导率、热膨胀系数、杨氏模量、泊松比、电负性、电离能、电子亲和势、电导和功函数等。
[0065]当然，上述高分子聚合物材料的材料也可以由多种选择，如:上述高分子聚合物材料可以为聚四氟乙烯、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-C0-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、聚氯乙烯或派瑞林。限于篇幅的原因，这里并不能对所有的材料进行穷举，此处仅列出多种具体的聚合物材料供人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在本发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。[〇〇66] 在选择上述第一摩擦层(14)、第二摩擦层(34)、以及第三摩擦层(26)的具体制备材料时，可以根据摩擦电序列进行选择。本发明中所述的“摩擦电序列”是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行排序，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上负电荷从摩擦电序列中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。例如，高分子材料聚四氟乙稀(Teflon)与金属材料错薄膜接触时，错薄膜带正电，即得电子能力较弱，高分子材料聚四氟乙烯带负电，即得电子能力较强，一般认为，这种电荷转移和材料的介电常数和材料表面的功函数相关，上述高分子材料的介电常数范围是2?18,通过电子或者荷电粒子在接触面上的转移或者静电感应而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电序列只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面的化学修饰、原子或者小分子修饰、粗糙度、荷电性、环境湿度、环境温度以及是否有相对摩擦等。[〇〇67]具体地，上述方式一种提到的发电装置中，第一摩擦层(14)的材料可以与第二摩擦层(34)的材料相同，以使发电装置具有对称层级结构；当然，上述第一摩擦层(14)的材料还可以与第二摩擦层(34)的材料不同，这里不再限定。[〇〇68]优选地，基底一(11)以及基底(25)可以为亚克力板材料制备的基底。
[0069]进一步地，上述风能摩擦纳米发电机中的发电装置可以为多个，且多个发电装置通过连接整流桥和外围电路进行并联，其等效电路图如图7所示。
[0070]上述风能摩擦纳米发电机中，将多个发电装置通过整流桥和外围电路并联之后， 能够增大风能摩擦纳米发电机的输出电流，在外接负载的阻抗匹配的条件下，风能摩擦纳米发电机的输出功率能够达到最大值，并且，能够提高风能摩擦纳米发电机输出电流，保证其工作的持久性和稳定性，进而使风能摩擦纳米发电机具有广泛的用途和良好的应用前景。
[0071]如图7中所示，图7中所示的电路图可以为四个图5中所示结构的发电装置并联时的等效电路图，也可以为两个如图6所示结构的发电装置并联时的等效电路图，其中，图7中标识的测试电表一可以为电压表、电流表、不波器等器件。
[0072]具体地，风能摩擦纳米发电机中的多个发电装置可以呈阵列式分布，四个发电装置可以呈4 X 1阵列式分布。
[0073]显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种风能摩擦纳米发电机，其特征在于，包括至少一个发电装置，其中，每一个所述 发电装置包括顶部摩擦发电组件、底部摩擦发电组件、抖动模块，且:所述顶部摩擦发电组件和底部摩擦发电组件相对设置、且顶部摩擦发电组件和底部摩 擦发电组件之间形成通风通道；所述抖动模块具有刚性镂空板状结构，且所述抖动模块与所述顶部摩擦组件之间通过 弹性件连接，所述抖动模块与所述底部摩擦组件之间通过弹性件连接；所述抖动模块安装于所述通风通道内，当风通过所述通风通道时驱动所述抖动模块抖 动，以使所述抖动模块与所述顶部摩擦发电组件以及底部摩擦发电组件之间产生摩擦起电 和静电感应耦合效应。2.根据权利要求1所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述抖动模块包括第一电 极部、第一连接部和第二电极部，其中，沿所述顶部摩擦发电组件朝向底部摩擦发电组件的 方向，所述第一电极部位于所述第一连接部朝向所述顶部摩擦发电组件的一侧，所述第二 电极部位于所述第一连接部朝向所述底部摩擦发电组件的一侧，且所述第一连接部设有多 个贯穿其厚度方向的用于风通过的镂空孔；当所述抖动模块抖动时，所述第一电极部用于与顶部摩擦发电组件摩擦配合，所述第 二电极部用于与底部摩擦发电组件摩擦配合。3.根据权利要求1所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述抖动模块包括依次连 接的第三电极部、第二连接部、第四电极部、第三连接部、第五电极部以形成“几”字形结构， 其中，所述第二连接部和第三连接部相对设置、且均设有多个镂空孔，其中:当所述抖动模块抖动时，所述第三电极部和第五电极部用于与底部摩擦发电组件摩擦 配合，所述第四电极部用于与顶部摩擦发电组件摩擦配合。4.根据权利要求1和2所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，沿所述通风通道的延 伸方向，所述第一电极部位于所述第一连接部的一侧，且所述第二电极部位于所述第一连 接部的另一侧，所述第一电极部与所述第一连接部连接的部位与所述顶部摩擦发电组件之 间设有所述弹性件，且所述第二电极部与所述第一连接部连接的部位与所述底部摩擦发电 组件之间设有所述弹性件。5.根据权利要求3所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第三电极部和第五电 极部与所述底部摩擦发电组件之间设有所述弹性件，所述第四电极部与所述顶部摩擦发电 组件之间设有所述弹性件。6.根据权利要求4所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第三连接部设有的镂 空孔的总镂空面积与第四连接部设有的镂空孔的总镂空面积不同。7.根据权利要求4所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第三连接部设有的镂 空孔的数量与第四连接部设有的镂空孔的数量相同，且所述第三连接部上设置的镂空孔在 所述第四连接部朝向所述第三连接部一侧表面上的投影与所述第四连接部设置的镂空孔 之间不完全重叠。8.根据权利要求1-7任一项所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，每一个所述发电 装置中:所述顶部摩擦发电组件包括沿所述顶部摩擦发电组件朝向底部摩擦发电组件方向依 次排列的基底、由导电材料制备的第一缓冲层、由导电材料制备的第一导电层;所述抖动模块包括由高分子聚合物材料形成的第一摩擦层;所述底部摩擦发电组件包括沿所述顶部摩 擦发电组件朝向底部摩擦发电组件方向依次排列的由导电材料制备的第二导电层、由导电 材料制备的第二缓冲层、基底；或者，所述顶部摩擦发电组件包括沿所述顶部摩擦发电组件朝向底部摩擦发电组件方向依 次排列的基底、由导电材料制备的第三导电层、由导电材料制备的第三缓冲层、由高分子聚 合物制备的第二摩擦层;所述抖动模块包括沿所述顶部摩擦发电组件朝向底部摩擦发电组 件方向依次排列的由导电材料制备的第四导电层、由导电材料制备的第四缓冲层、由高分 子聚合物制备的绝缘层、由导电材料制备的第五缓冲层、由导电材料制备的第五导电层;所 述底部摩擦发电组件包括沿所述顶部摩擦发电组件朝向底部摩擦发电组件方向依次排列 的第三摩擦层、由导电材料制备的第六缓冲层、由导电材料制备的第六导电层、基底。9.根据权利要求8所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于:所述第一导电层、第二导电层、第三导电层、第四导电层、第五导电层以及第六导电层 中，任意一层的厚度为5 nm?1200 nm;所述第一缓冲层、第二缓冲层、第三缓冲层、第四缓冲层、第五缓冲层以及第六缓冲层 中，任意一层的厚度为10 nm?100 nm。10.根据权利要求8所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦层和/或第 三摩擦层的厚度为1 Ml?200 Ml。11.根据权利要求8所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述导电材料为金属材 料、铟锡氧化物、导电碳材料或者石墨烯电极材料。12.根据权利要求8和11所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一导电层、第二导电层、第三导电层、第四导电层、第五导电层以及第六导电层 中，任意一层的材料为铝材料；所述第一缓冲层、第二缓冲层、第三缓冲层、第四缓冲层、第五缓冲层以及第六缓冲层 中，任意一层的材料为钛。13.根据权利要求8所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述高分子聚合物材料 为聚四氟乙烯、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、聚氯乙烯或派瑞林。14.根据权利要求8所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层的材料 与所述第二摩擦层的材料相同，或者，所述第一摩擦层的材料与所述第二摩擦层的材料不 同。15.根据权利要求8所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述基底为亚克力板材 料制备的基底。16.根据权利要求1所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电装置为多个，且 多个所述发电装置通过连接整流桥和外围电路进行并联连接。17.根据权利要求1-15任一项所述的风能摩擦纳米发电机，其特征在于，多个所述发电 装置呈阵列式分布。
【文档编号】H02N1/04GK106026760SQ201610351362
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】全祖赐, 曾丽萍, 陈经伟
【申请人】南昌大学