一种脉冲发电机、发电机组和能量收集装置制造方法

一种脉冲发电机、发电机组和能量收集装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种脉冲发电机、发电机组和能量收集装置，所述脉冲发电机包括内侧壁由四个内表面围成的筒状基体，基体的相邻两个内表面之间的夹角可以在外力作用下改变；四个内表面上分别设置有一个电极层，每个电极层的上表面接触设置有一个摩擦层；随着外力的作用，四个内表面带动所述摩擦层两两接触和分离；与摩擦层接触设置的电极层能够向外电路输出电信号。相应的，本发明还提供包括多个脉冲发电机的发电机组，以及应用所述发电机或发电机组的能量收集装置。本发明的发电机或发电机组结构简单，可以将行人的走动、高速公路、桥梁等形成的振动等机械能转变为电能。
【专利说明】一种脉冲发电机、发电机组和能量收集装置

【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米发电机领域，特别是涉及能够将机械能转化为电能的脉冲发电机和发电机组。

【背景技术】
[0002]振动机械能是广泛存在的能量形式，包括海浪、发动机的振动、汽车经过时高速公路、桥梁和隧道的振动等形式，以及人体运动如步行、跑动、扭动等形式，都会产生振动机械能，这些振动机械能虽然广泛存在，但是常常被忽视，没有有效的收集手段加以利用，通常被浪费。
[0003]目前，机械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海浪、高速公路、桥梁等等形式的振动机械能转化为电能的结构简单的脉冲发电机，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，本发明提供一种脉冲发电机，包括:
[0006]筒状基体，所述基体的内侧壁由四个内表面围成，相邻两个所述内表面之间的夹角可以在外力作用下改变；
[0007]四个内表面上依次分别设置有第一电极层、第二电极层、第三电极层和第四电极层，所述第一电极层的上表面接触设置有第一摩擦层，所述第二电极层的上表面接触设置有第二摩擦层，所述第三电极层的上表面接触设置有第三摩擦层，所述第四电极层的上表面接触设置有第四摩擦层；所述第一电极层、第一摩擦层、第二电极层和第二摩擦层构成第一摩擦发电单元，所述第三电极层、第三摩擦层、第四电极层和第四摩擦层构成第二摩擦发电单元，
[0008]随着所述外力的作用，所述四个内表面带动所述第一摩擦层上表面与第二摩擦层上表面接触和分离，带动所述第三摩擦层上表面与第四摩擦层上表面接触和分离；所述第一摩擦发电单元和第二摩擦发电单元向外电路输出电信号。
[0009]优选的，所述基体的内侧壁围成的空间为四棱柱，所述四棱柱为底面是菱形的直棱柱。
[0010]优选的，所述第一摩擦层与第二摩擦层的材料存在摩擦电极序差异；所述第三摩擦层与第四摩擦层的材料存在电极序差异。
[0011]优选的，所述第一摩擦层、第二摩擦层、第三摩擦层和第四摩擦层的材料采用绝缘体材料。
[0012]优选的，所述绝缘体材料选自聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯。
[0013]优选的，所述第一摩擦层和/或第四摩擦层采用的绝缘材料由导电材料替代，所述导电材料选自金属、合金、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体，其中，金属，选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒以及由2种以上物质所形成的合金；有机物导体选自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。
[0014]优选的，所述第一摩擦层、第二摩擦层、第三摩擦层和/或第四摩擦层的全部或部分上表面设置微米或次微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。
[0015]优选的，所述第一摩擦层和第四摩擦层的上表面具有纳米孔或纳米坑阵列微结构；所述第二摩擦层和第三摩擦层的上表面具有垂直于表面的纳米线阵列微结构。
[0016]优选的，所述筒状基体采用弹性材料。
[0017]优选的，所述筒状基体为一体成型形成的可变形结构的筒状；
[0018]或者，筒状基体由四个片状结构通过粘贴、或者互相插接的方式连接形成可变形结构筒状。
[0019]优选的，所述第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元之间并联或串联连接。
[0020]相应的，本发明还提供一种脉冲发电机组，包括多个上述的脉冲发电机，每个所述脉冲发电机的基体外表面围成的空间为四棱柱，多个所述脉冲发电机沿着垂直于筒状基体长度方向互相堆叠，其中，多个所述脉冲发电机的筒状基体互相堆叠形成发电机组的网格状框架。
[0021]优选的，每个所述脉冲发电机的筒状基体的形状和尺寸均相同，所述基体四个外表面围成的空间为四棱柱，垂直于所述四棱柱轴线的截面为菱形。
[0022]优选的，mXn个所述脉冲发电机按照m行η列堆叠，同一行或同一列中相邻的两个脉冲发电机的基体共用一个侧壁。
[0023]优选的，多个所述脉冲发电机的输出端并联或串联连接。
[0024]优选的，所述网格状框架由多个片状衬底互相插接形成。
[0025]优选的，所述片状衬底的材料为塑料。
[0026]优选的，多个所述脉冲发电机的输出端并联连接，所述片状衬底的材料为导电材料，插接时在所述片状衬底互相插接处包括绝缘材料使互相插接的片状衬底之间绝缘。
[0027]相应的，本发明还提供一种能量收集装置，包括支架、重物和上述的发电机或者发电机组，其中，
[0028]所述发电机或发电机组与所述支架固定设置；所述重物与所述支架连接并且相对于所述支架可以运动，并且使所述重物在受到外力作用时能够对所述发电机或发电机组施加周期性的外力，使发电机的基体发生形变或发电机组的框架发生形变，对外电路输出电信号。
[0029]与现有技术相比，本发明具有下列有益效果:
[0030]1、本发明提供的脉冲发电机，筒状基体的相邻两个内表面之间夹角的改变带动摩擦发电单元的两个摩擦层的接触和分离，使两个摩擦层之间不需要再设计其他的连接结构，是一种结构简单的脉冲发电机。而且在筒状基体的四个内表面上分别设置摩擦层，形成两个摩擦发电单元，在外力作用下可以使两个摩擦发电单元同时工作，能够获得较高的输出功率。
[0031]2、在互相接触的两个摩擦层的上表面分别设置纳米孔微结构和纳米线微结构，不但可以增加两个摩擦层之间的接触面积，而且纳米线外壁与纳米孔内壁的滑动增强脉冲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，从而大大地提高了脉冲发电机的输出功率。
[0032]3、将多个脉冲发电机堆叠形成脉冲发电机组，采用片状衬底互相反扣形成蜂窝式网格状框架，能够将mXn个脉冲发电机集成在一起形成发电机组，其中包括2mXn个摩擦发电单元，将所有的摩擦发电单元并联，能够有效增加脉冲发电机组的电流输出，从而有效地将振动等机械能转变为电能。
[0033]4、采用具有一定机械强度、绝缘性能的高分子塑料片作为脉冲发电机的基体或者发电机组的框架，不仅成本低廉，而且可以抵消相邻脉冲发电机之间的电场影响。另外，如果多个脉冲发电机为并联连接，片状衬底可以采用导电材料，将同一行或同一列中不同脉冲发电机中相同位置处设置的电极层直接连接在一起，充当连接导线的作用，可以减少发电机组中设置的不同脉冲发电机之间的连接线的数量，简化了发电机组的结构。
[0034]5、本发明的脉冲发电机和发电机组结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，可以收集人体行走、海浪、高速公路、桥梁、机械设备以及人体运动等产生的振动机械能转变为电能，具有广泛的实际用途。

【专利附图】

【附图说明】
[0035]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。
[0036]图1和图2为本发明脉冲发电机的结构示意图；
[0037]图3为本发明脉冲发电机的发电过程示意图；
[0038]图4为本发明脉冲发电机组的结构示意图；
[0039]图5为插接形成脉冲发电机组的片状衬底结构示意图；
[0040]图6为通过片状衬底插接形成脉冲发电机组的结构示意图和实物图；
[0041]图7和图8为在摩擦层表面设置微结构阵列修饰层的表面形貌图；
[0042]图9、图10和图11分别为包括IX 1，2X2和3X3个脉冲发电机的发电机组的开路电压测量结果；
[0043]图12、图13和图14分别为包括1X1，2X2和3X3个脉冲发电机的发电机组的短路电流测量结果；
[0044]图15和图16为本发明的能量收集装置的结构示意图；
[0045]图17和图18为本发明的能量收集装置应用在书包上的实物图。

【具体实施方式】
[0046]在高度集成化的微电子器件快速发展的今天，相应的能源供应系统的研究却相对滞后。为了适应小型化、便携化、多功能等需求，这些微电子器件的能源都直接或者间接地来自电池这种传统的供能器件。而电池由于自身难以克服的局限性，包括较大的体积和重量、有限的使用寿命，对环境和人体的潜在危害等，很难适应可持续、低成本、绿色环保等要求。因此，开发出满足需求的替代供能方式具有重大的意义。如果能够将人体运动、海浪、高速公路、桥梁以及隧道等自然存在的振动机械能转变为电能为电子器件供电，能够解决使用电池等传统电源带来的缺陷。
[0047]本发明提供一种将人体运动、海浪、高速公路、桥梁以及隧道等自然存在的振动机械能转化为电能的结构简单的脉冲发电机，能够为微型电子器件提供匹配的电源。本发明的发电机的技术方案为，采用内侧壁由四个内表面围成的筒状基体作为两个摩擦发电单元的支撑结构，当发电机受到周期性外力作用时，使摩擦发电单元的两个摩擦层随着相邻两个内表面之间夹角的变化能够互相接触和分离，选择存在摩擦电极序差异的两个摩擦层的材料，异在摩擦层相互接触的瞬间会通过电子或者离子发生表面电荷转移，摩擦层互相分离后摩擦发电单元能够对外电路输出电信号。而且通过将多个发电机集成在一起，形成具有蜂窝式龙骨架结构的基体的发电机组，能够获得更高的发电机输出。
[0048]本发明的脉冲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，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。本发明人发现如果两种材料在摩擦电极序中处于较接近的位置，接触后电荷分布的正负性可能并不符合该序列的预测。需要进一步说明是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可，因此，从严格意义上讲，摩擦电极序的表述是不准确的，但由于历史原因而一直沿用至今。
[0049]本发明中所述的“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为10纳米。研究发现，该电荷能够保持较长的时间，根据环境中湿度等因素，其保持时间在数小时甚至长达数天，而且其消失的电荷量可以通过再次接触得以补充，因此，本发明人认为，在本发明中接触电荷的电量可以近似认为保持恒定。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。
[0050]下面结合附图详细介绍本发明脉冲发电机的【具体实施方式】。
[0051]实施例一:
[0052]图1为本发明脉冲发电机典型结构的截面示意图，脉冲发电机包括筒状基体100，所述基体100的内侧壁由四个内表面围成，相邻两个所述内表面之间的夹角可以在外力作用下改变；四个内表面上依次分别设置有第一电极层10、第二电极层20、第三电极层30和第四电极层40，第一电极层10的上表面接触设置有第一摩擦层11，第二电极层20的上表面接触设置有第二摩擦层21，第三电极层30的上表面接触设置有第三摩擦层31，第四电极层40的上表面接触设置有第四摩擦层41 ;其中，第一电极层10、第一摩擦层11、第二电极层20和第二摩擦层21构成第一摩擦发电单元Al，第三电极层30、第三摩擦层31、第四电极层40和第四摩擦层41构成第二摩擦发电单元A2。随着所述外力的作用，四个内表面带动第一摩擦层11上表面与第二摩擦层21上表面接触和分离，带动第三摩擦层31上表面与第四摩擦层41上表面接触和分离；第一摩擦发电单元Al和第二摩擦发电单元A2向外电路输出电信号。图2为脉冲发电机受到外力作用，第一摩擦层11上表面与第二摩擦层21上表面接触，同时，第三摩擦层31上表面与第四摩擦层41上表面接触时的示意图，当撤去所述外力时，脉冲发电机的结构恢复至图1所示。
[0053]筒状基体100是本发明的摩擦发电机工作的关键部件，其典型结构为内侧壁由四个内表面围成的筒状基体，基体内侧面围成的空间为四棱柱，优选的，所述四棱柱为底面为菱形的直棱柱，例如由四个相同的长条形平板首尾相接围成的筒状。为了满足基体的相邻两个内表面之间的夹角可以在外力作用下改变，基体可以采用弹性材料制备，在所述外力作用下能够变形使相邻两个内表面之间的夹角变化，使得附着在相邻两个内表面的摩擦层在周期性外力作用下能够互相接触并且分离。基体可以为一体成型形成的可变形结构的筒状，也可以为由四个片状结构通过粘贴、或者互相插接等方式连接形成可变形结构筒状。更优选的，所述基体采用弹性材料，在外力作用下发生变形后撤去外力时能够恢复原状，例如基体的材料为弹性塑料。
[0054]基体的内表面上设置有多个电极层，因此，基体的材料，特别是基体内表面的材料优选为绝缘体材料，例如可以为塑料、或者是内表面附着有绝缘层的导电基体。
[0055]图1中的发电机，相当于在筒状基体的内表面上设置了两个摩擦发电单元，其中，第一电极层10、第一摩擦层11、第二电极层20和第二摩擦层21构成第一摩擦发电单元Al(虚线框所示)，在基体的两个相邻内表面带动下，第一摩擦层11的上表面与第二摩擦层21的上表面能够接触和分离；第三电极层30、第三摩擦层31、第四电极层40和第四摩擦层41构成第二摩擦发电单元A2 (虚线框所示)，在基体的另外两个相邻内表面带动下，第三摩擦层31的上表面与第四摩擦层41的上表面能够接触和分离；当周期性外力作用在本发明的摩擦发电机上时，脉冲发电机交替出现图1和图2中的状态，第一摩擦层11与第二摩擦层21之间、第三摩擦层31和第四摩擦层41之间存在摩擦电极序差异，在第一电极层10与第二电极层20之间和\或第三电极层30与第四电极层40之间能够向外电路输出电信号。第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机之间可以进行并联，以提高脉冲发电机的输出功率。
[0056]本发明的发电机中，第一摩擦层、第二摩擦层、第三摩擦层和第四摩擦层的材料选择，只要满足:第一摩擦层材料与第二摩擦层材料存在摩擦电极序差异，第三摩擦层材料与第四摩擦层材料存在摩擦电极序差异。这里需要说明的是，本发明中提到的摩擦层的上表面是指摩擦层背向与其直接接触的电极层的表面，并不是严格的空间意义上的上表面，也即两个摩擦层能够互相接触的表面分别称为每个摩擦层的上表面，例如第一摩擦层11与第二摩擦层21接触的表面称为第一摩擦层的上表面。
[0057]绝缘体材料，例如常规的高分子聚合物都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明四个摩擦层(11、21、31和41)的材料，此处列举一些常用的高分子聚合物材料:聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料供参考，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。
[0058]相对于绝缘体，半导体和金属均具有容易失去电子的摩擦电特性，在摩擦电极序的列表中常位于末尾处。因此，半导体和金属也可以代替绝缘体作为制备第一摩擦层11或者第二摩擦层21的原料，以及第三摩擦层31或者第四摩擦层41的原料。常用的半导体包括:硅、锗；第111和第V族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第II和第VI族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由II1-V族化合物和I1-VI族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、Bi02和Y203 ;常用的金属包括金、银、钼、招、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的摩擦层材料，例如铟锡氧化物ΙΤ0。
[0059]通过实验发现，当第一摩擦层11与第二摩擦层21 (或者第三摩擦层31与第四摩擦层41)材料的得电子能力相差越大(即在摩擦电极序中的位置相差越远)时，第一摩擦发电单元(或者第二摩擦发电单元)输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备四个摩擦层以获得更好的输出效果。
[0060]两个能够互相接触的摩擦层中，一个摩擦层的绝缘材料可以由导电材料替代，例如第一摩擦发电单元中，第一摩擦层采用导电材料，可以用第一摩擦层替代第一电极层的材料，能够简化第一摩擦发电单元的结构；同样，第二摩擦发电单元中，第四摩擦层采用导电材料，可以用第四摩擦层替代第四电极层的材料，能够简化第二摩擦发电单元的结构。下面以这种结构的脉冲发电机为例，结合附图，介绍脉冲发电机的工作原理。
[0061]图3为本发明脉冲发电机的工作过程示意图，第二摩擦发电单元与第一摩擦发电单元的发电过程相同，在这里只介绍第一摩擦发电单元的发电过程。第一摩擦层11 (也为第一电极层)和第二摩擦层21是2种存在摩擦电极序差的材料，在初始状态下，由于筒状基体的两个相邻内表面夹角Θ较小，使第一摩擦层11上表面和第二摩擦层21上表面相互接触，所以在接触时发生表面电荷转移，形成一层表面接触电荷(参见图2中(a)图)。由于第一摩擦层11和第二摩擦层21的材料在摩擦电极序中的位置不同，第二摩擦层21上表面产生负电荷，而第一摩擦层11上表面产生正电荷，两种电荷的电量大小相同，因此在第一摩擦层11 (即第一电极层)和第二电极层20之间没有电势差，也就没有电荷流动。一旦受到外力作用时，筒状基体的相邻两个内表面之间的夹角增大，带动第一摩擦层11和第二摩擦层21之间的夹角逐渐增大至Θ i使内表面围成的直棱柱的底面为菱形，此时第一摩擦层11具有净剩正电荷，而第二电极层20和第二摩擦层21所构成的整体具有净剩负电荷，因此在第一摩擦层11 (即第一电极层)和第二电极层20之间产生了电势差。为平衡该电势差，电子通过外接导线由第二电极层20流入第一摩擦层11，从而在外电路产生由第一摩擦层到第二电极层的瞬时脉冲电流(参见图3中(b)图)，当第一摩擦层11与第二摩擦层21之间的夹角Θ达到最大92时，二者的电荷都达到平衡，在第一摩擦层11和第二电极层20之间没有电势差，在外电路也就没有电流产生(参见图3中(c)图)。当筒状基体的两个内表面之间的夹角再次缩小至时，第一摩擦层11和第二摩擦层21之间的夹角Θ又逐渐减小，由于第一摩擦层11与第二电极层20的间距变小，第二摩擦层21表面的负电荷对第一摩擦层11中负电荷的排斥作用增强，同时第一摩擦层11表面的正电荷对第二电极层20中负电荷的吸引作用也增强，由此导致第一摩擦层11和第二电极层104之间的电势差减小。为进一步平衡该电势差，电子通过外电路由第一摩擦层11流入第二电极层20，从而在外电路产生与第一次方向相反的瞬时脉冲电流(参见图3中(d)图)。基体的相邻两个内表面的夹角最小时，使第一摩擦层11上表面与第二摩擦层21上表面发生接触后，重复上面a-d步骤的情形。由此可见，当外力(振动作用)作用于脉冲发电机时，会促使基体的相邻两个内表面的夹角变化，从而使第一摩擦层11上表面和第二摩擦层21上表面的不断接触和分离两个过程，分别产生方向相反的脉冲电流，实现在第一摩擦层11 (即第一电极层)和第二电极层21之间的脉冲发电。可以将两个摩擦发电单元的电极层进行并联或串联，特别是并联连接可以增强整个脉冲发电机的输出电流，能够增强发电机的输出功率。
[0062]本发明的脉冲发电机中，第一摩擦层11上表面与第二摩擦层21上表面(或者第三摩擦层31上表面与第四摩擦层41上表面)可以完全接触后完全分开，也可以部分接触后分开，也就是随着基体相邻内表面之间夹角的变化，使得第一摩擦层11上表面与第二摩擦层21上表面(或者第三摩擦层31上表面与第四摩擦层41上表面)的接触面积发生不断的变化。
[0063]本发明的脉冲发电机中，四个摩擦层的厚度无特别要求，本发明中优选为0.01-0.8 毫米。
[0064]本发明的发电机中，摩擦层的材料可以选择硬性或者柔性材料,优选柔性材料作为摩擦层的材料，以提高两个摩擦层的上表面接触时的接触面积。还可以对摩擦层上表面进行物理改性，使其全部或部分上表面具有微米或次微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层，以提高两个摩擦层的上表面接触时的接触面积。所述微结构可以选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。优选为在第一摩擦层11、第二摩擦层21、第三摩擦层31和第四摩擦层的上表面的全部或部分包括上述微结构形成的阵列。优选的，所述微结构阵列的高度或深度为200纳米至2微米。
[0065]优选的，第一摩擦层11和第四摩擦层41的上表面具有纳米孔或纳米坑阵列的微结构、第二摩擦层21和第三摩擦层31的上表面具有垂直于表面的纳米线阵列微结构，可以增加受到外力作用时的接触面积，同时纳米孔内表面与纳米线的摩擦可以杂化发电机的接触起电效应和摩擦起电效应，能够进一步提高脉冲发电机的输出功率。优选的，第一摩擦层和第四摩擦层采用导体材料如铝、铜、镍等，在所述导体材料的上表面具有纳米孔或纳米坑阵列。可以通过电化学阳极氧化等方法在金属材料表层制备纳米孔或纳米坑阵列，可以通过等离子体刻蚀等方法在有机物为摩擦层的表面制备垂直于有机物表面的纳米线阵列。
[0066]本发明的脉冲发电机中，四个电极层10、20、30和40的材料可以选择常用的导电材料，所述的导电材料可选自金属、合金、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体，电极层20可以为平板、薄片或薄膜，其中薄膜厚度的可选范围为10nm-5mm，具体电极层材料的选择不作为限定本发明保护范围的因素，本领域常用的材料为:金属，选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒；由金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的2种以上物质所形成的合金；导电氧化物，例如氧化铟锡ITO ;有机物导体一般为导电高分子，选自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。实际中，本领域的技术人员可以根据各摩擦层材料的选择，确定相应电极层材料以及制备方法的选择，例如直接贴合或沉积等常规方式在摩擦层材料的下表面设置电极层，形成紧密接触以确保电极层与相应的摩擦层(例如第一电极层10和第一摩擦层11)的良好电接触。具体电极层材料的选择不作为限定本发明保护范围的条件。四个电极层与基体100内表面之间的固定，可以采用材料粘贴固定的方式，也可以采用在基体100的内表面制备电极层的方式进行设置。优选的，每个电极层与接触设置的摩擦层的形状相近或相同，最好摩擦层的下表面完全与电极层接触，二者的厚度可以相同或不同。电极层20可通过直接贴合或沉积等常规方式贴合在摩擦层10的下表面。制备电极层材料的常用方法包括磁控溅射、蒸镀和印刷打印技术等。
[0067]本发明的脉冲发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，在实际使用中，只需进行简单的固定和封装，即可应用在人体运动、收集海浪、高速公路、桥梁、机械设备等产生的振动机械能，具有广泛的实际用途。
[0068]实施例二:
[0069]实施例一中，脉冲发电机的基本结构为在筒状基体的内表面附着有两个摩擦发电单元，通过基体内表面角度的变化带动两个摩擦发电单元的摩擦层接触和分离，将机械能转变为电能。对于筒状基体的内侧壁围成的空间为直棱柱，直棱柱的底面为菱形的脉冲发电机，可以将多个实施例一中的脉冲发电机进行集成为脉冲发电机组，在所述脉冲发电机组中相邻的脉冲发电机可以共用发电机中基体的一个侧壁，在外力作用下，发电机组中的所有摩擦发电机的基体同时发生形变，对外电路输出电信号。将所有脉冲发电机之间进行并联连接，摩擦发电机组可以获得更高的输出功率。
[0070]本实施例中脉冲发电机组的典型结构参见图4，包括多个实施例一中的脉冲发电机Ml、M2、M3……，每个脉冲发电机都包括筒状基体，筒状基体的外表面围成的空间为四棱柱，多个脉冲发电机沿着垂直于筒状基体长度方向互相堆叠形成发电机组，这样多个脉冲发电机的筒状基体互相堆叠形成发电机组的网格状框架，该网格状框架类似蜂窝结构。优选的，每个所述脉冲发电机的筒状基体外表面的形状和尺寸均相同，特别的，所述基体四个外表面围成的空间为四棱柱，垂直于该四棱柱轴线的截面为菱形。这样结构的筒状基体为由四个平板状侧壁构成的筒状基体。相邻的脉冲发电机之间可以进行粘贴等固定，摩擦发电机组受到外力作用时，多个脉冲发电机的基体能够同时发生变形，以脉冲发电机Ml为例，使设置在脉冲发电机Ml内表面的第一摩擦层11和第二摩擦层21能够接触和分离产生电信号，因此，多个脉冲发电机能够同时对外电路输出电信号。
[0071]优选的，将多个脉冲发电机的输出端进行并联或串联连接，能够提高脉冲发电机组的输出功率。
[0072]为了进一步简化脉冲发电机组的结构，可以选择基体的尺寸和形状都相同的脉冲发电机，多个(mXn个)脉冲发电机按照m行η列堆叠,这样可以使同一行或同一列中相邻的两个脉冲发电机的基体共用一个侧壁，如图4中，脉冲发电机Ml和M2共用脉冲发电机Ml基体的一个侧壁，即在共用的侧壁的内外表面都设置有一个摩擦层，分别属于脉冲发电机Ml和M2中。
[0073]本发明提供的脉冲发电机组的框架，可以采用将多个脉冲发电机的基体直接进行堆叠固定的方式形成，也可以采用多个片状衬底互相插接形成网格状框架的方式形成发电机组的框架，这样形成的脉冲发电机组，包括mXn个脉冲发电机，其中m和η为自然数，如m=n=l、2或3，脉冲发电机组中包括2mX η个摩擦发电单元。参见图5，根据预设的脉冲发电机组的尺寸，以及包括的脉冲发电机的尺寸和个数，以发电机组包括2X2个发电机为例，选取6片合适长度L和宽度W的片状衬底，根据脉冲发电机的尺寸，在片状衬底上沿着长度方向制作三个切口 Cl、C2和C3，切口长度为衬底宽度W的一半，见图5中(b)图。将六片衬底均分为两组，然后在第一组的三片片状衬底的上表面制备两个第一电极层和第一电极层上接触设置的第一摩擦层，下表面制备第三电极层和第三电极层上接触设置的第三摩擦层；在第二组的三片片状衬底的上表面制备两个第二电极层和第二电极层上接触设置的第二摩擦层，下表面制备两个第四电极层和第四电极层上接触设置的第四摩擦层。将第一组的三片衬底平行排列，第二组的三片衬底也平行排列，第一组衬底与第二组衬底的切口互相反扣，形成图6中(b)图的2X2的网格状摩擦发电机组的三维图和实际图，四片衬底围成的结构形成一个脉冲发电机，该发电机组中包括2X2个实施例一中的脉冲发电机。
[0074]同样，图5中(a)图和图6 Ca)图还显示了脉冲发电机组包括I个脉冲发电机的三维图和实际图，图5中(c)图和图6 (c)图还显示了脉冲发电机组包括3X3个脉冲发电机的三维图和实际图。很显然，包括mXn个脉冲发电机的脉冲发电机组的框架由m+n+2片衬底插接形成，采用这种方法可以获得包括任意mXn个脉冲发电机的脉冲发电机组。这里m和η为自然数，可以相等，也可以不等。
[0075]采用类似图5和图6的方法将多片衬底插接形成脉冲发电机组框架，整个发电机组的外侧面围成的空间仍为四棱柱，沿着四棱柱的两个相对的棱施加外力或振动，使脉冲发电机组变形，能够使HiXη个脉冲发电机中的摩擦发电单元同时工作，对外电路输出电信号。
[0076]形成本发明的脉冲发电机组的基体的片状衬底应选择具有一定弹性和机械强度的材料，优选为弹性的绝缘体材料，如高分子塑料片等。片状衬底的厚度无特别要求，优选为100-5000微米。
[0077]在本发明的其他实施例中，将多个脉冲发电机进行并联时，片状衬底的材料也可以选择导电材料，例如Cu片、Al片等，将多个这样的导电片状衬底进行插接时，在插接处可以设置绝缘材料例如塑料、橡胶等，使互相插接的片状衬底之间实现绝缘。这样的片状衬底将同一行或同一列中不同脉冲发电机中相同位置处设置的电极层直接连接在一起，同时充当连接导线的作用，能够省去发电机组中设置的不同脉冲发电机之间的连接线的数量，简化了发电机组的结构。
[0078]这里具体介绍一个脉冲发电机组的结构。参见图7，第一摩擦层和第四摩擦层(SP第一电极层和第四电极层)采用表面修饰为纳米孔的铝薄。参见图8，第二摩擦层和第三摩擦层采用表面修饰有纳米阵列的聚四氟乙烯薄膜材料，其厚度为25-50微米，在聚四氟乙烯薄膜材料的另一面镀上铜薄膜作为第二电极层和第三电极层。以厚度为500-1000微米的高分子PET片为衬底材料，在高分材料PET的下表面接触设置表面修饰为纳米孔的铝薄；在高分材料PET的上表面设置Cu薄膜作为第二和第三电极层，在Cu薄膜上设置表面修饰有纳米阵列的聚四氟乙烯薄膜，其中，聚四氟乙烯薄膜的厚度约为50微米，纳米线的高度约为1.5微米。将8片上述制备好的PFT片插接形成图4所示的具有蜂窝式网格状框架的脉冲发电机组。
[0079]如果发电机组包括1X 10个脉冲发电机，则包括的摩擦发电单元数多达200个，将显著地增加发电机组的输出电流。参见图6，将每个脉冲发电机的尺寸设置为5厘米X5厘米，有效的接触面积为4.6厘米X 4.6厘米，能够保证每个摩擦发电单元中两个摩擦层的接触面积以及表面电荷的量。
[0080]实施例一的脉冲发电机与实施例二中脉冲发电机组的输出电信号为交流脉冲电信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以用来给储能元件充电，比如电容器或者锂离子电池等，而储存的电能能够用来为便携式小型电子设备提供电力，具有广泛的应用前景。
[0081]实施例三:
[0082]本实施例对实施例二中的脉冲发电机组的输出电信号进行了测量，其中所有的脉冲发电机的输出端并联。
[0083]在周期性外力的作用下，对本实施例二中图6的蜂窝式脉冲发电机组进行了开路电压和短路电流的测量，结果分别如图9-11和图12-14所示，图9-11为蜂窝式脉冲发电机组在周期性外力作用下的开路电压测量结果，图12-14为蜂窝式脉冲发电机组在周期性外力作用下的短路电流测量结果。从实验结果可以看到，脉冲发电机组的开路电压随脉冲发电机个数增加几乎不变，而短路电流最大值随着脉冲发电机个数增加而显著增加，最大值达到了 1395微安。
[0084]发明人的研究过程中发现，在本发明各实施例的发电机或发电机组在实际工作当中，外加负载的电阻值对实际输出功率有很大的影响。随着负载电阻值的增大，负载两端的电压增大,通过负载的电流减小,而实际输出功率先增大后减小,并出现极大值。本发明人经过多次实验发现，输出功率极大值所对应的电阻值在兆欧量级，因此，本发明在负载的电阻值为兆欧量级的情况下能够最大程度发挥其功效。需要说明的是，本文中使用的“输出功率”，是指脉冲电流的极大值和在负载两端形成的脉冲电压的极大值的乘积，即瞬时极大功率。
[0085]本发明的发电机的输出功率除了受到外界环境因素，包括振动频率的大小，外力口负载的电阻值等影响外，还受到脉冲发电机或发电机组本身的设计和制造，包括摩擦层和电极层材料的选择，以及各部分的尺寸大小，和摩擦层材料表面的物理和化学性质等的影响。
[0086]本发明各实施例的发电机输出的电信号为交流脉冲电信号，可以在发电机的输出端连接全桥整流器，将发电机的输出信号整流为直流脉冲电信号。发电机输出的脉冲电信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以用来给储能元件充电，比如电容器或者锂离子电池等，而储存的电能能够用来为便携式小型电子设备提供电力，具有广泛的应用前景。
[0087]实施例四:
[0088]实施例一和实施例二提供的发电机和发电机组，可以收集人体运动、海浪、高速公路、桥梁、机械设备等产生的振动机械能。
[0089]本实施例中，提供一种包括实施例一的发电机或者实施例二的发电机组的能量收集装置，该装置典型结构见图15，包括实施例一的发电机或者实施例二的发电机组1、支架2和重物3，其中，发电机或发电机组I与支架2固定设置，重物3与支架2连接并且相对于支架2可以运动，并且使重物在受到外力作用时能够对发电机或发电机组施加周期性的外力，使发电机的基体发生形变或发电机组的框架发生形变，对外电路输出电信号。
[0090]本发明中，支架2是为重物3提供支撑的元件，使能量收集装置在受到外力如振动作用时，重物3在自身重力作用下能够相对于支架2往复运动，并且对发电机或发电机组I周期性的施加力的作用，使脉冲发电机基体的两个相邻内表面的夹角周期性的变化而对外输出电信号，将机械能转变为电能。支架2和重物3的材料、形状和尺寸无特别限定，重物3可以为球形、板状等结构，采用的材料可以为玻璃、有机物等；支架2的形状可以为框架形式，也可以为将发电机或发电机组I和重物3完全包围的封闭的壳体。重物3与支架2的连接，可以通过两种方式，参见图15，通过弹性连接件4将重物3固定在支架2使重物3相对于支架2能够在竖直方向做直线运动，弹性连接件4的长度可以变化，可以为一个或多个弹簧。也可以采用图16中的方式，通过柔性连接件5将重物3悬挂在支架2上，使重物可以在任意方向摆动，当能量收集装置发生摇摆时，重物3在重力作用下发生摆动，对发电机或发电机组I周期性的进行碰撞，柔性连接件5可以为钢丝、尼龙绳等。
[0091]本实施例提供的能量收集装置可以安装在背包等上运用于收集人体行走时的振动机械能，如图17所示，支架2和重物3用厚度为6厘米的丙烯酸树脂塑料片制备，将实施例一中的脉冲发电机I固定在支架2的底端,用四根劲度系数为585.68N/kg的弹簧4将重物3连接在支架的顶端，使重物位于脉冲发电机I的正上方，组合成尺寸为5厘米X 7.5厘米X20厘米的能量收集装置，其重量只有400克。当能量收集装置受到振动等作用时，重物3在自身重力作用下向下运动可以将脉冲发电机I的基体压缩，然后在弹簧的作用下向上运动离开脉冲发电机I的基体，如此往复运动，使脉冲发电机I输出电信号。该能量收集装置结构简单，具有成本低廉，实用性强等特点。在书包上使用该能量收集装置时，还可以在重物3上增加连接杆6，连接杆6的上端连接在重物上，下端穿过支架连接在书包上，书包的背带连接在支架2上，参见图18。背着包括该能量收集装置的书包行走过程中，能够收集在行走过程中产生的振动能量。书包负重2公斤，点亮了 40颗商业LED灯，其转化效率高达 10.63%。
[0092]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【权利要求】
1.一种脉冲发电机，其特征在于，包括: 筒状基体，所述基体的内侧壁由四个内表面围成，相邻两个所述内表面之间的夹角可以在外力作用下改变； 四个内表面上依次分别设置有第一电极层、第二电极层、第三电极层和第四电极层，所述第一电极层的上表面接触设置有第一摩擦层，所述第二电极层的上表面接触设置有第二摩擦层，所述第三电极层的上表面接触设置有第三摩擦层，所述第四电极层的上表面接触设置有第四摩擦层；所述第一电极层、第一摩擦层、第二电极层和第二摩擦层构成第一摩擦发电单元，所述第三电极层、第三摩擦层、第四电极层和第四摩擦层构成第二摩擦发电单元; 随着所述外力的作用，所述四个内表面带动所述第一摩擦层上表面与第二摩擦层上表面接触和分离，带动所述第三摩擦层上表面与第四摩擦层上表面接触和分离；所述第一摩擦发电单元和第二摩擦发电单元向外电路输出电信号。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述基体的内侧壁围成的空间为四棱柱，所述四棱柱为底面是菱形的直棱柱。
3.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层与第二摩擦层的材料存在摩擦电极序差异；所述第三摩擦层与第四摩擦层的材料存在电极序差异。
4.根据权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层、第二摩擦层、第三摩擦层和第四摩擦层的材料采用绝缘体材料。
5.根据权利要求4所述的发电机，其特征在于，所述绝缘体材料选自聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯。
6.根据权利要求4或5所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第四摩擦层采用的绝缘材料由导电材料替代，所述导电材料选自金属、合金、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体，其中，金属，选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒以及由2种以上物质所形成的合金；有机物导体选自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。
7.根据权利要求1-6任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层、第二摩擦层、第三摩擦层和/或第四摩擦层的全部或部分上表面设置微米或次微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。
8.根据权利要求7所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和第四摩擦层的上表面具有纳米孔或纳米坑阵列微结构；所述第二摩擦层和第三摩擦层的上表面具有垂直于表面的纳米线阵列微结构。
9.根据权利要求1-8任一项所述的发电机，其特征在于，所述筒状基体采用弹性材料。
10.根据权利要求1-9任一项所述的发电机，其特征在于，所述筒状基体为一体成型形成的可变形结构的筒状； 或者，筒状基体由四个片状结构通过粘贴、或者互相插接的方式连接形成可变形结构筒状。
11.根据权利要求1-11任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元之间并联或串联连接。
12.—种脉冲发电机组，其特征在于，包括多个如权利要求1-11任一项所述的脉冲发电机，每个所述脉冲发电机的基体外表面围成的空间为四棱柱，多个所述脉冲发电机沿着垂直于筒状基体长度方向互相堆叠，其中，多个所述脉冲发电机的筒状基体互相堆叠形成发电机组的网格状框架。
13.根据权利要求12所述的发电机组，其特征在于，每个所述脉冲发电机的筒状基体的形状和尺寸均相同，所述基体四个外表面围成的空间为四棱柱，垂直于所述四棱柱轴线的截面为菱形。
14.根据权利要求13所述的发电机组，其特征在于，mXn个所述脉冲发电机按照m行η列堆叠，同一行或同一列中相邻的两个脉冲发电机的基体共用一个侧壁。
15.根据权利要求12-14任一项所述的发电机组，其特征在于，多个所述脉冲发电机的输出端并联或串联连接。
16.根据权利要求12-15任一项所述的发电机组，其特征在于，所述网格状框架由多个片状衬底互相插接形成。
17.根据权利要求16所述的发电机组，其特征在于，所述片状衬底的材料为塑料。
18.根据权利要求16所述的发电机组，其特征在于，多个所述脉冲发电机的输出端并联连接，所述片状衬底的材料为导电材料，插接时在所述片状衬底互相插接处包括绝缘材料使互相插接的片状衬底之间绝缘。
19.一种能量收集装置，其特征在于，包括支架、重物和权利要求1-11任一项所述的发电机或者权利要求12-18任一项所述的发电机组，其中， 所述发电机或发电机组与所述支架固定设置；所述重物与所述支架连接并且相对于所述支架可以运动，并且使所述重物在受到外力作用时能够对所述发电机或发电机组施加周期性的外力，使发电机的基体发生形变或发电机组的框架发生形变，对外电路输出电信号。
【文档编号】H02N1/04GK104426415SQ201310378747
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】杨维清, 陈俊, 王中林 申请人:国家纳米科学中心