自电荷激励摩擦发电机的制作方法

本发明涉及摩擦纳米发电领域，具体的是一种自电荷激励摩擦发电机(sce-teng)。

背景技术：

基于摩擦电效应的摩擦纳米发电机(teng)被广泛用来收集诸如振动、滑动、转动、风能、水能、甚至声音等环境机械能量以满足社会对能源的需求。

teng的实际应用和商业化进程很大程度上受制与其当前较低的输出功率，而摩擦纳米发电机的输出功率与其摩擦面电荷密度成二次正比关系，因此，对于传统的摩擦纳米发电机，大量的工作例如:材料选择，接触改善，材料表面修饰，离子注入和环境控制等，都在致力于改善teng的摩擦面电荷密度以期望获得更大的输出功率，然而受制与环境与稳定性，都很难实现大面电荷密度的同时可以进行广泛的实际应用。因此，有必要发明一种新结构的摩擦纳米发电机来在大气环境中获得高的面电荷密度，从而实现更广泛和更有效的能量收集与应用。

在中国发明专利申请cn201710214174中公开了一种摩擦纳米发电机的能量管理电路和能量管理方法，能量管理电路包括：脉冲电流控制开关、中间储能元件和目标储能元件，其中，脉冲电流控制开关，用于在所述摩擦纳米发电机的两个相对运动部分的移动使摩擦纳米发电机的两个电极层之间产生感应静电荷后，瞬时接通所述两个电极层产生瞬间脉冲电流；中间储能元件，用于存储所述瞬间脉冲电流的电能；目标储能元件，用于存储所述中间储能元件输出的电能。该脉冲电流控制开关的设置克服摩擦纳米发电机的输出电流小的缺点，输出瞬时脉冲大电流，提高了瞬时输出功率，通过引入具有感抗特性的元件作为能量转换和存储过程的中介来实现摩擦纳米发电机teng的高效能量存储。然而该方案提供的电荷密度和交流输出能力依然是有限的。

技术实现要素：

本发明目的在于提供了一种能在大气环境中获得高电荷密度的自电荷激励摩擦发电机。

本发明的技术方案如下：

一种自电荷激励摩擦发电机，包括teng，所述teng具有第一电极和第二电极，覆盖在第一电极和/或第二电极上的绝缘介电膜，其特征在于：还包括有二极管和电容构成的自倍压整流电路和对自倍压整流电路进行稳压调控的稳压调控电路，所述主teng第一电极和第二电极分别连接在自倍压电路的两对角输入端。

本发明的teng在工作过程中，依靠电极在接触分离中导致自倍压整流电路中电容组串并联状态的自动切换，实现了主tegn中的电荷增加，在回路中产生一个交流输出。其具体工作原理将结合实施例予以详细说明。

本发明的优选技术方案如下：

优选地，所述稳压调控调控电路包括稳压二极管或三极管控制系统。

优选地，在所述第一电极和第二电极与各自对应连接的自倍压电路输入端之间设有开关，所述开关可以切换自倍压电路输入端与第一电极和第二电极之间的连接关系。

优选地，所述发电机还包括基板，其安装在第一电极和第二电极外侧，所述所述基板和第一、第二电极中的一个电极之间还设置有复合液体软垫。

优选地，所述复合液体软垫由层叠在一起的液体软垫，弹性聚氨酯泡棉层和柔性硅胶层组成，其中液体软垫由密闭橡胶壳和其内部填充的液体构成，弹性聚氨酯泡棉和柔性硅胶邵氏硬度为5-45psi。

优选地，所述绝缘介质膜的尺寸大于电极的尺寸。

优选地，所述第一和第二电极的材料是金属或者石墨、导电聚合物、非金属导电材料。

优选地，所述绝缘介电膜是塑料膜或晶体膜。

优选地，所述自倍压电路中电容和整流二极管元件漏电流之和小于自电荷激励摩擦发电机的平均电流。这样可以实现有效的自电荷累积。

优选地，所述基板为硬质绝缘材料或带金属基底的硬质绝缘复合材料。

本发明还提供了一种包含上述的自电荷激励摩擦发电机的设备，设备包括：便携式电子充电设备、置于环境中收集机械能的吸能装置(例如：所述吸能装置为鞋底、自电荷路面、轮胎、鼠标或者键盘)或者自驱动环境监测装置(例如：所述监测装置为液体泄漏监测装置自电荷或者结构突变监测装置)。

本发明的有益效果是：

本发明的自电荷激励摩擦发电机设计新颖合理，结构简单、成本低廉。由于自倍压结构的设计，使得发电机能快速的产生高激励电压和快速的电荷累积，即使绝缘介电膜较厚时也能很快的在电极上产生大电荷密度；采用自倍压电路中电容组作为电荷存储电容可以有效简化结构和降低成本。在一些实施例中，二极管和三极管的增加能稳定和控制激励电压，从而实现对发电机输出的调控；复合液体软垫的使用可以有效改善电极和绝缘介电膜间的接触从而增加有效电荷密度。自电荷激励摩擦发电机在大气环境中具高的输出电荷密度，使其具有极大的潜力在驱动大的电子设备，有效的低频能量收集，大尺寸的应用和大功率自供能系统等方面。

附图说明

图1是本发明实施例的示意图；

图2是本发明另一实施例的示意图；

图3a-e是本发明实施例的工作流程示意图；

图4a-i是本发明实施例实施效果图。

图5是本发明实施例的电压输出效果图。

具体实施方式

下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明的发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

一种自电荷激励摩擦发电机，采用图1所示结构：teng包括一个金属上电极2，金属下电极3和覆盖于一个电极上的或者两个电极都覆盖有的绝缘介电膜4；所述自电荷激励系统包括一个自倍压整流电路和对自倍压整流电路稳压调控的三极管控制系统6组成，所述自倍压整流电路由电容7和整流二极管8组成；所述主teng和液体软垫安置在两块硬质绝缘基板9之间。所述复合液体软垫置于硬质绝缘基板9之上，下电极之下以改善主teng电极和绝缘介电膜之间的接触。其中，上下基板9为长、宽、厚分别为45mm、45mm、4mm的亚克力板。对于teng的金属电极2和3分别是铜电极和铝电极，面积约为10cm²，长宽都为32mm，倒5mm半径圆角；介电膜4采用9微米厚的聚酰亚胺膜，其长宽为40mm。柔性硅胶11型号为ecoflex-20；液体软垫采用1mm厚商业硅橡胶板12粘接封装“peg-200”13而成，总厚3mm，长宽和亚克力基板9相同；2mm厚的泡棉10为20psi聚氨酯泡棉，长宽和液体软垫相同。对于自电荷激励系统，整流二极管8型号为1n4007，瓷片电容7为10nf，采用了3个自倍压整流单元。在自倍压整流电路上还并联有三极管控制系统6，用于避免电压过高，将绝缘膜击穿。在自倍压整流电路和teng的电极之间还设置有一个切换开关1，其可以切换两个输出端和两个电极之间的连接关系。

采用上述方案，本发明的自电荷激励式结构设计使得发电机在接触分离驱动方式下以指数增加的速度，快速地产生远大于传统teng的高电荷密度和交流输出，且具有一个简单的结构。

在实施例中，泡棉通过金手指双面胶固定在液体软垫上，液体软垫通过金手指双面胶带固定在亚克力基板11上。柔性硅胶利用自身粘附性能粘附在泡棉上，电极3粘附在柔性硅胶上。聚酰亚胺膜边缘通过金手指胶带粘接固定从而附着在铝电极3上，与电极3中心对齐。电极2通过金手指双面胶带固定在亚克力基板11上。在上述方案中，弹性聚氨酯泡棉和柔性硅胶邵氏硬度为5-45psi。

为了测试发电机的输出性能，用直线电机在简谐振动模式下驱动发电机，同时用吉时利静电计(keithley6514)和吉时利七位半台式万用表(keithleydmm7510)测量发电机输出性能。

如图4a-i所示的，teng面积为10cm²时的输出数据图，通过电荷激励在未稳压和1hz驱动频率下主teng有效电荷密度达到了0.83mcm^-2(图4a)，图4b-c中主tegn有效电荷密度达到了0.72mcm^-2在1hz驱动频率和稳压下，图4e和图4f展示了在4hz驱动频率和稳压时主tegn的短路电流和电压，电流和电压都保持了一个稳定的输出，分别达到了187mam^-2和622v，这里需要说明由于自励过程需要回路中有电流的存在，因此这里的电压是在外接10mω负载19下测量得到。图4g展示了稳压和未稳压有效电荷密度随着频率的增加呈线性降低，表明了充放电时间越长有效电荷密度越大；图4h表明稳压时，随着驱动频率的增加电流和电压也随之增加，在6hz时分别达到了233mam^-2和630v。图4i表明在负载为4mω时发电机有最大输出功率35.9wm^-2。

经过试验，用实施例1中所制得发电机分别在黑色和白色环境中直接驱动了20个串联的10mm直径led灯，发出了肉眼可见的白光。同时也可以驱动340个串联的5mm直径led灯，并发出了较为明亮的灯光。

用实施例1中所制得发电机经图5a中整流电路后对电容器充电，在4hz驱动频率下，图5b显示了发电机可以直接将1μf电容在85秒内充至200v，图5c显示了发电机可以在100秒内将22μf电容充电至20v。

在上述方案中：所述三极管控制系统6用于稳定自倍压电路产生的激励电压到某一所需值和防止过高的激励电压击穿介质膜，从而适应一般性应用。所述三极管控制系统用于稳定和控制自倍压电路两端产生的激励电压，从而有效调节发电机的输出大小来实现更广泛的应用。

在上述方案中：所述绝缘介质膜4的尺寸应大于电极2和3的尺寸，以防止边缘空气击穿。主teng电极可以倒圆角或者采用圆形电极来更有效的避免电极2和电极3对介质膜4的电击穿。

在上述方案中：所述主teng电极2和3分别连接在自倍压电路的两对角输入端图1黑色圆点处。为了方便理解我们选用一个自倍压电路单元(图3a)来解释其工作原理。自电荷如图3a所示在一次循环中，为了电荷能有效的累积，电极3连接在右上角黑点端，电极2连接在左下角黑点端。不妨设初始状态下，电容为2c的主tegn中有电荷量为2q的初始电荷qi，此时，电容为c的电容15中相应的带有电荷量q。如图3b所示，当主teng分离较大时，在静电力作用下主teng对自倍压电路中电容组15充电，此时二极管16导通，二极管17和18截止，电容组处于串联状态，有近似等于2q的电荷量从主teng流入电容组15中,此时两电容各带有3q的电荷量。图3c中，当主teng接触时，二极管17和18处于导通状态，二极管16截止，此时电容组15处于并联状态，并对主teng放电，此时将有总电荷量qt为3q>2q返回到主teng电极中，从而在回路中产生一个交流输出，驱动负载19，此时激励电荷qe＝qt-qi＝q>0且与电极2初始电荷qi正负性相同；在上述原理下，主teng中的电荷将成指数形式增加，依靠接触分离中电容组串并联状态的自动切换，实现了主tegn中的电荷增加。在上述过程中，低于临界电荷密度自倍压电路两端激励电压和主teng中的最大面电荷密度有：其中σm是主teng中的面电荷密度，d是介电膜3的厚度，εr是介电膜的相对介电常数，ε0是真空介电常数。如图3d所示，当主teng中电荷密度高于临界电荷密度时，由于强电场的作用，电荷将会从电极2转移到介电膜4上表面，导致无效电荷的产生，此时有效电荷密度达到最大值，并由于自倍压电路中电压继续升高而开始快速的降低，无效电荷逐渐在介电膜4表面累积。对于自倍压过程，每个周期中回到主teng中的总电荷量有qt＝qe+qi，故仅当每个周期中qe与qi正负性相同时才能实现自激励。对发自倍压整流电路放电后，绝大部分的电荷依旧会留在介电膜4上表面，接触时qe与qi正负性相反，总电荷将逐渐降低，无法实现自激励；此时将开关1如图3e所示方式进行连接后，接触时qe与qi正负性相同,可再次实现自电荷激励；由此实现了发电机的二次启动。

在上述方案中：所述自倍压整流电路可根据需要选用不同的单元数目以达到更快的电荷增加激励速度，图1为3个自倍压整流电路单元组合构成的自倍压整流电路。

在上述方案中：所述绝缘介电膜4可以仅覆盖在一块电极表面来减少厚度和制作工艺，也可在电极2和3上各覆盖一块绝缘介电膜4和15来保护电极防止电极被腐蚀以适应更复杂的应用环境。

在上述方案中：所述介电膜4越薄，在正常大气环境中发电机有效电荷密度越大。

在上述方案中：所述电极2和3可以是金属电极也可以是石墨、导电聚合物等非金属导电材料。

在上述方案中：所述绝缘介电膜4可以是介电强度较高的塑料膜和厚度合适的晶体膜块等介电材料。

在上述方案中：所述自倍压电路中电容7和整流二极管8元件漏电流之和应小于自电荷激励摩擦发电机的平均电流，从而可以实现有效的自电荷累积。

自电荷自电荷自电荷自电荷在上述方案中：所述基板9为硬质绝缘材料或带金属基底的硬质绝缘复合材料。

图2所示是本发明另一实施例，与实施例1类似，不同之处在于，将其中的三极管管控系统替换为稳压二极管系统5，用两个型号为her104300v的整流管5串联后来反接稳压。