外部电荷激励摩擦发电机及其方法和应用与流程

本发明涉及摩擦纳米发电领域，具体的是一种外部电荷激励摩擦发电机(ece-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具有外部电荷激励的摩擦发电机。通过外部电荷激励实现了电荷的不断自我补充从而实现大电荷输出。

本发明的技术方案如下：

一种外部电荷激励摩擦发电机，包括主teng，其特征在于：所述发电机还包括上基板、下基板、激励teng和电荷激励系统，所述激励teng和主teng的上、下电极分别安装在上、下基板上，所述电荷激励系统包括倍压整流电路和稳压调控电路，所述倍压整流电路的输出电压高于输入电压，所述倍压整流电路的输入端分别至连接激励teng的电极，所述倍压整流电路的输出端分别连接至主teng的两个电极。

优选地，在倍压整流电路中电容组可作为主tegn的电荷储存电容，或者倍压整流电路与主teng间并联一个电荷存储电容(图2)来实现更稳定的输出。

本发明的工作原理如下：在摩擦发电机接触分离过程中，激励teng电极在倍压电路的输入端产生一个交流电压v0，使倍压电路输出端产生高的激励电压ve，在其输出端供给主teng的电极，以使主teng电极上获得大电荷密度，在低于临界电荷密度时有：其中σm是主teng中的面电荷密度，d是介电膜的厚度，εr是介电膜的相对介电常数，ε0是真空介电常数。当主teng分离时，在静电力作用下，其两个电极中的电荷对倍压电路中的电容组(或者并联在倍压整流电路和主teng间的电容)充电，并将电荷存储在电容组(或所述电容)中；接触时，电容组(或所述电容)再对主teng充电，电荷重新回到主teng的电极中，从而在回路中产生一个大的交流输出，驱动负载。

本发明的优选技术方案如下：

优选地，所述外部电荷激励摩擦发电机还包括稳压调控电路，其对所述倍压整流电路进行稳压调控。

优选地，所述稳压调控电路包括连接在所述倍压整流电路输出端和主teng电极之间的稳压二极管系统；或三极管控制系统。

优选地，所述激励teng包括一个下表面贴有ptfe等摩擦电材料的金属上电极和一个下电极。

优选地，所述主teng包括金属上电极，金属下电极和覆盖于其中一个或两个电极上绝缘介电膜。

优选地，所述外部电荷激励摩擦发电机还包括复合液体软垫，所述复合液体软垫位于基板与安装在其上的电极之间。

优选地，所述倍压整流电路元件的漏电流之和小于激励teng的平均电流。该方案可以有效地产生激励电压。

优选地，所述激励teng是普通接触分离形式、具有双电极或单电极、单或双绝缘起电材料的teng。

优选地，所述主teng采用单介电层模式或者双介电层模式。

优选地，所述倍压整流电路包括多个倍压整流单元。

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。

优选地，所述复合液体软垫由液体软垫、泡棉和柔性硅胶组成。

优选地，所述激励teng的电极的面积与所述主teng电极的面积之比在0.2及以上(例如0.5)。

本发明还提供了一种外部电荷激励摩擦发电的方法，包括：激励teng产生交流电来驱动倍压整流电路，在倍压整流电路输出端产生一个高的直流激励电压供给给主teng并对其电极充电，当主tegn两电极间电容值最大时在电极上产生一个大电荷密度，当主teng两电极间电容值最小时电荷流回电荷存储电容中。当主teng电容值在最大值和最小值间周期变化时，将会在电路中产生一个大的交流电。

本发明还提供了一种包含上述的外部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、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或者结构突变监测装置)。

本发明的有益效果是：本发明的外部电荷激励摩擦发电机设计新颖合理，制作简单、成本低廉。倍压电路能产生高的激励电压使绝缘介电膜较厚时也能在电极上产生大电荷密度，采用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实现对发电机输出的调控，复合液体软垫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。在大气环境中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，实现大尺寸的应用和大功率自供能系统方面。

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-d是本发明一个实施例的工作原理示意图；

图4a-j是主teng和激励teng面积比为10cm²：5cm²时的输出数据图；

图5a-c是前述实施例的实际应用效果的图表。

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。

实施例1及其输出性能表征

本发明的实施例1，采用图1所示结构：对于激励tegn，采用50μm的ptfe膜1，电极2和电极3分别为铝电极和铜电极，面积约为5cm²，长宽分别为32和16mm，倒圆角半径5mm。上下基板11为长、宽、厚分别为68mm、45、4mm亚克力板11。对于主tegn,电极9和8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；电极9和电极8间是9微米厚的聚酰亚胺膜10，其长宽为40mm。柔性硅胶13型号为ecoflex-10；液体软垫采用1mm厚商业硅橡胶板14粘接封装“peg-200”15而成,总厚3mm，长宽和亚克力基板相同；为了更好的效果，可以采用20psi聚氨酯泡棉的泡棉12，其大小和液体软垫相同，电极3和柔性硅胶13位于泡棉12上，电极9位于柔性硅胶13上。对于电荷激励系统，整流二极管7型号为1n4007，电荷存储电容6电压为6.8nf，其余电容为2.2nf，为标准的倍压整流电路，输出电压为输入电压的6倍。在倍压整流电路和主teng的一个电极之间串联有电阻17作为负载用。三极管管控系统5连接在倍压整流电路的输出端至主teng电极之间。一种三极管管控系统5的具体实施方式如图1中的三极管5发射极和集电极连接在倍压整流电路的两个输出端之间，控制模块连接在三极管5的发射极和基极之间。根据不同的需要三极管控制系统也可以是本领域技术人员所知的其他稳压电路。

电极3通过金手指双面胶固定在泡棉12上，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9粘附在柔性硅胶上。聚酰亚胺膜边缘固定附着在铝电极9上，与电极9中心对齐。电极8通过金手指双面胶带固定在亚克力基板11上。

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。

本实施例的工作原理如图3a-d所示，图1中的倍压整流电路为3个倍压整流单元组合的电路，当输入端输入一个v0的交流电压时，输出端将会产生6v0的直流输出电压。图3a-d所示，在接触分离过程中，激励teng电极在倍压电路的输入端产生一个交流电压v0，使倍压电路输出端产生高的激励电压ve，在其输出端供给主teng的电极8和9，以使主teng电极上获得大电荷密度，在低于临界电荷密度时有：其中σm是主teng中的面电荷密度，d是介电膜10的厚度，εr是介电膜的相对介电常数，ε0是真空介电常数。当主teng分离时，在静电力作用下，8和9中的电荷对电容组16充电，并将电荷存储在电容组16中；接触时，电容组16再对主teng充电，电荷重新回到电极8和9中，从而在回路中产生一个大的交流输出，驱动负载17。

在上述方案中：所述绝缘介质膜10的尺寸应大于电极8和9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8和9对介质膜10的电击穿。

在上述方案中：所述绝缘介电膜10可以仅覆盖在一块电极表面来减少厚度和制作工艺。在不同的实施例中，例如图2的实施例中，也可在电极8和9上各覆盖一块绝缘介电膜19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：所述倍压电路中电容组16作为电荷存储电容时，电容组16的电容值应根据主teng接触时电容值选择合适的大小，一般大于其余的电容以实现电压的快速增加。

在上述方案中：所述介电膜10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：所述基板11可以是硬质绝缘材料或者带有金属基底的硬质绝缘复合材料。

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、导电聚合物和导电硅胶等非金属导电材料。

在上述方案中：所述绝缘介电膜10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。

如图4a-j所示：图4a中显示激励tegn的电荷密度测量为0.12mcm^-2；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0.81mcm^-2(图4b)，图4c-d中主tegn有效电荷密度达到了0.72mcm^-2在4hz驱动频率和稳压下，图4f和图4g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200mam^-2和817v。图4h表明未稳压时，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252mam^-2和817v。图4j表面在负载为4mω时发电机有最大输出功率38.2wm^-2。

图4a-j是主teng和激励teng面积比为10cm²：5cm²时的输出数据图。包括激励teng电荷密度图(图4a)；未稳压时主tegn电荷密度图(图4b),其中顶部的插图为有效电荷密度曲线，底部是波形放大图；稳压时主teng电荷密度曲线图(图4c)，(图4d)和(图4e)分别是稳压时有效电荷密度图和波形放大图；电流密度曲线图(图4f),其中黄色背景为波形放大图；电压曲线图(图4g)，其中黄色曲线为波形放大图；不同频率下电流密度图(图4h)和电压图(图4i)；在不同负载下的电流密度和功率密度图(图4j)。在图4a-j的图表中验证了该实施方案可以产大电荷密度。

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，用两个型号为her104300v的整流管4串联后来稳压，其电路连接如图2所示。

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80秒内充至200v，图5c显示了发电机可以在90秒内将22μf电容充电至20v。

本发明不局限于上述具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。总之，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。