一种收集流体流动能量的摩擦发电机的制作方法
【专利摘要】本发明涉及发电机技术领域，公开了一种收集流体流动能量的摩擦发电机，所述摩擦发电机包括：第一摩擦发电单元(1)；第二摩擦发电单元(2)，对应所述第一摩擦发电单元(1)设置，用于在流体流过时发生弹性振动，并在振动过程中与第一摩擦发电单元(1)接触或者分离，且在接触和分离的过程中，所述第二摩擦发电单元(2)与第一摩擦发电单元(1)之间产生摩擦电势差；以及固定单元(3)，用于将所述第二摩擦发电单元(2)的两端固定在所述第一摩擦发电单元(1)上，使所述第二摩擦发电单元(2)在静止时与第一摩擦发电单元(1)之间具有一设定间隙。本发明收集流体流动能量的摩擦发电机可提供高频电信号输出。
【专利说明】
一种收集流体流动能量的摩擦发电机
技术领域
[0001]本发明涉及发电机技术领域，具体地，涉及一种收集流体流动能量的摩擦发电机。
【背景技术】
[0002]近年来，基于摩擦起电和静电感应的摩擦发电机的深入研究，在收集流体流动如风能的摩擦发电机方面也取得较大进展。但目前的应用主要集中在低频阶段，发电机的输出信号一般都低于2000Hz。这些低频的摩擦发电机普遍存在着输出电压高、输出电流低的特点，需要设计管理电路进行变压转化，在转化过程中不可避免的将损失很多能量。因此如何直接得到高频的电信号是摩擦发电机设计中亟需解决的问题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种收集流体流动能量的摩擦发电机，该摩擦发电机可提高输出电信号的频率。
[0004]为了实现上述目的，本发明提供一种收集流体流动能量的摩擦发电机，所述摩擦发电机包括:第一摩擦发电单元；第二摩擦发电单元，对应所述第一摩擦发电单元设置，用于在流体流过时发生弹性振动，并在振动过程中与第一摩擦发电单元接触或者分离，且在接触和分离的过程中，所述第二摩擦发电单元与第一摩擦发电单元之间产生摩擦电势差；以及固定单元，用于将所述第二摩擦发电单元的两端固定在所述第一摩擦发电单元上，使所述第二摩擦发电单元在静止时与第一摩擦发电单元之间具有一设定间隙。
[0005]优选地，所述设定间隙为0.lmm-0.5mm。
[0006]优选地，所述第一摩擦发电单元包括:摩擦层，用于与所述第二摩擦发电单元接触时，产生摩擦电荷；以及导电层，设置于所述摩擦层的表面，用于传导所述摩擦层上的电荷。
[0007]优选地，所述第一摩擦发电单元还包括:支撑层，设置在所述导电层的表面。
[0008]优选地，所述第二摩擦发电单元包括:摩擦导电层，用于与所述摩擦层接触，产生摩擦电荷，并与所述导电层之间形成电势差。
[0009]优选地，所述摩擦导电层和/或导电层的厚度大于20nm，小于Imm0
[0010]优选地，所述摩擦层与摩擦导电层的材料之间存在摩擦电极序差异。
[0011]优选地，所述摩擦层和/或摩擦导电层具有微纳米结构层。
[0012]优选地，所述第二摩擦发电单元还包括:隔离层，设置在所述摩擦导电层的表面，用于在发生弹性振动时，带动所述摩擦导电层振动。
[0013]优选地，所述隔离层和/或摩擦层的厚度大于20nm，小于1mm。
[0014]优选地，所述隔离层的材料为绝缘材料。
[0015]优选地，所述隔离层为弹性材料，且所述弹性材料的弹性模量为0.5GPa至lOGPa。
[0016]优选地，所述摩擦层选自下列材料中的一种或者几种:四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸二乙醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙稀、对二甲苯环二体、乙烯一醋酸乙烯酯共聚物、全氟(乙烯一丙烯)共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物、氯乙烯一醋酸乙烯共聚物；所述导电层和/或摩擦导电层的材料为金属。
[0017]优选地，所述第一摩擦发电单元的数量为两个，所述第二摩擦发电单元设置于两个所述第一摩擦发电单元之间；且所述第二摩擦发电单元中的所述摩擦导电层的数量为两个，每个所述摩擦导电层对应一个所述摩擦层设置。
[0018]优选地，所述第二摩擦发电单元的长度为10mm-20mm，宽度为2mm-4mm。
[0019]本发明收集流体流动能量的摩擦发电机通过固定单元的设置，将第二摩擦发电单元的两端固定在第一摩擦发电单元上，所述第二摩擦发电单元在静止时与第一摩擦发电单元之间具有一设定间隙，在振动过程中，所述第二摩擦发电单元能够与所述第一摩擦发电单元接触或分离，使得所述第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元之间形成电势差，同时，随着第二摩擦发电单元的振动，可获得高频电信号输出。
[0020]本发明的其它特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0021]附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的【具体实施方式】一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0022]图1是本发明收集流体流动能量的摩擦发电机的结构示意图；
[0023]图2a_图2b是本发明收集流体流动能量的摩擦发电机输出的电信号的波形图；
[0024]图3是本发明收集流体流动能量的摩擦发电机输出的电压和功率密度波形图。
[0025]附图标记说明
[0026]I 第一摩擦发电单元11 支撑层
[0027]12 导电层13 摩擦层
[0028]2 第二摩擦发电单元21 隔离层
[0029]22 摩擦导电层3 固定单元。
【具体实施方式】
[0030]以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0031 ] 在本发明中，在未作相反说明的情况下，本发明中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
[0032]如图1所示，本发明收集流体流动能量的摩擦发电机包括:第一摩擦发电单元I ;第二摩擦发电单元2，对应所述第一摩擦发电单元I设置，用于在流体流过时发生弹性振动，并在振动过程中与第一摩擦发电单兀I接触或者分尚，且在接触和分尚的过程中，所述第二摩擦发电单元2与第一摩擦发电单元I之间产生摩擦电势差；以及固定单元3，用于将所述第二摩擦发电单元2的两端固定在所述第一摩擦发电单元I上，使所述第二摩擦发电单元2在静止时与第一摩擦发电单元I之间具有一设定间隙。其中，所述设定间隙为0.lmm-0.5mmο
[0033]本发明收集流体流动能量的摩擦发电机通过固定单元的设置，将第二摩擦发电单元的两端固定在第一摩擦发电单元上，所述第二摩擦发电单元在静止时与第一摩擦发电单元之间具有一设定间隙，在振动过程中，所述第二摩擦发电单元能够与所述第一摩擦发电单元接触或分离，使得所述第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元之间的电势差增强，获得高电压低电流的电信号，同时可提高电信号的输出频率。
[0034]本发明收集流体流动能量的摩擦发电机可用于收集由流体如气体流动产生的机械能，例如风能，但并不以此为限。
[0035]如图1所示，本发明收集流体流动能量的摩擦发电机还连接有电流表。虽然图中所示的为电流表，但本领域技术人员应当理解，还可以根据实际需要替换为相应的检测装置或者负载，例如检测电压的电压表等。
[0036]如图1所示，所述第一摩擦发电单元I包括摩擦层13，用于与所述第二摩擦发电单元接触，产生摩擦电荷；以及导电层12，设置于所述摩擦层13的表面，用于传导所述摩擦层13上的电荷。
[0037]其中，所述摩擦层13可为绝缘材料，优选为有机高分子薄膜材料。优选地，所述有机高分子薄膜材料可选自下列材料中的一种或者几种:四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸二乙醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、对二甲苯环二体、乙烯一醋酸乙烯酯共聚物、全氟(乙烯一丙烯)共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物、氯乙烯一醋酸乙烯共聚物。其中，所述摩擦层13的厚度大于20 μ m，小于0.5 mm ;所述导电层12的厚度小于20nm，大于1mm。
[0038]如图1所示，所述第一摩擦发电单元I还包括支撑层11，设置在所述导电层12的表面，为所述导电层12和摩擦层13提供支撑。
[0039]所述第二摩擦发电单元2包括:摩擦导电层22，用于与所述摩擦层12接触，产生摩擦电荷，并与所述导电层12之间形成电势差。所述摩擦导电层22的厚度小于20nm，大于Imm0
[0040]所述摩擦层13与摩擦导电层22的材料之间存在摩擦电极序差异，使得所述摩擦层13与摩擦导电层22接触时，产生极性相反且电量相同的电荷。
[0041]为增大接触面积，增强电势差的强度，所述摩擦层13和/或摩擦导电层22表面具有微纳米结构层。所述微纳米结构层可以为纳米线、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，或者上述微结构形成的阵列。
[0042]其中，所述导电层12和/或摩擦导电层22的材料可选自金属。优选地，所述金属可为铜、铝、金、银、铂、镍。此外，所述导电层12和/或摩擦导电层22可以通过磁控溅射、电子束蒸发或印刷打印技术来制作。
[0043]如图1所示，所述第二摩擦发电单元2还包括:隔离层21，设置在所述摩擦导电层22的表面，用于在发生弹性振动时，带动所述摩擦导电层22振动。所述隔离层21为弹性材料，且所述弹性材料的弹性模量可以为0.5GPa至lOGPa。其中，所述摩擦导电层22完全覆盖所述隔离层21的表面，以增大接触面积。所述隔离层21的材料为绝缘材料。优选地，所述绝缘材料可为有机高分子薄膜材料，所述有机高分子薄膜材料可选自四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸二乙醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、对二甲苯环二体、乙烯一醋酸乙烯酯共聚物、全氟(乙烯一丙烯)共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物、氯乙烯一醋酸乙烯共聚物。此外，所述隔离层21厚度大于20 μπι，小于0.5 mm。且所述第二摩擦发电单元2的长度为10mm-20mm，宽度为2mm-4mmo
[0044]其中，所述固定单元3设置于第一摩擦发电单元I和第二摩擦发电单元2之间，用于固定所述第二摩擦发电单元2的两端，以支撑所述第二摩擦发电单元2。其中，支撑所述第二摩擦发电单元2两端的固定单元3的高度可以相等，也可以不相等，一般可为
0.lmm-0.5mm，此时输出的信号频率较高，为10000Hz。
[0045]例如，当具有一定强度的风流经所述第二摩擦发电单元2时，所述第二摩擦发电单元2发生弹性形变，所述第二摩擦发电单元2与所述第一摩擦发电单元I发生接触一分离，所述摩擦层13与摩擦导电层22之间产生等量的异号电荷，进而在导电层12和摩擦导电层22上形成电势差，可通过外接电路输出电信号。其中，风速强度一般为0.3MPa-10MPa。当风速强度为0.3MPa，第二摩擦发电单元2的长度为10mm、宽度为2mm，设定间隙为0.3mm时，对外输出的电压接近8v(如图2a所示)，电流最高可达到30 μ A(如图2b所示)，信号频率均为10000Hz。
[0046]在本实例中，所述第一摩擦发电单元I的数量为两个，所述第二摩擦发电单元2设置于两个所述第一摩擦发电单元I之间；且所述第二摩擦发电单元2中的摩擦导电层22的数量为两个，则每个所述摩擦导电层22对应一个所述摩擦层13设置。所述隔离层21设置于两个所述摩擦导电层22之间，用于防止两个所述摩擦导电层22的相互干扰，从而形成双电极发电机。
[0047]在振动过程中，所述第二摩擦发电单元可向上或向下分别与所述第一摩擦发电单元接触或分离，从而可产生两组互不干扰的电势差信号。可通过外接电路，叠加输出的电信号，以提高输出的电信号的强度。如图3所示为本发明收集流体流动能量的摩擦发电机连接一外接电路时的输出信号，其中，根据图3(其中，“〇”表示在特定电阻下的功率密度；“ □”表示在特定电阻下的电压)所示:在外接电路的电阻为ιο5ω时，功率密度最大，且输出电压逐渐平稳，则可得出所述摩擦发电机的内阻为15 Ω，内阻相对较小，可降低能量损失，提高能量的转化效率。
[0048]下面以具体实施例详细介绍本发明收集流体流动能量的摩擦发电机的制备以及工作过程。
[0049]切割2mm厚的亚克力板，获得长度为30mm的板块，选取距左右边缘处10mm，宽度为10mm，中间的长度为1mm的位置为第二摩擦发电单元弹性振动的部分，左右两端的1mm长度位置放置固定单元，固定单元的尺寸分别为lOmmX1mm，厚度0.3mm，其中，使用到的四个固定单元的厚度均相同。第一摩擦发电单元中的摩擦层采用聚二甲基硅氧烷，厚度为200微米，在聚二甲苯硅氧烷的一个表面磁控溅射铝，为导电层，厚度为150纳米。第二摩擦发电单元中的隔离层采用50微米的聚酰亚胺薄膜，在隔离层的上下两面均采用磁控溅射的方式制备摩擦导电层，摩擦导电层也为铝，厚度为200纳米。当压缩空气强度为0.4MPa且以10m/s的速率通过第二摩擦单元时，第二摩擦发电单元发生弹性形变，摩擦导电层上下振动分别与摩擦层发生接触一分离，进而对外输出1kHz的电信号。
[0050] 当压缩空气强度为0.45MPa且以10m/s的速率通过第二摩擦单元时，第二摩擦单元在发生颤振，第二摩擦单元和第一摩擦发电单元上下表面的第一摩擦单元发生接触分离，进而对外输出18kHz的电信号。
[0051 ] 本发明收集流体流动能量的摩擦发电机可将流体流动产生的部分振动机械能有效转变为电能，结构简单、体积小且具有可变性，制作方便，成本较低。此外相比现有的风力摩擦发电机，本发明收集流体流动能量的摩擦发电机实现了高频信号的输出，可以直接得到较高的输出电流和相对较低的输出电压，避免了复杂管理电路的使用。
[0052]以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0053]另外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0054]此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
【主权项】
1.一种收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦发电机包括: 第一摩擦发电单元(I); 第二摩擦发电单元(2)，对应所述第一摩擦发电单元(I)设置，用于在流体流过时发生弹性振动，并在振动过程中与第一摩擦发电单兀(I)接触或者分尚，且在接触和分尚的过程中，所述第二摩擦发电单元(2)与第一摩擦发电单元(I)之间产生摩擦电势差；以及 固定单元(3)，用于将所述第二摩擦发电单元(2)的两端固定在所述第一摩擦发电单元(I)上，使所述第二摩擦发电单元(2)在静止时与第一摩擦发电单元(I)之间具有一设定间隙。2.根据权利要求1所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述设定间隙为 0.lmm-0.5mm。3.根据权利要求1或2所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦发电单元⑴包括: 摩擦层(13)，用于与所述第二摩擦发电单元(2)接触时，产生摩擦电荷；以及 导电层(12)，设置于所述摩擦层(13)的表面，用于传导所述摩擦层(13)上的电荷。4.根据权利要求3所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦发电单元⑴还包括: 支撑层(11)，设置在所述导电层(12)的表面。5.根据权利要求3或4所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述第二摩擦发电单元⑵包括: 摩擦导电层(22)，用于与所述摩擦层(13)接触，产生摩擦电荷，并与所述导电层(12)之间形成电势差。6.根据权利要求5所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦导电层(22)和/或导电层(12)的厚度大于20nm，小于1mm。7.根据权利要求5或6所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦层(13)与摩擦导电层(22)的材料之间存在摩擦电极序差异。8.根据权利要求5-7中任一项所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦层(13)和/或摩擦导电层(22)表面具有微纳米结构层。9.根据权利要求5-8中任一项所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述第二摩擦发电单元(2)还包括: 隔离层(21)，设置在所述摩擦导电层(22)的表面，用于在发生弹性振动时，带动所述摩擦导电层(22)振动。10.根据权利要求9所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述隔离层(21)和/或摩擦层(13)的厚度大于20nm，小于Imm011.根据权利要求9或10所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述隔离层(21)的材料为绝缘材料。12.根据权利要求9-11中任一项所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述隔离层(21)为弹性材料，且所述弹性材料的弹性模量为0.5GPa至lOGPa。13.根据权利要求5-12中任一项所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦层(13)选自下列材料中的一种或者几种:四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸二乙醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、对二甲苯环二体、乙烯一醋酸乙烯酯共聚物、全氟(乙烯一丙烯)共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物、氯乙烯一醋酸乙烯共聚物； 所述导电层(12)和/或摩擦导电层(22)的材料为金属。14.根据权利要求5-13中任一项所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述第一摩擦发电单元(I)的数量为两个，所述第二摩擦发电单元(2)设置于两个所述第一摩擦发电单元(I)之间；且所述第二摩擦发电单元(2)中的所述摩擦导电层(22)的数量为两个，每个所述摩擦导电层(22)对应一个所述摩擦层(13)设置。15.根据权利要求1-14中任一项所述的收集流体流动能量的摩擦发电机，其特征在于，所述第二摩擦发电单元(2)的长度为10mm-20mm，宽度为2mm-4mm。
【文档编号】H02N1/04GK105991060SQ201510071258
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月11日
【发明人】杨亚, 王书华, 王中林
【申请人】北京纳米能源与系统研究所