[發明專利]靜電脈沖發電機和直流脈沖發電機

有效

• 申請號: 201210287342.7
• 申請日: 2012-08-13
• 公開（公告）號: CN103368447A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 王中林;朱光;潘曹峰
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 肖冰濱;南毅寧

技術領域

本發明涉及一種發電機，特別涉及將運動、振動、流體等自然存在的機械能轉化為電能的靜電脈沖發電機和直流脈沖發電機。

背景技術

在微電子和材料技術高速發展的今日，大量新型具有多種功能和高度集成化的微型電子器件不斷被開發出來，并在人們日常生活的各個領域展現出前所未有的應用前景。然而，和這些微型電子器件所匹配的電源系統的研究卻相對滯后，一般說來，這些微型電子器件的電源都是直接或者間接來自于電池。電池有三點難以克服的局限性，第一是較大的體積和較重的質量，使得整個電子系統難以實現小型化；第二是有限的壽命，特別是對于由大量分散的傳感器所組成的網絡，有限的電池壽命將帶來極高的維護成本；第三是有毒化學物質對環境和人體潛在的危害。因此，開發出能將運動、振動、流體等自然存在的機械能轉化為電能從而實現無需外接電源的微型器件的技術具有極其重要的意義。

目前，機械能轉化為電能的發電機所利用的原理主要有靜電感應，電磁感應和特殊材料的壓電性能等。然而，已經發明的靜電感應發電機存在體積大，適用性窄等缺點，而電磁感應發電機和壓電發電機則普遍存在結構復雜，對材料有特殊要求和成本較高等缺陷。

發明內容

本發明的目的是提供一種將運動、振動、流體等自然存在的機械能轉化為電能的結構簡單的靜電脈沖發電機，為微型電子器件提供匹配的電源。

為實現上述目的，本發明提供一種靜電脈沖發電機，所述發電機具有層狀結構，依次包括第一電極層、第一絕緣層、絕緣支撐體、第二絕緣層和第二電極層，其中，

所述第一絕緣層與第二絕緣層的材料存在摩擦電極序差；

所述絕緣支撐體使所述第一絕緣層與第二絕緣層之間形成空隙，在外力作用下，所述第一絕緣層與第二絕緣層互相接觸。

優選地，所述第一絕緣層或第二絕緣層面向所述空隙的表面包括納米線或納米棒陣列，所述納米線或納米棒基本垂直與所述第一絕緣層或第二絕緣層的表面。

優選地，所述第一絕緣層和/或第二絕緣層面向所述空隙的表面經過化學改性，使兩個絕緣層中極性為正的薄膜層表面引入易失電子的官能團，或者在極性為負的材料表面引入易得電子的官能團。

優選地，所述第一絕緣層和/或第二絕緣層為絕緣薄膜層。

優選地，所述第一絕緣層和/或第二絕緣層為彈性材料，在周期性外力的作用下，所述第一絕緣層與第二絕緣層周期性接觸。

優選地，所述絕緣支撐體為彈性材料，在周期性外力的作用下，所述第一絕緣層與第二絕緣層周期性接觸。

優選地，所述第一絕緣層、第二絕緣層和/或絕緣支撐體為彈性材料，在周期性外力的作用下，所述第一絕緣層與第二絕緣層周期性接觸。

優選地，所述第一絕緣層和/或第二絕緣層的材料為無機非金屬材料、有機高分子材料或其組合。

優選地，所述第一絕緣層為厚度為2微米的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜層，所述第二絕緣層為厚度為50微米的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，并且所述第二絕緣層在面向所述空隙的表面包括長度約為1.5微米的聚酰亞胺納米棒陣列，所述納米棒基本垂直與所述第二絕緣層。

優選地，所述絕緣支撐體為聚酰亞胺雙面膠。

優選地，所述外力包括低頻機械沖擊和高頻機械振動。

相應地，本發明還提供一種直流脈沖發電機，包括本發明所述的靜電脈沖發電機和全橋整流器，所述靜電脈沖發電機的輸出端與所述全橋整流器的輸入端連接。

與現有技術相比，本發明具有的有益效果是：

本發明提供一種靜電脈沖發電機，所述發電機具有層狀結構，依次包括第一電極層、第一絕緣層、絕緣支撐體、第二絕緣層和第二電極層，其中，所述第一絕緣層與第二絕緣層的材料存在摩擦電極序差；所述絕緣支撐體使所述第一絕緣層與第二絕緣層之間形成空隙，在外力作用下，所述第一絕緣層與第二絕緣層互相接觸。由于第一絕緣層與第二絕緣層的材料存在摩擦電極序差，本發明的靜電脈沖發電機利用第一絕緣層與第二絕緣層在外力作用下接觸時所產生的接觸電荷和第一絕緣層與第二絕緣層之間的中空結構的設計，在第一電極層和第二電極層之間形成電勢差。在周期性外力的作用下，第一絕緣層與第二絕緣層發生周期性接觸和分開兩個過程，分別產生方向相反的脈沖電流。

本發明的靜電脈沖發電機結構簡單，制備方法簡單，對材料無特殊要求，具有廣泛的實際用途。另外，與全橋整流器結合可以形成直流脈沖發電機，直接用于電化學領域的多種用途，其不僅可以作為脈沖電源直接應用于電化學領域，還可以為電容器或者鋰離子電池充電，為各種小型便攜式電子器件提供所需電力。