[發(fā)明專利]一種基于壓電摩擦電磁的復(fù)合納米發(fā)電機(jī)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310099750.4
• 申請(qǐng)日: 2013-03-26
• 公開（公告）號(hào): CN103178744A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張曉升;張海霞;韓夢(mèng)迪;孫旭明;朱福運(yùn);劉雯
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N1/04
• 分類號(hào): H02N1/04
• 代理公司: 北京市商泰律師事務(wù)所 11255
• 代理人: 毛燕生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于壓電摩擦電磁的復(fù)合納米發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著人口的快速增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，能源問(wèn)題業(yè)已成為限制人類社會(huì)發(fā)展的桎梏。隨著儲(chǔ)量有限的傳統(tǒng)化石燃料（煤、石油和天然氣等）日益消耗殆盡，國(guó)內(nèi)外研究人員紛紛把目光投向各種新型能量，其中，專為微小型器件和系統(tǒng)供能的納米發(fā)電機(jī)一經(jīng)提出，即受到廣泛持續(xù)的關(guān)注，被譽(yù)為引領(lǐng)微納米能源發(fā)展的主導(dǎo)，是解決能源危機(jī)的有效手段。2006年美國(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林教授研究組利用氧化鋅納米線將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，成功實(shí)現(xiàn)了壓電式納米發(fā)電機(jī)[Zhonglin?Wang,et?al.Science,vol.312,pp.5771,2006；Xudong?Wang,et?al.Science,vol.316,pp.5821,2007；Yong?Qin,et?al.Nature,vol.451,pp.7180,2008]，并首次提出了納米發(fā)電機(jī)的概念。隨后，基于壓電特性[Liwei?Lin,et?al.Nano?Lett.,vol.10,pp.726,2010]、基于摩擦特性[Zhonglin?Wang,et?al.Nano?energy,vol.1,pp.328,2012；Haixia?Zhang,et?al,Nano?Lett.,vol.13,pp.?1168,2013]和基于熱釋電特性[Zhonglin?Wang,et?al,Nano?Lett.,vol.12,pp.2833,2012]等的納米發(fā)電機(jī)被陸續(xù)研制成功。但上述基于單一特性的納米發(fā)電機(jī)，均受到不同的制約和限制，如：基于壓電特性的納米發(fā)電機(jī)輸出電量高，充電能力強(qiáng)，但輸出電壓不高；基于摩擦特性的納米發(fā)電機(jī)輸出電壓高，但輸出電流小，且輸出脈沖寬度窄，充電能力弱；基于熱釋電的納米發(fā)電機(jī)，響應(yīng)速度慢，輸出小。

為解決上述問(wèn)題，收集多種類型能量的復(fù)合發(fā)電機(jī)被研制出來(lái)[Zhonglin?Wang,et?al,Nano?Lett.,vol.13,pp.803,2013]。復(fù)合發(fā)電機(jī)集成了不同能量采集方式的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)互補(bǔ)的方式實(shí)現(xiàn)高性能納米發(fā)電機(jī)。但傳統(tǒng)復(fù)合納米發(fā)電機(jī)輸出性能仍然不高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)持續(xù)供能，且供電充電能力弱，需要外接電路（如整流濾波電路等）才能供給微電子器件和系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接供能，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足微系統(tǒng)的供能需求。目前，實(shí)現(xiàn)壓電、摩擦和電磁這三種能量采集方式一體集成的復(fù)合納米發(fā)電機(jī)還未見報(bào)道。此外，各類已有納米發(fā)電機(jī)主要采集人體運(yùn)動(dòng)等低頻機(jī)械能，采集自然界中儲(chǔ)量豐富的可再生能量（如風(fēng)能、水能等）還未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于壓電摩擦電磁的復(fù)合納米發(fā)電機(jī)，將三種能量采集方式—壓電、摩擦和電磁，結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)高性能納米發(fā)電機(jī)。利用壓電式納米發(fā)電機(jī)高電量，與摩擦式納米發(fā)電機(jī)高電壓，以及電磁式連續(xù)高輸出的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成壓電摩擦電磁復(fù)合納米發(fā)電機(jī)，解決了傳統(tǒng)單一形式及復(fù)合形式納米發(fā)電機(jī)輸出功率小的缺陷。通過(guò)在摩擦材料表面制備微納米結(jié)構(gòu)，增加了有效摩擦面積，進(jìn)一步提高了器件輸出性能。利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)摩擦材料實(shí)現(xiàn)摩擦，且同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電材料的擠壓，以及線圈切割磁極間磁感應(yīng)線，從而輕易收集風(fēng)能水能等儲(chǔ)量巨大的清潔能源，且實(shí)現(xiàn)連續(xù)能量輸出。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出的一種基于壓電摩擦電磁的復(fù)合納米發(fā)電機(jī)，包括外殼，轉(zhuǎn)子。在轉(zhuǎn)子外側(cè)相對(duì)應(yīng)位置上，沿軸向設(shè)置有一對(duì)突起的扣罩式摩擦層。在外殼內(nèi)側(cè)相對(duì)應(yīng)位置上，沿軸向也設(shè)置有一對(duì)突起的扣罩式壓電層。同時(shí)，在外殼內(nèi)側(cè)，位于所述的一對(duì)壓電層之間的位置，設(shè)置有相對(duì)應(yīng)的一對(duì)磁極。

本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是：

1、本發(fā)明提出的一種基于壓電摩擦電磁的復(fù)合納米發(fā)電機(jī)，將基于壓電的能量采集方式的高電量特性，與基于摩擦的能量采集方式的高電壓特性，以及基于電磁的能量采集方式的連續(xù)高輸出特性相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以實(shí)現(xiàn)高電壓高電流，即高功率高輸出的納米發(fā)電機(jī)。

2、本發(fā)明提出的一種基于壓電摩擦電磁的復(fù)合納米發(fā)電機(jī)，在摩擦材料表面通過(guò)倒模或壓印的工藝制備了微納米陣列結(jié)構(gòu)，極大地提高了摩擦效率和有效摩擦面積，從而極大地提高了輸出。

3、本發(fā)明提出的一種基于壓電摩擦電磁的復(fù)合納米發(fā)電機(jī)，利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓電輸出、摩擦輸出和電磁輸出，從而可以輕松地采集風(fēng)能和水能，提供了一種新型的從大自然采集能量的方式。