[發明專利]一種彈性結構的摩擦納米發電機

在審

• 申請號: 201710010956.3
• 申請日: 2017-01-06
• 公開（公告）號: CN106787930A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 王中林;王曉峰;衣芳;牛思淼
• 申請（專利權）人: 北京納米能源與系統研究所
• 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: 羅攀,肖冰濱

技術領域

本發明涉及能量轉換領域，特別涉及一種在很寬頻率范圍內收集環境振動能量的摩擦納米發電機。

背景技術

近些年，無線傳感器網絡發展迅速，被廣泛應用在環境、安全、過程控制和健康監視等領域，改善了資源的利用效率，實現了自然環境和工程控制的智能化。但是，大量的無線傳感器節點也帶來了一些亟待解決的問題，特別是對能源的需求。隨著科技的發展，雖然電池技術性能已經得到很大改進，但是依然無法跟上無線傳感器對能源需求的增長速度。振動能量作為自然環境中普遍存在的一種機械能，受外界條件限制較少，收集利用便捷，是無線傳感器網絡替代能源的理想選擇。而在較寬頻率范圍內實現能量高效收集的納米發電機技術是解決振動能量收集與利用的重要手段。

發明內容

本發明的目的是提供一種包括彈性結構的摩擦納米發電機，利用了不同位置處發電單元的共振頻率不同，可以在很寬頻率范圍內收集環境振動能量。

本發明提供的一種彈性結構的摩擦納米發電機，包括：彈性基底、若干個發電單元和質量塊，其中

所述彈性基底為蛇形彎折的多層折疊結構，相鄰兩層基底互相連接形成U型或V型凹陷結構；

所述發電單元包括面對面設置的第一摩擦單元和第二摩擦單元，分別設置在相鄰兩層基底上；

所述質量塊與所述彈性基底的一端固定設置，在振動能量作用下，所述質量塊上下振動，彈性基底作用下使第一摩擦單元和第二摩擦單元互相接觸分離，第一摩擦單元的電極和第二摩擦單元的電極之間產生電信號。

優選的，包括多個由所述彈性基底和所述發電單元組成的彈性發電部件，多個所述彈性基底共同支撐所述質量塊。

優選的，所述發電單元中，第一摩擦單元包括設置在所述彈性基底上的第一電極層和與第一電極層接觸設置的第一摩擦層；第二摩擦單元包括設置在所述彈性基底上的第二電極層和與第二電極層接觸設置的第二摩擦層；第一摩擦層和第二摩擦層面對面設置，并且第一摩擦層和第二摩擦層的表面材料存在摩擦電極序差。

優選的，所述第一摩擦層或第二摩擦層的材料選自導體、絕緣體或半導體材料。

優選的，所述第二摩擦層選自導電材料。

優選的，所述第二摩擦層代替所述第一導電層。

優選的，同一層所述彈性基底兩側設置的摩擦單元同為第一摩擦單元或者同為第二摩擦單元。

優選的，所有發電單元的第一電極層并聯后連接至整流單元，所有發電單元的第二電極層并聯后連接至整流單元。

優選的，任意相鄰兩個所述V型或U型凹陷結構的開口方向相反。

優選的，在每個V型或U型的凹陷結構內均包括一個所述發電單元。

優選的，所述質量塊的質量為1000g～4000g，發電機的共振頻率范圍為3～30hz。

優選的，發電機的共振頻率為5～8hz時，質量塊質量為3000±200g；

或者，發電機的共振頻率為13～16hz時，質量塊質量為1500±200g。

優選的，所述彈性基底選自表面包括絕緣層的金屬薄膜材料、無機非金屬材料和有機高分子材料或其組合。

優選的，所述彈性基底的材料為聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、橡膠、聚酰亞胺薄膜或紙張。

與現有技術相比，本發明具有的有益效果是：

本發明提供的彈性結構的摩擦納米發電機，在彈性基底的支撐結構上實現了多個發電機單元的并聯，通過調整質量塊調整發電機最佳輸出頻率范圍，可以在3～30hz低頻范圍內有效將環境振動能量轉換為電能。摩擦納米發電機具有結構簡單緊湊，制備方法簡便，輸出功率大，工作頻率范圍寬等特點，在車載傳感器供電、大型裝備健康狀況監控，無線傳感網絡節點、環境氣象監測、環境水質監測等領域有著廣泛的應用前景。

附圖說明

通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特征和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發明的主旨。

圖1為本發明的彈性結構的摩擦納米發電機的結構示意圖；

圖2為彈性結構的摩擦納米發電機的發電單元的結構示意圖；

圖3為摩擦納米發電機的彈性基底的結構示意圖；

圖4為摩擦納米發電機包括多個彈性發電部件的結構示意圖；

圖5為一個具體實施例的摩擦納米發電機采用不同質量塊時的輸出測試結果。

具體實施方式