[發明專利]采用多元介電材料實現軟接觸的摩擦納米發電機和應用

有效

• 申請號: 202110356917.5
• 申請日: 2021-04-01
• 公開（公告）號: CN112953293B
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發明（設計）人: 李倩影;何勉;奚伊;劉文林;胡陳果;楊紅梅
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;A01C1/00;A01C1/02
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務所(普通合伙) 50211
• 代理人: 郭云;馬良清

本發明公開采用多元介電材料實現軟接觸的摩擦納米發電機和應用，包括定子和轉子，在靠近轉子的定子表面上的電極之間設置軟接觸材料，用于使定子和轉子實現軟接觸以傳遞電荷。本發明中，通過采用了軟接觸材料和軟接觸模式，在具有普通二元介電層的非接觸旋轉式摩擦納米發電機中引入聚酯纖維毛，使二元介電材料上的電荷可以通過軟接觸材料互相傳遞，補充在器件運行過程中電荷的損耗，從而提高了PFR?TENG的輸出穩定性和電壓輸出，又減少了器件的磨損。同時摩擦納米發電機產生的脈沖高壓電場用于處理植物種子，提高種子的發芽率和活力指數，促進種子的生長，進一步地擴寬摩擦納米發電機在農業領域上的應用。

技術領域

本發明涉及發電機技術領域，特別涉及采用多元介電材料實現軟接觸的摩擦納米發電機和應用。

背景技術

世界人口的快速增長對綠色和健康農產品提出了新挑戰和要求。改善種子的活力是提高農業生產力的必要技術。種子活力通常是指在田間條件下種子的出苗能力和相關生產性能以及其他指標。改善種子活力的技術手段主要包括化學處理、物理處理和種子包衣。

作為一種有效的物理處理手段，高壓脈沖電場(HVPEF)處理可以在適當的電場和處理時間下影響種子的內部響應機制，極化生物分子，并刺激種子內的活性物質以改善種子的發芽率，活力和生長。該處理技術具有三種突出的優點：首先，通過高壓脈沖電場處理，在種子萌發過程中藥物的劑量使用變少；其次，在處理之后，可以有效地改善種子生長過程中的生理化指標(如根長)；第三，高壓脈沖電場處理具有更簡單的操作步驟，使其可以真正地推廣到實際的應用中。然而，高壓脈沖電場處理需要的電壓通常達到數千伏，因此在傳統的高壓生成設備中必須采用倍壓電路，提高了成本，同時這些高壓生成設備在產生高電壓的同時還會產生大電流。因此存在意外的電流泄漏問題，這會使操作人員在處理期間面臨著致命的危險，并且大電流也會將被處理的植物種子過度刺激，導致種子壞死。此外，傳統的高壓生成設備的一些特征，例如大尺寸，高成本，不可攜帶性，也對其應用構成了巨大的挑戰。

最近，摩擦納米發電機(TENG)基于摩擦起電和靜電感應的耦合效應，可以有效地將各種環境中的機械運動轉換為電能。同時，摩擦納米發電機因為具有獨特的高電壓和低電流輸出特性使其成為理想的高電壓源。與傳統的高電壓源相比，摩擦納米發電機具有以下優點：首先，它擁有廣泛的材料選擇，靈活的結構設計，重量輕和高便攜性等特點；其次，小電流的固有輸出特性(通常在微安級別)使摩擦納米發電機能夠保證操作者和處理物的安全；此外，摩擦納米發電機能夠輕松產生高電壓(通常千伏以上)，無需復雜的倍壓電路，降低了系統的復雜性和成本。

與其他摩擦納米發電機的結構相比，旋轉式摩擦納米發電機(R-TENG)具有較高的輸出效率，連續的高輸出。然而，R-TENG摩擦層的直接接觸會導致介質層的磨損，從而使這些設備的輸出性能降低，并且機械穩定性變差；基于動物毛皮的柔性介電刷或介電層可以減少器件的磨損并增強R-TENG的耐久性，但是，它的電壓輸出還是受到其結構的限制，即使通過倍壓電路，R-TENG的穩定電壓輸出仍然低于10kV。非接觸式摩擦納米發電機(NC-TENG)，雖然避免了介電層的磨損，但是需要在介電層上進行提前起電并且在器件運行的后期也會出現電荷消散的情況，這也會降低器件的輸出和穩定性。因此，R-TENG作為高電壓源仍然面臨著不穩定的低電壓輸出和嚴重材料磨損等的挑戰。

發明內容

針對現有技術中摩擦納米發電機輸出不穩定，電壓輸出不高，器件磨損嚴重的問題，本發明提出采用多元介電材料實現軟接觸的摩擦納米發電機和應用，通過在定子上設置軟接觸材料作為介電材料，使轉子上的介電層通過軟接觸材料傳遞電荷，減少電荷損耗，從而提高輸出電壓和輸出穩定性，并將該發電機產生的高壓脈沖電場用于處理種子，促進種子的發育。

為了實現上述目的，本發明提供以下技術方案：

采用多元介電材料實現軟接觸的摩擦納米發電機，包括定子和轉子，在靠近轉子的定子表面上的電極之間設置軟接觸材料，用于使定子和轉子實現軟接觸以傳遞電荷。