本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，特別涉及一種在很寬頻率范圍內(nèi)收集環(huán)境振動能量的摩擦納米發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：

近些年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用在環(huán)境、安全、過程控制和健康監(jiān)視等領(lǐng)域，改善了資源的利用效率，實現(xiàn)了自然環(huán)境和工程控制的智能化。但是，大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(fā)展，雖然電池技術(shù)性能已經(jīng)得到很大改進(jìn)，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(huán)境中普遍存在的一種機(jī)械能，受外界條件限制較少，收集利用便捷，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)替代能源的理想選擇。而在較寬頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)能量高效收集的納米發(fā)電機(jī)技術(shù)是解決振動能量收集與利用的重要手段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種包括彈性結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)，利用了不同位置處發(fā)電單元的共振頻率不同，可以在很寬頻率范圍內(nèi)收集環(huán)境振動能量。

本發(fā)明提供的一種彈性結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)，包括：彈性基底、若干個發(fā)電單元和質(zhì)量塊，其中

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

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

所述質(zhì)量塊與所述彈性基底的一端固定設(shè)置，在振動能量作用下，所述質(zhì)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(chǎn)生電信號。

優(yōu)選的，包括多個由所述彈性基底和所述發(fā)電單元組成的彈性發(fā)電部件，多個所述彈性基底共同支撐所述質(zhì)量塊。

優(yōu)選的，所述發(fā)電單元中，第一摩擦單元包括設(shè)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(shè)置的第一摩擦層；第二摩擦單元包括設(shè)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(shè)置的第二摩擦層；第一摩擦層和第二摩擦層面對面設(shè)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(yōu)選的，所述第一摩擦層或第二摩擦層的材料選自導(dǎo)體、絕緣體或半導(dǎo)體材料。

優(yōu)選的，所述第二摩擦層選自導(dǎo)電材料。

優(yōu)選的，所述第二摩擦層代替所述第一導(dǎo)電層。

優(yōu)選的，同一層所述彈性基底兩側(cè)設(shè)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(yōu)選的，所有發(fā)電單元的第一電極層并聯(lián)后連接至整流單元，所有發(fā)電單元的第二電極層并聯(lián)后連接至整流單元。

優(yōu)選的，任意相鄰兩個所述V型或U型凹陷結(jié)構(gòu)的開口方向相反。

優(yōu)選的，在每個V型或U型的凹陷結(jié)構(gòu)內(nèi)均包括一個所述發(fā)電單元。

優(yōu)選的，所述質(zhì)量塊的質(zhì)量為1000g～4000g，發(fā)電機(jī)的共振頻率范圍為3～30hz。

優(yōu)選的，發(fā)電機(jī)的共振頻率為5～8hz時，質(zhì)量塊質(zhì)量為3000±200g；

或者，發(fā)電機(jī)的共振頻率為13～16hz時，質(zhì)量塊質(zhì)量為1500±200g。

優(yōu)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(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料或其組合。

優(yōu)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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：

本發(fā)明提供的彈性結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)，在彈性基底的支撐結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了多個發(fā)電機(jī)單元的并聯(lián)，通過調(diào)整質(zhì)量塊調(diào)整發(fā)電機(jī)最佳輸出頻率范圍，可以在3～30hz低頻范圍內(nèi)有效將環(huán)境振動能量轉(zhuǎn)換為電能。摩擦納米發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)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(diǎn)，在車載傳感器供電、大型裝備健康狀況監(jiān)控，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、環(huán)境氣象監(jiān)測、環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)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(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。

圖1為本發(fā)明的彈性結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為彈性結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為摩擦納米發(fā)電機(jī)的彈性基底的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為摩擦納米發(fā)電機(jī)包括多個彈性發(fā)電部件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為一個具體實施例的摩擦納米發(fā)電機(jī)采用不同質(zhì)量塊時的輸出測試結(jié)果。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種在很寬頻率范圍內(nèi)收集環(huán)境振動能量的摩擦納米發(fā)電機(jī)，該摩擦納米發(fā)電機(jī)包括多個折疊結(jié)構(gòu)的發(fā)電單元，并可通過質(zhì)量塊調(diào)整共振頻率范圍，在3hz到30hz的寬頻范圍內(nèi)的振動能量有效轉(zhuǎn)化為電能。

為了便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的具體實施方式。

參見圖1，本實施例的彈性結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)，包括彈性基底1、若干個發(fā)電單元和質(zhì)量塊5，其中：彈性基底1為蛇形彎折的多層折疊結(jié)構(gòu)，相鄰兩層基底互相連接形成U型凹陷結(jié)構(gòu)；發(fā)電單元包括面對面設(shè)置的第一摩擦單元2和第二摩擦單元3，分別設(shè)置在相鄰兩層基底1上，即U型凹陷結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的兩層相鄰的基底分別支撐發(fā)電單元的一個摩擦單元，彈性基底1和發(fā)電單元組成彈性發(fā)電部件；質(zhì)量塊5與彈性基底1的一端固定設(shè)置，在振動能量作用下，質(zhì)量塊5上下振動，使彈性基底1發(fā)生形變使第一摩擦單元2和第二摩擦單元3互相接觸并發(fā)生表面電荷轉(zhuǎn)移，并且在彈性基底1的剛度(彈性)作用下第一摩擦單元2和第二摩擦單元3互相分離，第一摩擦單元2的電極和第二摩擦單元3的電極之間產(chǎn)生交流脈沖電信號?？梢酝ㄟ^導(dǎo)線4將多個發(fā)電單元的輸出電信號進(jìn)行并聯(lián)后作為一個統(tǒng)一的輸出信號。

參見圖2，發(fā)電單元中，第一摩擦單元2可以包括設(shè)置在彈性基底1上的第一電極層22和與第一電極層22接觸設(shè)置的第一摩擦層21；第二摩擦單元3可以包括設(shè)置在彈性基底1上的第二電極層32和與第二電極層32接觸設(shè)置的第二摩擦層31；第一摩擦層21和第二摩擦層22面對面設(shè)置，并且第一摩擦層21和第二摩擦層22的表面材料存在摩擦電極序差。在質(zhì)量塊5的作用下第一摩擦單元2和第二摩擦單元3互相接觸，由于二者的表面材料存在摩擦電極序差，會在兩個摩擦層表面產(chǎn)生表面電荷，互相分離后，由于靜電感應(yīng)作用，在第一電極層22和第二電極層23之間產(chǎn)生電荷流動。彈性基底的兩層之間互相靠近和遠(yuǎn)離，在發(fā)電單元的第一電極層22和第二電極層23之間產(chǎn)生交流電信號，將多個發(fā)電單元的電信號經(jīng)過整流后并聯(lián)即可形成有效的電輸出。

彈性基底材料的選擇需要考慮到輕量化和柔性，蛇形彎折的層疊狀基片1的各層之間的距離可以在質(zhì)量塊受到振動的作用力下往復(fù)變化?？梢赃x擇剛性較好的表面包括絕緣層的金屬薄膜材料、無機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料或其組合，如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、橡膠、紙張、聚酰亞胺薄膜或表面涂覆有絕緣涂層的金屬鋁片等彈性膜材料折疊而成，這種結(jié)構(gòu)的彈性基底具有類似彈簧的特性。

對于彈性基底的蛇形彎折形狀，不嚴(yán)格限定為本實施例所述的U型，近似U即可，也可以為V型。

參見圖3，彈性基底1為蛇形彎折狀層疊結(jié)構(gòu)，所述層疊結(jié)構(gòu)至少為三層，任意相鄰兩層之間互相連接形成V型或U型凹陷結(jié)構(gòu)。彈性基底包括V型或U型凹陷結(jié)構(gòu)的數(shù)量視情況可變。具體參見圖3中a圖所示，彈性基底A為蛇形彎折狀層疊結(jié)構(gòu)，任意相鄰兩層之間互相連接形成V型凹陷結(jié)構(gòu)，圖中A11層基片與相鄰的A12層基片互相連接形成一個V型凹陷結(jié)構(gòu)A1(虛線框中所示)，A12層基片與相鄰的A13層基片互相連接形成一個V型凹陷結(jié)構(gòu)A2(虛線框中所示)，彈性基底A的其他部分依次類推，這里不再列舉，形成的“Z”字形彈性結(jié)構(gòu)。參見圖3中圖b所示，彈性基底B為蛇形彎折狀層疊結(jié)構(gòu)，任意相鄰兩層基片之間互相連接形成U型凹陷結(jié)構(gòu)，圖中B11層基片與相鄰的B12層基片互相連接形成一個U型凹陷結(jié)構(gòu)B1(虛線框中所示)，B12層基片與相鄰的B13層基片互相連接形成一個U型凹陷結(jié)構(gòu)B2(虛線框中所示)，彈性基底B的其他部分依次類推，這里不再列舉。類似的，所述彈性基底也可以為蛇形彎折狀層疊結(jié)構(gòu)，任意相鄰兩層基片之間互相連接形成U型或V型凹陷結(jié)構(gòu)，并且，在同一彈性基底中，可以既包括U型凹陷結(jié)構(gòu)，也包括V型凹陷結(jié)構(gòu)，參加圖3中c圖所示。

可以在彈性基底的每個凹陷結(jié)構(gòu)中都包括一個發(fā)電單元，多個發(fā)電單元之間進(jìn)行并聯(lián)。優(yōu)選的，當(dāng)質(zhì)量塊5的振動使彈性基底的每個V型或U型凹陷結(jié)構(gòu)的開口變小時，每個發(fā)電單元的第一摩擦單元2和第二摩擦單元3互相接觸；撤去外力時，彈性基底的剛度使發(fā)電單元的第一摩擦單元2和第二摩擦單元3分離。

優(yōu)選的，彈性基底包括的相鄰凹陷結(jié)構(gòu)的開口方向相反(如圖3中所示)，在外力作用下，多個V型和/或U型凹陷結(jié)構(gòu)的開口尺寸同時縮小，撤去外力時，多個V型和/或U型凹陷結(jié)構(gòu)的開口尺寸同時增大。

由于彈性基底1為蛇形彎折的多層折疊結(jié)構(gòu)，在相鄰的兩層基底之間設(shè)置一個發(fā)電單元，如圖1折所示，可以自上而下設(shè)置多個發(fā)電單元，在質(zhì)量塊5對彈性基底1作用時，不同位置處的發(fā)電單元本身具有其特征工作頻率范圍，多個發(fā)電單元的輸出并聯(lián)后可有效拓寬工作頻率。彈性基底1除了作為支撐發(fā)電單元的結(jié)構(gòu)基體之外，多層折疊形成的“Z”字形彈性結(jié)構(gòu)可與環(huán)境振動形成共振；通過調(diào)整發(fā)電單元及彈性基底的質(zhì)量塊5，可以調(diào)整摩擦納米發(fā)電機(jī)的共振頻率范圍，有效實現(xiàn)低頻振動條件下發(fā)電機(jī)輸出功率最大化。

發(fā)電單元中的第一摩擦層21與第二摩擦層31選擇具有不同摩擦電特性的材料。所述的不同摩擦電特性意味著二者在摩擦電極序中處于不同的位置，從而使得二者在接觸過程中能夠在表面產(chǎn)生接觸電荷，互相分離后，由于靜電感應(yīng)在第一摩擦單元的電極和第二摩擦單元的電極之間產(chǎn)生電信號。常規(guī)的高分子聚合物都具有摩擦電特性，均可以作為制備本發(fā)明第一摩擦層21和第二摩擦層31的材料，此處列舉一些常用的高分子聚合物材料：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜等。

相對于絕緣體，半導(dǎo)體和金屬均具有容易失去電子的摩擦電特性，在摩擦電極序的列表中常位于末尾處。因此，半導(dǎo)體和金屬也可以作為制備第一摩擦層21或第二摩擦層31的原料。常用的半導(dǎo)體包括硅、鍺；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化鎵、磷化鎵等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化鎘、硫化鋅等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體，例如鎵鋁砷、鎵砷磷等。常用的金屬包括金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鈦或鉻，以及由上述金屬形成的合金。

對于第二摩擦層31選擇導(dǎo)體材料時，可以用第二摩擦層31代替第二電極層32，使發(fā)電單元中省去第二電極層，這樣，第二摩擦單元包括第二電極層，第一摩擦單元包括第一電極層和第一摩擦層。在這樣情況下，為了便于電極層的導(dǎo)線連接，同一層彈性基底1兩側(cè)設(shè)置的摩擦單元同為第一摩擦單元或者同為第二摩擦單元。這樣設(shè)置可以方便地將所有發(fā)電單元的第一電極層并聯(lián)后連接至整流單元，將所有發(fā)電單元的第二電極層并聯(lián)后連接至整流單元，參見圖1。

在機(jī)械強(qiáng)度等條件允許的情況下，為了得到較大的輸出功率，第一摩擦層和第二摩擦層需要選取較薄的材料并使兩者之間接觸時保持較大的接觸面積。本發(fā)明中，第一摩擦層和/或第二摩擦層優(yōu)選為薄膜，厚度為100nm-5mm，優(yōu)選1μm-2mm。

發(fā)電單元的第一電極層和第二電極層的材料可以有多種選擇，可以采用金屬材料、氧化物導(dǎo)電材料等常用的電極材料，金屬材料可以選自銅、鋁、鈦等金屬，氧化物導(dǎo)體可以選自ITO等材料。第一電極層和第二電極層材料的制備可以采用蒸鍍或者濺射方法，或者直接采用金屬薄片作為電極層。

在其他實施例中，還可以包括多個彈性發(fā)電部件S，參見圖4，每個彈性發(fā)電部件S包括彈性基底1和若干個發(fā)電單元，可以將多個彈性發(fā)電部件S并排設(shè)置在上下基底61和62之間，共同支撐質(zhì)量塊5。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為多個發(fā)電單元并聯(lián)，固定于基底不同位置的發(fā)電單元其最佳工作頻率范圍不同，若干單元并聯(lián)可實現(xiàn)不同頻率范圍的疊加，有效拓寬彈性發(fā)電部件S的工作頻率范圍，多個彈性發(fā)電部件共同支撐質(zhì)量塊可使結(jié)構(gòu)更加緊湊平穩(wěn)，確保納米發(fā)電機(jī)長時穩(wěn)定輸出。

質(zhì)量塊起配重的作用，質(zhì)量塊質(zhì)量與發(fā)電機(jī)的最大輸出功率范圍相關(guān)，參見圖5，當(dāng)質(zhì)量塊增加時，共振及最佳工作頻率向低頻范圍遷移，通過調(diào)整質(zhì)量塊的重量1000g～4000g，發(fā)電機(jī)可以在共振頻率為3～30hz的頻率范圍內(nèi)輸出平穩(wěn)。例如：發(fā)電機(jī)的最佳輸出頻率即共振頻率為5～8hz時，質(zhì)量塊質(zhì)量為3000±200g；共振頻率為13～16hz時，質(zhì)量塊質(zhì)量為1500±200g。

下面以一個具體實施例說明本發(fā)明提供的摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出效果。

裁減兩塊尺寸均為57mm×52mm的金屬鋁電極和FEP(聚全氟乙丙烯樹脂)薄膜，F(xiàn)EP薄膜的下表面沉積有金屬層形成發(fā)電單元的第一摩擦單元，金屬鋁電極作為發(fā)電單元的第二摩擦單元，金屬鋁電極和FEP薄膜表面都具有微納米結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)多孔特征。

裁剪寬度為60mm、厚度為125um的Kapton(聚酰亞胺)薄膜作為彈性基底，長度可根據(jù)需要附著的發(fā)電單元數(shù)量調(diào)整。將金屬鋁電極與第一摩擦單元附著在Kapton薄膜的兩側(cè)，F(xiàn)EP薄膜沉積有金屬層的表面附著在Kapton薄膜上。在Kapton薄膜同側(cè)金屬鋁電極和第一摩擦單元依次交錯排列，金屬鋁電極和第一摩擦單元之間留有10mm間隙。同一位置Kapton薄膜兩側(cè)同為第一摩擦單元，或者同為金屬鋁電極。

將金屬鋁電極(即第二摩擦單元)和第一摩擦單元的金屬層連接金屬導(dǎo)線，同種摩擦單元的導(dǎo)線連接在一起形成并聯(lián)。

將連接引線的Kapton薄膜按照“Z”形結(jié)構(gòu)折疊，相鄰不同摩擦單元上下疊加相鄰，調(diào)整發(fā)電單元的兩個摩擦單元間隙，形成一個多個發(fā)電單元并聯(lián)的彈性發(fā)電結(jié)構(gòu)。

在彈性發(fā)電結(jié)構(gòu)上部固定質(zhì)量塊質(zhì)量塊，質(zhì)量塊重量與發(fā)電機(jī)的最大輸出功率范圍相關(guān)，參見圖5，在3～30hz振動頻率范圍內(nèi)均可以產(chǎn)生電信號輸出，當(dāng)質(zhì)量塊為550g時，最佳輸出頻率約為12～18hz，摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電流約為240微安；當(dāng)質(zhì)量塊為1590g時，最佳輸出頻率約為12～16hz；當(dāng)質(zhì)量塊為3150g時，最佳輸出頻率約為6～8hz，摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電流約為340微安。實驗結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)質(zhì)量塊的質(zhì)量塊重量增加時，共振及最佳工作頻率向低頻范圍遷移。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。