CN216774635U - 一种叉指结构复合型纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种叉指结构复合型纳米发电机，包括堆叠设置的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机；所述压电纳米发电机包括两个可拉伸电极和位于两个可拉伸电极之间的压电发电组件；所述摩擦纳米发电机包括两个可拉伸电极和位于两个可拉伸电极之间的两个摩擦发电组件，两个摩擦发电组件之间以叉指结构相接触；相邻的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机之间共用一可拉伸电极，压电发电组件与其中一个摩擦发电组件之间通过该共用的可拉伸电极固连。可以收集环境产生的水平或竖直方向上的拉伸/压缩的机械能，提升机械能‑电能转换效率。
Description
技术领域
本实用新型属于纳米发电技术领域，具体地，涉及一种叉指结构复合型纳米发电机。
背景技术
一般情况下，环境中充斥着多种取之不尽的可转化能量，如热能、光能、化学能和机械能等。对这些可再生能源进行收集利用可以有效的解决因资源匮乏而引发的环境恶化危机和气候温室效应。对生态环境的改善和资源的可持续发展具有重要意义。
近年来，随着通信、传感器，甚至物联网在内的无数智能和便携式电子产品得到了极大的发展和广泛的消费，这引起了支持或改变储能元件的自充电/供电电子***的巨大趋势。其中，利用纳米发电机从环境中摄取能量并转换为电能可为具有低功耗特点的器件或***供电。机械能具有能量密度高、分布广泛、表现形式多样和容易转换等特点，是环境能量采集的优先选择。发展比较成熟的机械能量采集器主要包含压电、电磁和摩擦等纳米发电机。然而，单一的机械能—电能转换装置具有局限性，例如，压电纳米发电机的转换效率低、摩擦纳米发电机极易受外界环境影响、电磁纳米发电机的制备过程复杂等。目前，已研发的压电-摩擦复合型纳米发电机主要以竖直方向上的压力驱动为主，存在摩擦发电组件相对位移过小甚至为静摩擦，导致摩擦效应微弱电荷的转移微小，复合型纳米发电机输出性能不优。因此，提出一种结构简单且高输出的压电-摩擦复合纳米发电机，提升机械能-电能转换效率是十分必要的。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种叉指结构复合型纳米发电机，可以收集环境产生的水平或竖直方向上的拉伸/压缩的机械能，是一种结构简单且高输出的压电-摩擦复合纳米发电机，提升机械能-电能转换效率。
本实用新型通过一下技术方案实现：
一种叉指结构复合型纳米发电机，包括堆叠设置的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机；所述压电纳米发电机包括两个可拉伸电极和位于两个可拉伸电极之间的压电发电组件；所述摩擦纳米发电机包括两个可拉伸电极和位于两个可拉伸电极之间的两个摩擦发电组件，两个摩擦发电组件之间以叉指结构相接触；相邻的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机之间共用一可拉伸电极，压电发电组件与其中一个摩擦发电组件之间通过该共用的可拉伸电极固连。
优选的，相邻的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机中，压电发电组件与另一摩擦发电组件之间设置有绝缘垫层。
优选的，可拉伸电极为蛇形结构、波浪形结构或网格结构。
优选的，摩擦发电组件内设置有支撑层。
优选的，压电纳米发电机设置两个，摩擦纳米发电机设置一个，摩擦纳米发电机设置在两个压电纳米发电机之间。
优选的，压电纳米发电机和摩擦纳米发电机分别设置若干个，压电纳米发电机和摩擦纳米发电机交替堆叠设置。
优选的，可拉伸电极与外部整流电路连接。
优选的，可拉伸电极厚度为10nm 到10mm。
与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
本实用新型所述的复合型纳米发电机，将压电纳米发电机和摩擦纳米发电机组合使用，且第一摩擦组件与第二摩擦组件以叉指结构相接触，增大了摩擦表面积增大了电子的交换效果，能够克服单独的压电纳米发电机的输出电压低、单独的摩擦纳米发电机的输出电流低的缺陷，而且能够同时对竖直方向和水平方向的拉伸/压缩机械能作出压电-摩擦响应，提高该复合纳米发电机的输出功率密度。
进一步的，因为所述压电组件的一面产生的电荷与它所固连的摩擦组件相对的摩擦组件产生的电荷相反，为防止所述的压电组件与所述的相对的摩擦组件相接触而发生电荷复合，所以采用绝缘垫层来实现两者之间的间隙，另一方面也可以使该复合纳米发电机整体平整，受力均匀。
附图说明
附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是根据本实用新型一种实施方式的复合纳米发电机的剖面示意图；
图2是根据本实用新型的复合纳米发电机中的压电纳米发电机的一种示例性剖面图；
图3是根据本实用新型的复合纳米发电机中的摩擦纳米发电机的一种示例性剖面图；
图4是根据本实用新型的复合纳米发电机中的可拉伸电极的一种示例性剖面图；
图5是根据本实用新型一种实施方式的复合纳米发电机在受到拉伸/压缩时相对应的电极上所产生的电荷的剖面示意图；
图6中示出了图1所示复合纳米发电机的电路连接形式；
图7是根据本实用新型又一实施方式的复合纳米发电机的剖面示意图；
图8是根据本实用新型的复合纳米发电机中的摩擦组件为软摩擦材料时采用的一种支撑层结构剖面示意图。
图中：压电发电组件1，第一摩擦发电组件2，第二摩擦发电组件3，可拉伸电极4，绝缘垫层5，压电纳米发电机6，摩擦纳米发电机7，支撑层8，整流电路9。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
本实用新型提供一种叉指结构复合型纳米发电机，如图1-3所示，该复合型纳米发电机包括堆叠设置的压电纳米发电机6和摩擦纳米发电机7，所述压电纳米发电机的压电发电组件与所述摩擦纳米发电机7的摩擦发电组件通过公用的可拉伸电极4固连，所述摩擦纳米发电机7的第一摩擦发电组件2和第二摩擦发电组件3以叉指结构的方式实现，为防止压电纳米发电机与相对的摩擦组件发生电荷复合，如压电发电组件1和摩擦发电组件3，采用绝缘垫层5来实现它们之间的不接触。
本实用新型不限制绝缘垫层5的具体结构，只要其能够使得压电纳米发电机6的压电发电组件与相对的摩擦纳米发电机7的摩擦发电组件之间无法接触即可。例如，绝缘垫层5使压电发电组件1与摩擦发电组件3之间形成的可以是拱形结构、方形结构等等。
优选地，在根据本实用新型的一种叉指结构复合型纳米发电机中，压电纳米发电机6的结构可以采用如图2的剖面示意图所示的结构，其中，该压电纳米发电机6可以包括两侧可拉伸电极4和压电发电组件1，压电发电组件1位于两可拉伸电极4之间。所述的压电纳米发电机，是基于压电效应的压电纳米发电机，用于在水平或竖直方向上拉伸/压缩时产生形变形成电势差，用于将环境中的机械能转化为电能。所述压电纳米发电机通过可拉伸电极与摩擦发电组件固连，由于压电效应，所以压电发电组件相对表面形成的不同种类电荷可以对摩擦组件所产生的相应电荷具有吸附作用。可拉伸电极4可以由诸如金属、金属合金、金属氧化物(例如氧化铟)等导电材料形成，其厚度可以为10nm 到10mm。压电发电组件1可以由锆钛酸铅( PZT )、氧化锌、聚偏氟乙烯( PVDF )等压电陶瓷以及氧化物或聚合物等材料形成。另外，压电纳米发电机6的压电极化方向可上可下，本实用新型对此不进行限制。
应当理解的是，上述可拉伸电极4的结构如图4所示仅是示例，实际上，本实用新型对可拉伸电极4的具体结构不进行限制，也即任何可拉伸结构的电极层结构均可应用于根据本实用新型的复合纳米发电机的结构中。如：蛇形结构、波浪形结构、网格结构等。
应当理解的是，上述压电纳米发电机6的结构仅是示例，实际上，本实用新型对压电纳米发电机6的具体结构不进行限制，也即任何结构的压电纳米发电机结构均可应用于根据本实用新型的复合纳米发电机的结构中。
优选地，在根据本实用新型的一种叉指结构复合型纳米发电机中，如图3所示，所述摩擦纳米发电机7可以包括第一摩擦发电组件2、第二摩擦发电组件3和铺设的可拉伸电极4。所述的摩擦纳米发电机是基于两种不同物质摩擦生电效应，第一摩擦组件和所述第二摩擦组件之间在受到水平或竖直方向上的拉伸/压缩时产生摩擦电势差，可以将环境中的机械能转化为电能。在拉伸/压缩时形成的电荷可以实时通过导线外流形成电势差，不存在电荷复合，所以无需在第一摩擦组件与第二摩擦组件之间设置间隔。可拉伸电极4可以由金属、金属合金、金属氧化物(例如氧化铟 )等导电材料形成，其厚度可以为10nm到10mm，结构如上所述。第一摩擦发电组件2优选得电子能力较强的材料，如聚四氟乙烯、聚酰亚胺等介质材料。第二摩擦发电组件3优选失电子能力较强的材料，如苯胺形式树脂、乙基纤维素等。
由图8所示，若所述摩擦纳米发电机7所选的第一摩擦发电组件2和第二摩擦发电组件3为软质材料时，还可以进一步采用所述支撑层8来进行定形，防止在拉伸/压缩时产生变形无法恢复。支撑层8可以由聚合物，诸如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材料形成。
以下以图1所示的复合纳米发电机为例来描述根据本实用新型的复合纳米发电机的工作原理：当摩擦纳米发电机7受到水平或竖直方向上的拉伸/压缩的机械力刺激时，第一摩擦发电组件2表面和第二摩擦发电组件3表面发生相对位移，从而导致电子的分离与转移，使得第一摩擦发电组件2的表面带上负电荷，从而第二摩擦发电组件3产生正电荷，外电路连接摩擦发电组件的可拉伸电极，通过排走可拉伸电极中的电荷形成电荷的定向移动，从而输出电能，第一摩擦发电组件和第二摩擦发电组件之间产生摩擦电势差。与此同时，压电发电组件1发生形变从而在该压电发电组件1的上下表面上产生电势差，并使得压电发电组件1的两侧可拉伸电极4表面上感应出相反的电荷，在外电路接通的情况下就会发生电荷定向移动并形成电流，从而输出电能。经过整流电路可实现直接对小型用电设备进行实时供电。这样就实现了根据本实用新型的复合纳米发电机利用机械能进行发电的目的。其中绝缘垫层可以防止压电发电组件与另一摩擦发电组件接触，因为两者产生的电荷不同会发生电荷复合而降低所述纳米发电机的输出性能。
另外，图6中示出了图5所示复合纳米发电机的电路连接形式。其中，图5所示顶部的压电纳米发电机6的下端可拉伸电极与第一摩擦发电组件2的上端可拉伸电极为公用电极，该公用电极与底部的压电纳米发电机6的下端的可拉伸电极中的电荷为同种负电荷，通过外接导线将两电极连接后并与接入整流电路9。相反，底部的压电纳米发电机6的上端可拉伸电极与第三摩擦发电组件3的底端可拉伸电极为公用电极，该公共电极与顶部的压电纳米发电机6的上端的可拉伸电极中的电荷为同种正电荷，通过外接导线将两电极连接后并与接入整流电路9。经整流电路9后，输出的电流可直接实时为微器件供电。
由图2所示的压电纳米发电机6和图3所示的摩擦纳米发电机7组成的复合纳米发电机的又一实施方式的剖面示意图请见图7所示。该复合纳米发电机包括压电纳米发电机6、摩擦纳米发电机7以及绝缘垫层5，其中，压电纳米发电机6、摩擦纳米发电机7分别设置若干个，且压电纳米发电机6、摩擦纳米发电机7交替堆叠设置。压电纳米发电机6包括压电发电组件1和两侧的可拉伸电极4，摩擦纳米发电机7包括第一摩擦发电组件2、第二摩擦发电组件3和表面的可拉伸电极4。其中，绝缘垫层5防止压电发电组件与另一摩擦发电组件接触，因为两者产生的电荷不同会发生电荷复合而降低所述纳米发电机的输出性能。所述的可拉伸电极4可以由金属、金属合金、金属氧化物(例如氧化铟 )等导电材料形成，其厚度可以为10nm到10mm，具体结构不做限制。压电发电组件2可以由锆钛酸铅( PZT )、氧化锌、PVDF等压电陶瓷、氧化物或聚合物等形成。第一摩擦发电组件2优选得电子能力较强的材料，如聚四氟乙烯、聚酰亚胺等介质材料形成。第二摩擦发电组件优选失电子能力较强的材料，如苯胺形式树脂、乙基纤维素等。
图7所示的又一实施方式的复合纳米发电机的工作原理与图1表示的电路图的复合型纳米发电机工作原理相同。
另外，应当理解的是，虽然在结合图1的复合纳米发电机结构来描述根据本实用新型一种叉指结构复合型纳米发电机的工作原理时，是摩擦纳米发电机7中的第一摩擦发电组件2与第二摩擦发电组件3来使压电纳米发电机6中的压电发电组件发生形变；但是，在实际的发电过程中，也可以是在外力作用下对压电纳米发电机6中的压电发电组件1进行挤压发生形变，形成压电发电，来使摩擦纳米发电机7中的第一摩擦发电组件2与第二摩擦发电组件3发生相对位移。这两种发电形式都是可行的。
以上结合附图详细描述了本实用新型一种叉指结构复合型纳米发电机的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。
Claims (8)
1.一种叉指结构复合型纳米发电机，其特征在于，包括堆叠设置的压电纳米发电机(6)和摩擦纳米发电机(7)；所述压电纳米发电机(6)包括两个可拉伸电极(4)和位于两个可拉伸电极(4)之间的压电发电组件(1)；所述摩擦纳米发电机(7)包括两个可拉伸电极(4)和位于两个可拉伸电极(4)之间的两个摩擦发电组件，两个摩擦发电组件之间以叉指结构相接触；相邻的压电纳米发电机(6)和摩擦纳米发电机(7)之间共用一可拉伸电极(4)，压电发电组件(1)与其中一个摩擦发电组件之间通过该共用的可拉伸电极(4)固连。
2.根据权利要求1所述的叉指结构复合型纳米发电机，其特征在于，相邻的压电纳米发电机(6)和摩擦纳米发电机(7)中，压电发电组件(1)与另一摩擦发电组件之间设置有绝缘垫层(5)。
3.根据权利要求1所述的叉指结构复合型纳米发电机，其特征在于，可拉伸电极(4)为蛇形结构、波浪形结构或网格结构。
4.根据权利要求1所述的叉指结构复合型纳米发电机，其特征在于，摩擦发电组件内设置有支撑层(8)。
5.根据权利要求1所述的叉指结构复合型纳米发电机，其特征在于，压电纳米发电机(6)设置两个，摩擦纳米发电机(7)设置一个，摩擦纳米发电机(7)设置在两个压电纳米发电机(6)之间。
6.根据权利要求1所述的叉指结构复合型纳米发电机，其特征在于，压电纳米发电机(6)和摩擦纳米发电机(7)分别设置若干个，压电纳米发电机(6)和摩擦纳米发电机(7)交替堆叠设置。
7.根据权利要求1所述的叉指结构复合型纳米发电机，其特征在于，可拉伸电极(4)与外部整流电路(9)连接。
8.根据权利要求1所述的叉指结构复合型纳米发电机，其特征在于，可拉伸电极(4)厚度为10nm到10mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20220617 |