鏤空雙圓環旋轉式納米發電機和發電方法與流程
2023-11-03 13:24:17 2
本發明涉及納米發電技術，具體的說，涉及基於摩擦效應以及壓電效應的鏤空雙圓環旋轉式摩擦納米發電機和發電方法。
背景技術：
目前，隨著可攜式電子產品的迅猛發展，小型電池的能量密度並沒有得到相應明顯提高，因而限制電子產品的微型化，因此研究滿足各種條件下的新型微型發電機裝置成為新的熱點。納米發電機理論上可以獲取任何微弱形式的機械能，例如人體運動、肌肉收縮、血液流動等所產生的能量，並將這些能量轉化為電能提供給納米器件。納米發電機具有體積小、易製作、能量易獲取等優點。通常納米發電機結構是直立式納米發電機，例如將直立式納米發電機植入鞋底，通過導線與外在的裝置連接，將人行走過程中產生的電轉換成電能，可能在某些領域或者特殊的條件下代替電池或者為電池充電。直立式納米發電機輸出電壓是脈衝電壓，根據已有報導可知輸出電壓大小很容易受到脈衝頻率的影響，這使得應用範圍受到極大的限制，因此需要重新設計納米發電機的結構，從而擴大納米發電機的應用範圍。
通常情況下納米發電機結構類似於平行板電容式結構，從上到下依次是驅動電極(肖特基勢壘)、納米線、固定基底。這種結構需要從兩極板的外側向內側施加力使得兩個極板內側之間的納米材料相互擠壓摩擦，由於摩擦生電和壓電效應來產生電荷，在外力撤銷後兩個極板分開實現電荷分離，當外接電路閉合就會形成電流實現對外供電。然而在實際生活中僅僅從兩個正相對的方向施加力的情形並不是很常見，因此現有的結構存在這如下的不足：
(1)外力施加方向單一。現有的直立式納米發電機由兩塊正相對的極板組成，很大程度上決定施力的方向只能沿著垂直極板的方向。如果一旦施力的方向稍微發生改變就會大大減小兩極板的有效接觸面積，在其他條件不變的情況下就會使輸出的電荷量急劇減小。
(2)能量轉換效率低。直立式納米發電機輸出電能需要經過受力、擠壓、摩擦、分離這四步。最開始兩個極板之間由於存在一定的間隙而未接觸；當外加施加力時，兩種材料相互擠壓、摩擦發生電荷轉移；當形變力釋放後兩個極板會自動分開，由於中間存在介質層電荷不能完全被中和而形成電勢差；為平衡這個電勢差，通過靜電感應在最外層的極板上感應出相反電性的電荷，外部電路會形成瞬間電流；再次施加壓力，摩擦電荷產生的電勢不斷降低，感應電荷通過外電路向相反方向流動，直至兩極板重新接觸電流歸零。在整個相互作用過程中只有受力接觸再分離才會實現電荷量的輸出，到下一個同樣的周期才回有電荷的輸出，因此這中間存在很多都是不能輸出電荷量的過程，僅僅作為完整過程中的一個輔助步驟，因此會嚴重影響納米發電機的輸出效率。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是：提供一種通過多方向旋轉施加力發電的鏤空雙圓環旋轉式納米發電機和發電方法。
為了達到上述目的，本發明採用如下技術方案：
鏤空雙圓環旋轉式納米發電機，包括定環、動環、轉動機構；定環和動環中，一個在內圓周，一個在外圓周；動環在轉動機構的作用下繞圓周相對於定環轉動，定環和動環在同一徑向方向重疊時，兩者緊貼且相對運動，在摩擦效應和壓電效應的雙重作用下，鏤空雙圓環旋轉式納米發電機發電。
作為一種優選，定環在外圓周，動環在內圓周。
作為一種優選，定環包括n段長度相等的圓弧段和n段長度相等的鏤空段，圓弧段和鏤空段一一間隔設置，圓弧段和鏤空段對應的圓心角相等；動環包括n段長度相等的圓弧段和n段長度相等的鏤空段，圓弧段和鏤空段一一間隔設置，圓弧段和鏤空段對應的圓心角相等；其中，n取正整數。
作為一種優選，鏤空雙圓環旋轉式納米發電機，還包括動軸套和n個骨架；動軸套與定環和動環同心，骨架與動環的圓弧段一一對應，骨架將動軸套的外側和動環的圓弧段的內側連接，骨架將動環的圓弧段的外側頂緊在定環的圓弧段的內側；動軸套套在轉動機構的定軸上，繞定軸轉動。
作為一種優選，骨架的形狀為扇形。
作為一種優選，定環包括內層的第一摩擦層和外層的第一電極層，動環包括內層的第二電極層和外層的第二摩擦層。
作為一種優選，第一摩擦層和第二摩擦層採用不同的納米材料；優選的，當第一摩擦層的材料為zno-mno2-tio2複合納米材料時，第二摩擦層的材料為tio2-mno2-zno複合納米材料，當第二摩擦層的材料為zno-mno2-tio2複合納米材料時，第一摩擦層的材料為tio2-mno2-zno複合納米材料；第一電極層和第二電極層均採用柔性電極材料。
作為一種優選，第一電極層和第二電極層的材料為聚醯亞胺、聚四氟乙烯或聚二甲基矽氧烷。
鏤空雙圓環旋轉式納米發電機的發電方法，採用鏤空雙圓環旋轉式納米發電機，動環在轉動機構的作用下圓周轉動，動環和定環同心，當動環和定環在徑向方向上重疊並緊貼時，鏤空雙圓環旋轉式納米發電機發電。
作為一種優選，動環轉動過程中，動環和定環始終保持動態接觸。動態接觸指的是接觸面積不斷的變化。
本發明的原理是：
鏤空雙圓環旋轉式納米發電機，包括不動部分鏤空的外環——定環，可動部分鏤空的內環——動環，動環圍繞其旋轉的定軸，以及支撐動環和定環緊密接觸的骨架。對定環、動環而言，鏤空部分和非鏤空部分等間距排列，並且定環和動環鏤空面積大小相等，動環還有支撐它和定環環緊密接觸的骨架，並且所有骨架以輻射狀的形式向外排列，輻射線匯聚的中心正好是兩個圓環共有的轉軸——定軸，動環繞定軸旋轉。
初始狀態定環的鏤空段和動環的鏤空段完全錯開，一旦動環開始旋轉，動環的圓弧段和定環的圓弧段就會從部分重合到完全重合，再從完全重合到完全分離，直至下一個新的開始。在動環和定環接觸的過程中接觸的部分由於納米材料的壓電特性以及不同材料的摩擦特性就會在接觸部分兩極板感應出等量的異種電荷，在接觸的極板的外層由於靜電感應會感應出等量的異種電荷，這樣就形成電勢差，一旦外電路閉合就會形成電流。
總的說來，本發明具有如下優點：
1.通過旋轉式結構實現動環和定環的相對運動，在摩擦效應和壓電效應的雙重作用下發電，可以多方向施加旋轉作用力，解決外力施加方向單一的問題。
2.採用鏤空、相互錯開、工整對齊的接觸摩擦雙圓環的設計，定環和動環時刻保持動態接觸，不但不會減小有效接觸面積，而且能夠在面積相同的情況下增大有效的接觸面積，可以大大提高納米發電機的輸出效率，轉換機械能為電能連續可輸出電量，還能夠產生電荷輸出的同時對外供電。
3.電極層由柔性電極材料組成，這樣正好可以將納米材料做成環形。
附圖說明
圖1、圖2、圖3是實施例中鏤空雙圓環旋轉式納米發電機的三個工作工作狀態的示意圖。
圖1-1是對應圖1的電荷生成示意圖。
圖2-1和圖2-2是對應圖2的電荷生成示意圖。
圖3-1和圖3-2是對應圖3的電荷生成示意圖。
其中，1、2為定環的圓弧段，3、4為動環的圓弧段，5為動軸套，6為骨架。
具體實施方式
下面來對本發明做進一步詳細的說明。
鏤空雙圓環旋轉式納米發電機，包括定環、動環、轉動機構、骨架、動軸套。
定環在外圓周，包括兩段長度相等的圓弧段和兩段長度相等的鏤空段，其中圓弧段和鏤空段的長度也相等，且一一間隔設置。定環包括內層的第一摩擦層和外層的第一電極層。
動環在外圓周，包括兩段長度相等的圓弧段和兩段長度相等的鏤空段，其中圓弧段和鏤空段的長度也相等，且一一間隔設置。動環包括內層的第二電極層和外層的第二摩擦層。
動軸套、定環、動環同心。兩個扇形的骨架將動軸套的外側和動環的圓弧段的內側連接，從而骨架能將動環的圓弧段的外側頂緊定環的圓弧段的內側。動軸套繞位於中心的轉動機構的定軸轉動。
施加周向轉動外力時，動環繞定軸圓周轉動，動環的圓弧段和定環的圓弧段重疊或分離，重疊時，兩者緊貼且相對運動，在摩擦效應和壓電效應的雙重作用下，鏤空雙圓環旋轉式納米發電機發電。
第一摩擦層的材料為zno-mno2-tio2複合納米材料時，第二摩擦層的材料為tio2-mno2-zno複合納米材料。第一電極層和第二電極層均採用柔性電極材料，本實施例為聚醯亞胺。所有的摩擦層由若干摩擦單元串聯組成，所有的電極層由若干電極單元串聯組成。第一摩擦層和第二摩擦層存在一定的得失電子能力的差異，在外力的作用下動環圍繞定環旋轉，動環的摩擦單元與定環的摩擦單元發生滑動摩擦，摩擦層表面所帶有的摩擦靜電荷隨其一起移動，使得動環和定環的摩擦層和電極層之間存在感應電勢差。動環和定環由最開始的接觸到完全與其分離，在與這個分離的同時又與下一個定環開始接觸直至分離，這樣周而復始。
下面對鏤空雙圓環旋轉式納米發電機的發電原理進行詳細的解釋：
鏤空雙圓環旋轉式納米發電機的初始位置，如附圖1所示。初始位置時刻定環的鏤空段和動環的圓弧段對齊，這時刻由於沒有接觸也就沒有摩擦擠壓因此不會產生電荷，此時輸出電壓為零。
這時動環和定環之間的電荷分布如附圖1-1所示
鏤空雙圓環旋轉式納米發電機由於動環轉動，使得動環與定環之間有了一定的錯位，如附圖2所示。
這時動環和定環之間的接觸摩擦和擠壓，由於摩擦生電和壓電效應，會出現如附圖2-1所示的帶電情形。
由於靜電感應會在定環的外表面和動環的內表面感應出等量的異種電荷，如附圖2-2所示。
隨著動環的繼續轉動將會和定環之間的接觸面積越來越大直至安全重合，如附圖3所示。
這時動環和定環之間的接觸摩擦和擠壓，由於摩擦生電和壓電效應，會出現如附圖3-1所示的帶電情形。
由於靜電感應會在定環的外表面和動環的內表面感應出等量的異種電荷，如附圖3-2所示
動環繼續轉動，這時動環和定環又會錯開，如附圖1所示。
動環繼續運動，動環會和定環完全錯開，直至與下一個定環開始接接觸。
到此已經完整的描述定環的一個單元和動環的一個單元摩擦輸出電荷的過程。此後旋轉的過程會不斷的重複該過程，以實現電荷的不間斷輸出。
除了本實施例提及的方式外，動環和定環還可以分別包括三段等長的圓弧段和三段鏤空段，或四段，或五段，或其他數量；也可動環在外周，定環在內周。這些變換方式均在本發明的保護範圍內。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。