混合式發電的製造方法

2023-06-22 22:02:11

混合式發電的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種混合式發電機，該混合式發電機包括：發電機殼體(1)，為密閉式結構，內部形成有充氣腔室(11)；摩擦發電單元(2)，包括第一摩擦發電組件(21)和第二摩擦發電組件(22)，第一摩擦發電組件(21)和第二摩擦發電組件(22)分別設置在充氣腔室(11)的相對的內壁面上，第一摩擦發電組件(21)和第二摩擦發電組件(22)相互接觸摩擦可產生電能；壓電發電單元(3)，設置在充氣腔室(11)的側壁面上，壓電發電單元(3)彎曲變形可產生電能。本實用新型的混合式發電機既能夠提高單體結構的摩擦發電機或壓電發電機的換能效率，又能為摩擦發電機或壓電發電機提供穩定的工作環境。
【專利說明】混合式發電機

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種發電機，尤其涉及一種包括摩擦發電和壓電發電的混合式發電機。

【背景技術】
[0002]物體和物體之間相互摩擦時會使一方帶上負電，另一方帶上正電，這種由於物體間摩擦而產生的電叫摩擦電。摩擦電是自然界最常見的現象之一，且摩擦電的產生條件非常寬泛。依據物體摩擦發電現象研製的一類發電機稱為摩擦發電機。
[0003]另外，某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷，這種現象叫做壓電效應。依據電介質壓電效應研製的一類發電機稱為壓電發電機。
[0004]目前，單位面積的單體摩擦發電機或壓電發電機的能量轉換效率低，而摩擦發電機與壓電發電機的工作原理有接近之處，故存在將兩者結合以提高發電效率的可能性。
[0005]此外，摩擦發電機的工作環境對其換能效率有較大影響，例如空氣溼度，因此摩擦發電機需要在穩定的環境下工作。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的在於提供一種既能夠提高單體結構的摩擦發電機或壓電發電機的換能效率，又能為摩擦發電機或壓電發電機提供穩定的工作環境的混合式發電機。
[0007]為實現上述目的，本實用新型的一種混合式發電機的具體技術方案為:
[0008]—種混合式發電機，包括:發電機殼體，為密閉式結構，內部形成有充氣腔室；摩擦發電單元，包括第一摩擦發電組件和第二摩擦發電組件，第一摩擦發電組件和第二摩擦發電組件分別設置在充氣腔室的相對的內壁面上，第一摩擦發電組件和第二摩擦發電組件相互接觸摩擦可產生電能；壓電發電單元，設置在充氣腔室的側壁面上，該側壁面位於充氣腔室的設置有第一摩擦發電組件和第二摩擦發電組件的相對的兩個內壁面之間，壓電發電單元彎曲變形可產生電能。
[0009]進一步，第一摩擦發電組件和第二摩擦發電組件與充氣腔室的內壁面之間分別設置有絕緣材料層。
[0010]進一步，壓電發電單元包括第一電極、第二電極、以及位於第一電極和第二電極之間的發電層，發電層可利用壓電效應使壓電發電單元產生電能，第一電極和第二電極為壓電發電單元的輸出電極。
[0011]進一步，發電層為柔性高分子壓電薄膜，選自聚偏氟乙烯壓電薄膜、摻雜氧化鋅納米陣列的聚偏氟乙烯壓電薄膜、柔性襯底的氧化鋅納米線陣列納米發電機中的任意一種。
[0012]進一步，摩擦發電單元中的第一摩擦發電組件包括第一電極層，第二摩擦發電組件包括層疊設置的第二電極層和第二高分子聚合物絕緣層，第一電極層和第二高分子聚合物絕緣層相對設置形成摩擦界面，第一電極層和第二電極層為摩擦發電單元的輸出電極。
[0013]進一步，摩擦發電單元中的第一摩擦發電組件包括層疊設置的第一電極層和第一高分子聚合物絕緣層，第一高分子聚合物絕緣層和第二高分子聚合物絕緣層相對設置形成摩擦界面。
[0014]進一步，摩擦發電單元中的第二摩擦發電組件包括居間薄膜層，居間薄膜層層疊設置在第二高分子聚合物絕緣層之上，第一高分子聚合物絕緣層和居間薄膜層相對設置形成摩擦界面。
[0015]進一步，摩擦發電單元中的相對設置形成摩擦界面的兩個面中的至少一個面上設置有微納結構。
[0016]本實用新型的混合式發電機具有以下優點:
[0017]I)本實用新型的混合式發電機在受到外力的作用時，摩擦發電單元中的兩個摩擦發電組件相互接觸摩擦，壓電發電單元彎曲變形，從而摩擦發電單元和壓電發電單元會同時輸出電能，提高了單體結構的發電機的換能效率。
[0018]2)本實用新型的混合式發電機由於發電機外殼密閉且殼體內部填充氣體，尤其是填充的惰性氣體，使殼體內部環境的溼度變化比外界微小，從而摩擦發電單元的電能輸出不受外界環境溼度等因素的明顯影響，與暴露在外界相比，輸出性能更加穩定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型的混合式發電機的初始狀態圖；
[0020]圖2為本實用新型的混合式發電機的受壓狀態圖；
[0021]圖3為本實用新型的混合式發電機中的摩擦發電單元的第一實施例的結構示意圖；
[0022]圖4為本實用新型的混合式發電機中的摩擦發電單元的第二實施例的結構示意圖；
[0023]圖5為本實用新型的混合式發電機中的摩擦發電單元的第三實施例的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0024]為了更好的了解本實用新型的目的、結構及功能，下面結合附圖，對本實用新型的一種混合式發電機做進一步詳細的描述。
[0025]如圖1和圖2所示，本實用新型的混合式發電機包括發電機殼體1、以及設置在發電機殼體I內部的摩擦發電單元2和壓電發電單元3。其中，發電機殼體I為密閉式結構，內部形成有充氣腔室U。應注意的是，本實用新型中的發電機殼體I可以採用具有彈性伸縮性能的矽膠模、橡膠膜等材質製作而成，發電機殼體I內部的充氣腔室11中可以選擇性地注入空氣、氮氣、氬氣等氣體，但優選注入性能穩定的惰性氣體。
[0026]進一步，摩擦發電單元2包括第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22，其中，第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22分別設置在發電機殼體I中的充氣腔室11的相對的內壁面上，即，第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22正對設置。由此，在如圖2所示的外力F施加到發電機殼體I上時，設置在充氣腔室11的相對的內壁面上的第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22便會相互接觸摩擦，從而產生電能。此外，為縮小第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22之間的距離，第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22與充氣腔室11的內壁面之間還可設置有絕緣材料層4。
[0027]進一步，壓電發電單元3設置在充氣腔室11的側壁面上，該側壁面位於充氣腔室11的設置有第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22的相對的兩個內壁面之間。其中，本實用新型中的壓電發電單元3為柔性材質，在如圖2所示的外力F施加到發電機殼體I上時，設置在充氣腔室11的相對的內壁面上的第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22會相互接觸摩擦，而設置在充氣腔室11的相對的內壁面之間的側壁面上的柔性壓電發電單元3也會彎曲變形，從而產生電能。
[0028]進一步，如圖2所示，本實施例中的壓電發電單元3包括第一電極31、第二電極
32、以及位於第一電極31和第二電極32之間的發電層33。其中，當壓電發電單元3受到外力而彎曲變形時，由於發電層33的壓電效應，會在第一電極31和第二電極32之間產生電勢差，由於第一電極31和第二電極32之間電勢差的存在，自由電子將通過外電路由電勢低的一側流向電勢高的一側，從而在外電路中形成電流；而當壓電發電單元3恢復到原來狀態時，這時形成在第一電極31和第二電極32之間的內電勢消失，此時已平衡的第一電極31和第二電極32之間將再次產生反向的電勢差，則自由電子通過外電路形成反向電流。通過壓電發電單元3反覆的彎曲變形和恢復，就可以在外電路中形成周期性的交流電信號。應注意的是，本實施例中的發電層可為柔性高分子壓電薄膜，優選聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜，或摻雜氧化鋅(ZnO)納米陣列的聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜，或柔性襯底的氧化鋅(ZnO)納米線陣列納米發電機等。
[0029]由此，本實用新型的混合式發電機的工作原理為:當發電機殼體I受到如圖2所示方向的外力F時，設置有摩擦發電單元2中的第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22的充氣腔室11的相對的內壁面會相互靠近，以使第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22接觸摩擦，與此同時，充氣腔室11的位於設置有第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22的相對的兩個內壁面之間的側壁面也會在壓力下變形，從而帶動設置在側壁面上的壓電發電單元3彎曲變形；而當上述外力F撤銷時，發電機殼體I會在壓強作用下恢復原狀，進而設置在充氣腔室11的相對的內壁面上的第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22分離，設置在充氣腔室11的側壁面上的壓電發電單元3也會逐漸恢復原狀。在上述過程中，摩擦發電單元2和壓電發電單元3會同時輸出電能。
[0030]進一步，本實用新型中的摩擦發電單元2和壓電發電單元3可以分別整流後再串和/或並聯，以實現輸出能量的疊加。當然，本實用新型中的摩擦發電單元2和壓電發電單元3也可以在不整流的情況下直接連接，但這種情況需要保持摩擦發電單元2和壓電發電單元3在串和/或並聯連接時，壓電發電單元3的極性方向與摩擦發電單元2中的第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22的得失電子能力相匹配。
[0031]下面參考圖3至圖5，對本實用新型的混合式發電機中的摩擦發電單元的具體結構進行詳細描述:
[0032]如圖3所示，其示出了本實用新型中的摩擦發電單元2的第一種結構。本實施例中，摩擦發電單元2中的第一摩擦發電組件21包括第一電極層211，第二摩擦發電組件22包括層疊設置的第二電極層221和第二高分子聚合物絕緣層222。其中，第一電極層211和第二高分子聚合物絕緣層222相對設置形成摩擦界面，第一電極層211和第二電極層221為摩擦發電單元2的輸出電極，與外電路相連。
[0033]其中，第二高分子聚合物絕緣層222為選自聚醯亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚醯胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維海綿薄膜、再生海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸鹽薄膜中的任意一種。
[0034]其中，第一電極層211所用材料選自金屬或合金；其中，金屬是金、銀、鉑、鈀、鋁、鎮、銅、欽、絡、砸、鐵、猛、鑰、鶴或鑰j ;合金是銷合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、梓合金、猛合金、鑔合金、鉛合金、錫合金、錦合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鉬合金、銀合金或鉭合金中的一種。
[0035]第二電極層221所用材料選自銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜、金屬或合金；其中，金屬是金、銀、鉬、鈕、銷、鑔、銅、鈦、絡、砸、鐵、猛、鉬、鶴或銀；合金是銷合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鑔合金、鉛合金、錫合金、錦合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鉬合金、銀合金或鉭合金中的一種。
[0036]下面具體介紹一下摩擦發電單元的工作原理。當本實用新型的混合式發電機的發電機外殼I受到如圖2所示的外力F時，摩擦發電單元2中的第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22相互接觸摩擦，即，第一摩擦發電組件21中的第一電極層211與第二摩擦發電組件22中的第二高分子聚合物絕緣層222表面相互摩擦產生靜電荷，從而導致第一電極層211和第二電極層221之間出現電勢差。由於第一電極層211和第二電極層221之間電勢差的存在，自由電子將通過外電路由電勢低的一側流向電勢高的一側，從而在外電路中形成電流。當上述外力F撤消後，摩擦發電單元2中的第一摩擦發電組件21和第二摩擦發電組件22分離，這時形成在第一電極層211和第二電極層221之間的內電勢消失，此時已平衡的第一電極層211和第二電極層221之間將再次產生反向的電勢差，則自由電子通過外電路形成反向電流。通過反覆摩擦和恢復，就可以在外電路中形成周期性的交流電信號。
[0037]另外，為了提高摩擦發電單元2的發電能力，第一電極層211和第二高分子聚合物絕緣層222相對設置的兩個面中的至少一個面上可以進一步設置微納結構23。因此，第一電極層211和第二高分子聚合物絕緣層222的相對表面能夠更好地接觸摩擦，並在第一電極層211和第二電極層222處感應出較多的電荷。
[0038]如圖4所示，其示出了本實用新型中的摩擦發電單元2的第二種結構。本結構與摩擦發電單元2的第一種結構的區別在於:摩擦發電單元2中的第一摩擦發電組件21包括層疊設置的第一電極層211和第一高分子聚合物絕緣層212，第一高分子聚合物絕緣層212和第二高分子聚合物絕緣層222相對設置形成摩擦界面，其中第一高分子聚合物絕緣層212的材料與實施例一中第二高分子聚合物的材料選取範圍相同，但兩者優選不同的材料。第一電極層和第二電極層的材料與實施例一中第二電極層的材料選取範圍相同。參考摩擦發電單元2的第一種結構，本領域技術人員可以較容易地理解本實施例的工作原理、其餘結構設置方式、材料選取等，此處不再贅述。
[0039]如圖5所示，其示出了本實用新型中的摩擦發電單元2的第三種結構。本結構與摩擦發電單元2的第二種結構的區別在於，摩擦發電單元2中的第二摩擦發電組件22進一步包括居間薄膜層223，其層疊設置在第二高分子聚合物絕緣層222之上，其中居間薄膜層223的材料與實施例二中第二高分子聚合物層222的材料選取範圍相同，但兩者優選不同的材料，而且居間薄膜的材料優選與第一高分子聚合物絕緣層的材料不同。參考摩擦發電單元2的第二種結構，本領域技術人員可以較容易地理解本結構的工作原理、其餘結構設置方式、材料選取等，此處不再贅述。
[0040]以上藉助具體實施例對本實用新型做了進一步描述，但是應該理解的是，這裡具體的描述，不應理解為對本實用新型的實質和範圍的限定，本領域內的普通技術人員在閱讀本說明書後對上述實施例做出的各種修改，都屬於本實用新型所保護的範圍。
【權利要求】
1.一種混合式發電機，其特徵在於，包括: 發電機殼體(I)，為密閉式結構，內部形成有充氣腔室(11); 摩擦發電單元(2)，包括第一摩擦發電組件(21)和第二摩擦發電組件(22)，第一摩擦發電組件(21)和第二摩擦發電組件(22)分別設置在充氣腔室(11)的相對的內壁面上，第一摩擦發電組件(21)和第二摩擦發電組件(22)相互接觸摩擦可產生電能； 壓電發電單元(3)，設置在充氣腔室(11)的側壁面上，該側壁面位於充氣腔室(11)的設置有第一摩擦發電組件(21)和第二摩擦發電組件(22)的相對的兩個內壁面之間，壓電發電單元⑶彎曲變形可產生電能。
2.根據權利要求1所述的混合式發電機，其特徵在於，第一摩擦發電組件(21)和第二摩擦發電組件(22)分別與充氣腔室(11)的內壁面之間設置有絕緣材料層(4)。
3.根據權利要求1所述的混合式發電機，其特徵在於，壓電發電單元(3)包括第一電極(31)、第二電極(32)、以及位於第一電極(31)和第二電極(32)之間的發電層(33)，發電層(33)可利用壓電效應使壓電發電單元(3)產生電能，第一電極(31)和第二電極(32)為壓電發電單元⑶的輸出電極。
4.根據權利要求3所述的混合式發電機，其特徵在於，發電層(33)為柔性高分子壓電薄膜，選自聚偏氟乙烯壓電薄膜、摻雜氧化鋅納米陣列的聚偏氟乙烯壓電薄膜、柔性襯底的氧化鋅納米線陣列納米發電機中的任意一種。
5.根據權利要求1所述的混合式發電機，其特徵在於，摩擦發電單元(2)中的第一摩擦發電組件(21)包括第一電極層(211)，第二摩擦發電組件(22)包括層疊設置的第二電極層(221)和第二高分子聚合物絕緣層(222)，第一電極層(211)和第二高分子聚合物絕緣層(222)相對設置形成摩擦界面，第一電極層(211)和第二電極層(221)為摩擦發電單元(2)的輸出電極。
6.根據權利要求5所述的混合式發電機，其特徵在於，摩擦發電單元(2)中的第一摩擦發電組件(21)包括層疊設置的第一電極層(211)和第一高分子聚合物絕緣層(212)，第一高分子聚合物絕緣層(212)和第二高分子聚合物絕緣層(222)相對設置形成摩擦界面。
7.根據權利要求6所述的混合式發電機，其特徵在於，摩擦發電單元(2)中的第二摩擦發電組件(22)包括居間薄膜層(223)，居間薄膜層(223)層疊設置在第二高分子聚合物絕緣層(222)之上，第一高分子聚合物絕緣層(212)和居間薄膜層(223)相對設置形成摩擦界面。
8.根據權利要求5至7中任一所述的混合式發電機，其特徵在於，摩擦發電單元(2)中的相對設置形成摩擦界面的兩個面中的至少一個面上設置有微納結構(23)。
【文檔編號】H02N2/18GK204216409SQ201420644590
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年10月30日 優先權日:2014年10月30日
【發明者】王珊, 鍾強, 王小雄, 徐傳毅, 趙豪 申請人:納米新能源（唐山）有限責任公司