[发明专利]一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机

说明书

本发明涉及静电摩擦、能量转换领域，特指一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机。该发电机采用螺旋折叠的弹性结构可以使每个发电单元的摩擦层都能够实现同步的接触和分离，并且可以使第一摩擦层双面接触，使单位时间内转移两倍的电荷量，主要用于解决振动或往复运动过程中输出功率较小且输出性能不稳定的技术问题。

技术领域

本发明涉及静电摩擦、能量转换领域，特指一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机。

背景技术

能源问题是影响人类进步和可持续发展的重大问题之一，各种围绕新能源开发、可再生能源重复利用的研究正在世界各地如火如荼的进行；本发明所涉及的一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机正好承接了以上理念；基于摩擦电效应以及静电感应原理的静电摩擦发电机在王中林团队等众多科学团队不断努力下取得了大量的研究成果，通过周期性垂直接触-分离、面内滑动、转动或者压电效应的静电摩擦发电机已经成功地用于收集机械能；申请号为201310021766.3的中国专利申请公开了一种折叠式微型震动发电机及其制造方法，通过普通折叠结构让两个摩擦单元接触-分离，产生电荷但该种形式的摩擦发电机的两个摩擦单元接触后不能自动分离恢复到原状且电荷密度较小，输出功率较低；申请号为201710010956.3的中国专利申请公开了一种弹性结构的摩擦纳米发电机，通过蛇形弯折的多层折叠结构让弹性基底的两层之间相互靠近和分离，在第一层级和第二层级之间产生交流电信号，将多个发电单元的电信号经过整流合并后并联形成电流输出，该种结构摩擦纳米发电机在靠近之后的自动分离的效果不佳且摩擦层均为单面接触，单位面积的电荷密度较小，输出电流较低；申请号为201710484297.7的中国专利申请公开了一种多层柔性折叠式摩擦发电机，但是其摩擦层均为单面接触，所获得的单位面积电荷密度较小，输出电流较低；本发明采用了螺旋折叠弹性结构，使得每个发电单元的摩擦层能够实现同步的接触和分离，并且采用双面微纳米尺度结构使得摩擦层双面接触，单位时间内转移两倍的电荷量，从而提高电流输出；本发明所述螺旋折叠弹性结构和双面微纳米尺度结构的摩擦纳米发电机可以适用于宽波段的振动频率，故其应用范围很广。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种基于螺旋折叠弹性结构的新型摩擦纳米发电机，该发电机采用螺旋折叠的弹性结构可以使每个发电单元的摩擦层都能够实现同步的接触和分离，并且可以使第一摩擦层双面接触，使单位时间内转移两倍的电荷量，主要用于解决振动或往复运动过程中输出功率较小且输出性能不稳定的技术问题。

本发明提供的一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机，其特征在于包括上支撑板、下支撑板、所述上支撑板与下支撑板之间的摩擦发电单元以及连接于上支撑板和下支撑板的弹性组件，该摩擦发电单元由螺旋基底和三明治基底通过螺旋折叠的方法相间组合在一起；其中螺旋基底作为第一摩擦单元，既为第一电极层也是第一摩擦层，三明治基底作为第二摩擦单元，由中间金属层作为第二电极层和设置在金属层两侧的摩擦层作为第二摩擦层；通过螺旋折叠的方式将螺旋基底和三明治基底相间组合起来，使得第一摩擦单元与第二摩擦单元面对面接触，其中每个摩擦单元正面与背面所接触的均为另一摩擦单元，所述上支撑板和下支撑板是摩擦纳米发电机工作时受外部振动或往复运动时的受力面，弹性组件提供辅助回弹的弹力使机械振动或往复运动持续进行，第一摩擦单元和第二摩擦单元在外力作用下作相互接触分离运动。

优选的，其中第一电极层和第二电极层为束缚电子能力弱的金属导电层；第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层。

优选的，既为第一电极层也为第一摩擦层的螺旋基底与第二电极层的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金的薄膜，厚度均为50μm-lmm；第二摩擦层的材质为聚四氟乙烯，第二摩擦层的厚度为50μm-lmm。

优选的，所述支撑板为亚克力板。

优选的，第一摩擦单元和第二摩擦单元通过螺旋折叠结构面对面设置，且接触面积相等，并且第一摩擦层和第二摩擦层的摩擦电极序存在差异，且差异越大效果越好。