本發(fā)明涉及納米發(fā)電技術(shù)，具體的說(shuō)，涉及基于摩擦效應(yīng)以及壓電效應(yīng)的鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機(jī)和發(fā)電方法。

背景技術(shù)：

目前，隨著便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，小型電池的能量密度并沒(méi)有得到相應(yīng)明顯提高，因而限制電子產(chǎn)品的微型化，因此研究滿足各種條件下的新型微型發(fā)電機(jī)裝置成為新的熱點(diǎn)。納米發(fā)電機(jī)理論上可以獲取任何微弱形式的機(jī)械能，例如人體運(yùn)動(dòng)、肌肉收縮、血液流動(dòng)等所產(chǎn)生的能量，并將這些能量轉(zhuǎn)化為電能提供給納米器件。納米發(fā)電機(jī)具有體積小、易制作、能量易獲取等優(yōu)點(diǎn)。通常納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)是直立式納米發(fā)電機(jī)，例如將直立式納米發(fā)電機(jī)植入鞋底，通過(guò)導(dǎo)線與外在的裝置連接，將人行走過(guò)程中產(chǎn)生的電轉(zhuǎn)換成電能，可能在某些領(lǐng)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(fā)電機(jī)輸出電壓是脈沖電壓，根據(jù)已有報(bào)道可知輸出電壓大小很容易受到脈沖頻率的影響，這使得應(yīng)用范圍受到極大的限制，因此需要重新設(shè)計(jì)納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，從而擴(kuò)大納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍。

通常情況下納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)類似于平行板電容式結(jié)構(gòu)，從上到下依次是驅(qū)動(dòng)電極(肖特基勢(shì)壘)、納米線、固定基底。這種結(jié)構(gòu)需要從兩極板的外側(cè)向內(nèi)側(cè)施加力使得兩個(gè)極板內(nèi)側(cè)之間的納米材料相互擠壓摩擦，由于摩擦生電和壓電效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電荷，在外力撤銷后兩個(gè)極板分開(kāi)實(shí)現(xiàn)電荷分離，當(dāng)外接電路閉合就會(huì)形成電流實(shí)現(xiàn)對(duì)外供電。然而在實(shí)際生活中僅僅從兩個(gè)正相對(duì)的方向施加力的情形并不是很常見(jiàn)，因此現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)存在這如下的不足：

(1)外力施加方向單一?，F(xiàn)有的直立式納米發(fā)電機(jī)由兩塊正相對(duì)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(fā)生改變就會(huì)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(huì)使輸出的電荷量急劇減小。

(2)能量轉(zhuǎn)換效率低。直立式納米發(fā)電機(jī)輸出電能需要經(jīng)過(guò)受力、擠壓、摩擦、分離這四步。最開(kāi)始兩個(gè)極板之間由于存在一定的間隙而未接觸；當(dāng)外加施加力時(shí)，兩種材料相互擠壓、摩擦發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移；當(dāng)形變力釋放后兩個(gè)極板會(huì)自動(dòng)分開(kāi)，由于中間存在介質(zhì)層電荷不能完全被中和而形成電勢(shì)差；為平衡這個(gè)電勢(shì)差，通過(guò)靜電感應(yīng)在最外層的極板上感應(yīng)出相反電性的電荷，外部電路會(huì)形成瞬間電流；再次施加壓力，摩擦電荷產(chǎn)生的電勢(shì)不斷降低，感應(yīng)電荷通過(guò)外電路向相反方向流動(dòng)，直至兩極板重新接觸電流歸零。在整個(gè)相互作用過(guò)程中只有受力接觸再分離才會(huì)實(shí)現(xiàn)電荷量的輸出，到下一個(gè)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(guò)程，僅僅作為完整過(guò)程中的一個(gè)輔助步驟，因此會(huì)嚴(yán)重影響納米發(fā)電機(jī)的輸出效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是：提供一種通過(guò)多方向旋轉(zhuǎn)施加力發(fā)電的鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)和發(fā)電方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)，包括定環(huán)、動(dòng)環(huán)、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；定環(huán)和動(dòng)環(huán)中，一個(gè)在內(nèi)圓周，一個(gè)在外圓周；動(dòng)環(huán)在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下繞圓周相對(duì)于定環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，定環(huán)和動(dòng)環(huán)在同一徑向方向重疊時(shí)，兩者緊貼且相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在摩擦效應(yīng)和壓電效應(yīng)的雙重作用下，鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)發(fā)電。

作為一種優(yōu)選，定環(huán)在外圓周，動(dòng)環(huán)在內(nèi)圓周。

作為一種優(yōu)選，定環(huán)包括n段長(zhǎng)度相等的圓弧段和n段長(zhǎng)度相等的鏤空段，圓弧段和鏤空段一一間隔設(shè)置，圓弧段和鏤空段對(duì)應(yīng)的圓心角相等；動(dòng)環(huán)包括n段長(zhǎng)度相等的圓弧段和n段長(zhǎng)度相等的鏤空段，圓弧段和鏤空段一一間隔設(shè)置，圓弧段和鏤空段對(duì)應(yīng)的圓心角相等；其中，n取正整數(shù)。

作為一種優(yōu)選，鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)，還包括動(dòng)軸套和n個(gè)骨架；動(dòng)軸套與定環(huán)和動(dòng)環(huán)同心，骨架與動(dòng)環(huán)的圓弧段一一對(duì)應(yīng)，骨架將動(dòng)軸套的外側(cè)和動(dòng)環(huán)的圓弧段的內(nèi)側(cè)連接，骨架將動(dòng)環(huán)的圓弧段的外側(cè)頂緊在定環(huán)的圓弧段的內(nèi)側(cè)；動(dòng)軸套套在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定軸上，繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

作為一種優(yōu)選，骨架的形狀為扇形。

作為一種優(yōu)選，定環(huán)包括內(nèi)層的第一摩擦層和外層的第一電極層，動(dòng)環(huán)包括內(nèi)層的第二電極層和外層的第二摩擦層。

作為一種優(yōu)選，第一摩擦層和第二摩擦層采用不同的納米材料；優(yōu)選的，當(dāng)?shù)谝荒Σ翆拥牟牧蠟閦no-mno2-tio2復(fù)合納米材料時(shí)，第二摩擦層的材料為tio2-mno2-zno復(fù)合納米材料，當(dāng)?shù)诙Σ翆拥牟牧蠟閦no-mno2-tio2復(fù)合納米材料時(shí)，第一摩擦層的材料為tio2-mno2-zno復(fù)合納米材料；第一電極層和第二電極層均采用柔性電極材料。

作為一種優(yōu)選，第一電極層和第二電極層的材料為聚酰亞胺、聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷。

鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電方法，采用鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)，動(dòng)環(huán)在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)環(huán)和定環(huán)同心，當(dāng)動(dòng)環(huán)和定環(huán)在徑向方向上重疊并緊貼時(shí)，鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)發(fā)電。

作為一種優(yōu)選，動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)環(huán)和定環(huán)始終保持動(dòng)態(tài)接觸。動(dòng)態(tài)接觸指的是接觸面積不斷的變化。

本發(fā)明的原理是：

鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)，包括不動(dòng)部分鏤空的外環(huán)——定環(huán)，可動(dòng)部分鏤空的內(nèi)環(huán)——?jiǎng)迎h(huán)，動(dòng)環(huán)圍繞其旋轉(zhuǎn)的定軸，以及支撐動(dòng)環(huán)和定環(huán)緊密接觸的骨架。對(duì)定環(huán)、動(dòng)環(huán)而言，鏤空部分和非鏤空部分等間距排列，并且定環(huán)和動(dòng)環(huán)鏤空面積大小相等，動(dòng)環(huán)還有支撐它和定環(huán)環(huán)緊密接觸的骨架，并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(gè)圓環(huán)共有的轉(zhuǎn)軸——定軸，動(dòng)環(huán)繞定軸旋轉(zhuǎn)。

初始狀態(tài)定環(huán)的鏤空段和動(dòng)環(huán)的鏤空段完全錯(cuò)開(kāi)，一旦動(dòng)環(huán)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，動(dòng)環(huán)的圓弧段和定環(huán)的圓弧段就會(huì)從部分重合到完全重合，再?gòu)耐耆睾系酵耆蛛x，直至下一個(gè)新的開(kāi)始。在動(dòng)環(huán)和定環(huán)接觸的過(guò)程中接觸的部分由于納米材料的壓電特性以及不同材料的摩擦特性就會(huì)在接觸部分兩極板感應(yīng)出等量的異種電荷，在接觸的極板的外層由于靜電感應(yīng)會(huì)感應(yīng)出等量的異種電荷，這樣就形成電勢(shì)差，一旦外電路閉合就會(huì)形成電流。

總的說(shuō)來(lái)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.通過(guò)旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)環(huán)和定環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在摩擦效應(yīng)和壓電效應(yīng)的雙重作用下發(fā)電，可以多方向施加旋轉(zhuǎn)作用力，解決外力施加方向單一的問(wèn)題。

2.采用鏤空、相互錯(cuò)開(kāi)、工整對(duì)齊的接觸摩擦雙圓環(huán)的設(shè)計(jì)，定環(huán)和動(dòng)環(huán)時(shí)刻保持動(dòng)態(tài)接觸，不但不會(huì)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(fā)電機(jī)的輸出效率，轉(zhuǎn)換機(jī)械能為電能連續(xù)可輸出電量，還能夠產(chǎn)生電荷輸出的同時(shí)對(duì)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(huán)形。

附圖說(shuō)明

圖1、圖2、圖3是實(shí)施例中鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)的三個(gè)工作工作狀態(tài)的示意圖。

圖1-1是對(duì)應(yīng)圖1的電荷生成示意圖。

圖2-1和圖2-2是對(duì)應(yīng)圖2的電荷生成示意圖。

圖3-1和圖3-2是對(duì)應(yīng)圖3的電荷生成示意圖。

其中，1、2為定環(huán)的圓弧段，3、4為動(dòng)環(huán)的圓弧段，5為動(dòng)軸套，6為骨架。

具體實(shí)施方式

下面來(lái)對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)，包括定環(huán)、動(dòng)環(huán)、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、骨架、動(dòng)軸套。

定環(huán)在外圓周，包括兩段長(zhǎng)度相等的圓弧段和兩段長(zhǎng)度相等的鏤空段，其中圓弧段和鏤空段的長(zhǎng)度也相等，且一一間隔設(shè)置。定環(huán)包括內(nèi)層的第一摩擦層和外層的第一電極層。

動(dòng)環(huán)在外圓周，包括兩段長(zhǎng)度相等的圓弧段和兩段長(zhǎng)度相等的鏤空段，其中圓弧段和鏤空段的長(zhǎng)度也相等，且一一間隔設(shè)置。動(dòng)環(huán)包括內(nèi)層的第二電極層和外層的第二摩擦層。

動(dòng)軸套、定環(huán)、動(dòng)環(huán)同心。兩個(gè)扇形的骨架將動(dòng)軸套的外側(cè)和動(dòng)環(huán)的圓弧段的內(nèi)側(cè)連接，從而骨架能將動(dòng)環(huán)的圓弧段的外側(cè)頂緊定環(huán)的圓弧段的內(nèi)側(cè)。動(dòng)軸套繞位于中心的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

施加周向轉(zhuǎn)動(dòng)外力時(shí)，動(dòng)環(huán)繞定軸圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)環(huán)的圓弧段和定環(huán)的圓弧段重疊或分離，重疊時(shí)，兩者緊貼且相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在摩擦效應(yīng)和壓電效應(yīng)的雙重作用下，鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)發(fā)電。

第一摩擦層的材料為zno-mno2-tio2復(fù)合納米材料時(shí)，第二摩擦層的材料為tio2-mno2-zno復(fù)合納米材料。第一電極層和第二電極層均采用柔性電極材料，本實(shí)施例為聚酰亞胺。所有的摩擦層由若干摩擦單元串聯(lián)組成，所有的電極層由若干電極單元串聯(lián)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(dòng)環(huán)圍繞定環(huán)旋轉(zhuǎn)，動(dòng)環(huán)的摩擦單元與定環(huán)的摩擦單元發(fā)生滑動(dòng)摩擦，摩擦層表面所帶有的摩擦靜電荷隨其一起移動(dòng)，使得動(dòng)環(huán)和定環(huán)的摩擦層和電極層之間存在感應(yīng)電勢(shì)差。動(dòng)環(huán)和定環(huán)由最開(kāi)始的接觸到完全與其分離，在與這個(gè)分離的同時(shí)又與下一個(gè)定環(huán)開(kāi)始接觸直至分離，這樣周而復(fù)始。

下面對(duì)鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理進(jìn)行詳細(xì)的解釋：

鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)的初始位置，如附圖1所示。初始位置時(shí)刻定環(huán)的鏤空段和動(dòng)環(huán)的圓弧段對(duì)齊，這時(shí)刻由于沒(méi)有接觸也就沒(méi)有摩擦擠壓因此不會(huì)產(chǎn)生電荷，此時(shí)輸出電壓為零。

這時(shí)動(dòng)環(huán)和定環(huán)之間的電荷分布如附圖1-1所示

鏤空雙圓環(huán)旋轉(zhuǎn)式納米發(fā)電機(jī)由于動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得動(dòng)環(huán)與定環(huán)之間有了一定的錯(cuò)位，如附圖2所示。

這時(shí)動(dòng)環(huán)和定環(huán)之間的接觸摩擦和擠壓，由于摩擦生電和壓電效應(yīng)，會(huì)出現(xiàn)如附圖2-1所示的帶電情形。

由于靜電感應(yīng)會(huì)在定環(huán)的外表面和動(dòng)環(huán)的內(nèi)表面感應(yīng)出等量的異種電荷，如附圖2-2所示。

隨著動(dòng)環(huán)的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)將會(huì)和定環(huán)之間的接觸面積越來(lái)越大直至安全重合，如附圖3所示。

這時(shí)動(dòng)環(huán)和定環(huán)之間的接觸摩擦和擠壓，由于摩擦生電和壓電效應(yīng)，會(huì)出現(xiàn)如附圖3-1所示的帶電情形。

由于靜電感應(yīng)會(huì)在定環(huán)的外表面和動(dòng)環(huán)的內(nèi)表面感應(yīng)出等量的異種電荷，如附圖3-2所示

動(dòng)環(huán)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)動(dòng)環(huán)和定環(huán)又會(huì)錯(cuò)開(kāi)，如附圖1所示。

動(dòng)環(huán)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)環(huán)會(huì)和定環(huán)完全錯(cuò)開(kāi)，直至與下一個(gè)定環(huán)開(kāi)始接接觸。

到此已經(jīng)完整的描述定環(huán)的一個(gè)單元和動(dòng)環(huán)的一個(gè)單元摩擦輸出電荷的過(guò)程。此后旋轉(zhuǎn)的過(guò)程會(huì)不斷的重復(fù)該過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)電荷的不間斷輸出。

除了本實(shí)施例提及的方式外，動(dòng)環(huán)和定環(huán)還可以分別包括三段等長(zhǎng)的圓弧段和三段鏤空段，或四段，或五段，或其他數(shù)量；也可動(dòng)環(huán)在外周，定環(huán)在內(nèi)周。這些變換方式均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。