一种基于空间电荷积累的摩擦发电机制造技术

本发明专利技术公开一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，包括转子和定子，转子包括上电极，定子包括下电极、下绝缘介电膜、下基板和空间电荷积累区域，所述空间电荷积累区域由无下电极区域的下绝缘介电膜和下基板组成。本发明专利技术中空间电荷积累区域的设计，使得定子分布有大面积的无电极区域，大大减少制作成本并能大幅提高面电荷密度；上、下绝缘介电膜的设计，避免了金属与非金属材料之间的摩擦，使得发电机的寿命更长；本发明专利技术可以在正常温湿度的大气环境下有效的收集低频能量，产生高电荷密度，在驱动较大功率设备，自供电设备等方面具有一定潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间电荷积累的摩擦发电机
本专利技术涉及电气
，特别涉及一种基于空间电荷积累的摩擦发电机。
技术介绍
基于摩擦起电和静电感应耦合效应的摩擦发电机(TENG)相比传统发电机，具有质量轻、成本低廉、易于制造、形态多样和生态友好等优点，其输出一般表现为高电压、小电流。摩擦发电机被广泛用于收集环境中的机械能，如震动、声波、水波和风能等。目前TENG展现出了其在物联网中为众多小型设备、便携式设备、自供电设备和传感器供能的潜力。目前TENG在实际应用和商业化道路上存在的主要问题是低频驱动下输出功率不够。TENG的输出功率与其电荷密度的平方成正比关系。对于传统的TENG，目前有大量的研究关注于如何提高TENG的电荷密度，例如通过材料筛选、电荷注入、材料表面修饰、环境控制以及激励补充等方式改善TENG的工作条件，期望提高电荷密度和输出功率。然而受制于工作模式和环境，很难在正常的温湿度环境中(例如温度25℃，湿度70％)实现低频大电荷密度。因此有必要专利技术一种新型结构的摩擦发电机在实际环境中获得大电荷密度，以实现广泛而高效的能量采集和应用。
技术实现思路
针对现有技术中摩擦发电机无法在正常的温湿度环境中实现低频大电荷密度的问题，本专利技术提出一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，为了实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，包括转子和定子，转子包括上电极，所述定子包括下电极、下绝缘介电膜、下基板和空间电荷积累区域，所述空间电荷积累区域为无下电极的下绝缘介电膜和下基板之间的空间。优选的,所述转子还包括上基板、接触层和上绝缘介电膜；所述接触层位于上基板和上电极之间，所述上绝缘介电膜覆盖在上电极的表面。优选的,所述下基板上排列有下电极和空间电荷积累区域，所述下绝缘介电膜覆盖在下电极和空间电荷积累区域的表面。优选的,所述空间电荷积累区域的长度大于上电极的长度，以保证运动过程中上电极能够与下电极不接触。优选的,所述上电极接地或连接充能元器件，起到电荷屏蔽的作用。优选的,所述定子中的空间电荷积累区域和下电极有如下的排列方式：a,下电极-空间电荷积累区域-下电极-空间电荷积累区域；b,空间电荷积累区域-下电极-间隔-下电极；c，空间电荷积累区域-下电极。优选的,所述上电极和下电极的材料是金属材料或非金属导电材料。优选的,所述上电极和下电极的边缘倒圆角，避免对上绝缘介电膜和下绝缘介电膜的电击穿。优选的,所述上绝缘介电膜和所述下绝缘介电膜为不同电负性的绝缘介电膜。优选的,所述接触层是泡棉、硅胶垫、气垫的任意一种或组合。综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术提供的摩擦发电机设计简单、灵活、成本低、适用场景广，发电机主体不需要额外的复杂电源管理辅助就可以产生高电荷密度。上电极电荷屏蔽的设计，使得转子在实现其功能的同时还可以作为一个输出源，结合定子输出形成主体发电机双输出；空间电荷积累区域的设计，使得定子部分分布大面积的无电极区域，大大减少制作成本并能大幅提高面电荷密度；上、下绝缘介电膜的设计，避免了金属与非金属材料之间的摩擦，使得发电机的寿命更长；转子和定子的设计灵活可变，可以变形为转动式，用于直接收集转动能量，且电极数量和尺寸均可调整以实现不同的需求。空间电荷积累摩擦发电机，在正常温湿度的大气环境下能够有效的收集低频能量，产生高电荷密度，在驱动较大功率设备，自供电设备等方面具有一定潜力。附图说明：图1为现有技术中摩擦发电机结构示意图。图2为根据本专利技术示例性实施例1的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机结构示意图。图3为根据本专利技术示例性实施例1的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机的定子俯视示意图。图4中a～l图为根据本专利技术示例性实施例1的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机中空间电荷积累原理示意图。图5a～图5g为根据本专利技术示例性实施例1的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机中的输出数据图。图6为根据本专利技术示例性实施例2的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机结构示意图。具体实施方式下面结合实施例及具体实施方式对本专利技术作进一步的详细描述。但不应将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
技术实现思路
所实现的技术均属于本专利技术的范围。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。如图1所示，传统的滑动摩擦发电机一般是由转子和定子组成的，转子和定子互相配合产生交流电输出，为负载提供电能。定子中的下电极6是呈现均匀排列的，即下电极6之间的间隙是相同的，转子和定子之间的摩擦层面电荷密度总会饱和，从而无法实现高面电荷密度输出。实施例1如图2所示，本专利技术提供一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，包括转子和定子，转子和定子互相配合产生交流电输出，为负载提供电能。转子包括上基板1、接触层2、上电极3和上绝缘介电膜4，上绝缘介电膜4覆盖在上电极3的表面；定子包括下绝缘介电膜5、下电极6、下基板7以及空间电荷积累区域8，下绝缘介电膜5覆盖在下电极6的表面，空间电荷积累区域8位于下电极6的两侧，所述空间电荷积累区域8为无下电极6的下绝缘介电膜和下基板之间的空间，可以起到积累电荷的作用。所述上绝缘介电膜4和下绝缘介电膜5具有不同的电负性，例如上绝缘介电膜4为聚四氟乙烯薄膜，下绝缘介电膜5为尼龙薄膜，从而可以摩擦起电。所述空间电荷积累区域8的绝缘介电膜与转子上的绝缘介电膜具有不同的电负性，以容易逸散电荷的如尼龙(PA)等弱驻极体摩擦材料为佳。本实施例中，转子是相对于定子滑动，定子可以固定也可以运动。本实施例中，转子中的上基板1、接触层2、上绝缘介电膜4的长度相同，上电极3的长度要小于上绝缘介电膜4的长度以防止上电极3边缘空气击穿，上电极3位于接触层2和上绝缘介电膜4之间；定子中的下绝缘介电膜5、下电极6、下基板7的长度相同，下电极6的长度要小于下绝缘介电膜5的长度以防止下电极6边缘空气击穿，下电极6位于下绝缘介电膜5和下基板7之间。所述定子上的下电极6可以是带有间隙的双电极也可以是单电极。双电极模式中两个下电极之间产生交流电驱动负载；单电极模式中下电极与接地端之间产生交流电驱动负载。所述接触层2可以是泡棉、硅胶垫、气垫等其他具有可回弹性质的材料，可以根据需要安装在定子上或者动子上。上绝缘介电膜4和下绝缘介电膜5的双绝缘介电膜的设计，避免了金属与非金属材料之间的摩擦，使得发电机的寿命更长，可以是介电常数较高的高分子聚合物膜，其厚度在0.03mm-0.1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，包括转子和定子，转子包括上电极，其特征在于,所述定子包括下电极、下绝缘介电膜、下基板和空间电荷积累区域，所述空间电荷积累区域为无下电极的下绝缘介电膜和下基板之间的空间。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，包括转子和定子，转子包括上电极，其特征在于,所述定子包括下电极、下绝缘介电膜、下基板和空间电荷积累区域，所述空间电荷积累区域为无下电极的下绝缘介电膜和下基板之间的空间。


2.如权利要求1所述的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，其特征在于,所述转子还包括上基板、接触层和上绝缘介电膜；所述接触层位于上基板和上电极之间，所述上绝缘介电膜覆盖在上电极的表面。


3.如权利要求1所述的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，其特征在于,所述下基板上排列有下电极和空间电荷积累区域，所述下绝缘介电膜覆盖在下电极和空间电荷积累区域的表面。


4.如权利要求1所述的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，其特征在于,所述空间电荷积累区域的长度大于上电极的长度，以保证运动过程中上电极能够与下电极不接触。


5.如权利要求2所述的一种基于空间电荷积累的摩擦发电机，其特征在于,所述上电极接地或连接充能元器件，起到电荷屏...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡陈果，贺文聪，刘文林，郭恒宇，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50