基于靜電感應(yīng)的發(fā)電機和發(fā)電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)電機，特別是涉及利用靜電感應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機以及發(fā)電方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子和材料技術(shù)的高速發(fā)展，大量新型具有多種功能和高度集成化的微型電子器件不斷被開發(fā)出來，并在各個領(lǐng)域展現(xiàn)出前所未有的應(yīng)用前景。然而，與這些微型電子器件相匹配的電源系統(tǒng)的研究卻相對滯后，一般說來，這些微型電子器件的電源都是直接或者間接來自于電池。電池不僅體積較大、質(zhì)量較重，而且含有的有毒化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境和人體存在潛在的危害。如果能夠?qū)⒆匀唤缰衅毡榇嬖诘倪\動、振動等機械能加以利用，將可能為微型電子器件提供電源。
[0003]目前發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機可以實現(xiàn)將自然界中普遍存在運動、振動等機械能有效地轉(zhuǎn)化為適于微型電子器件應(yīng)用的需要，目前見諸于報道的所有摩擦納米發(fā)電機的典型結(jié)構(gòu)都需要兩個可以互相接觸和分開的摩擦層，當兩個摩擦層互相接觸或者分離過程中，通過分別設(shè)置在摩擦層的兩個電極層向外電路輸出脈沖電信號。這樣結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機中，一個電極層在摩擦層的帶動下相對于另一個電極層的距離在不停的變化，這樣的結(jié)構(gòu)不僅為摩擦發(fā)電機與外電路的連接帶來了困難；而且，為了保證摩擦發(fā)電機的輸出性能，需要兩個摩擦層材料不斷的接觸或者摩擦，因此，發(fā)電機的耐久性和穩(wěn)定性不能保證。這些限制因素極大的妨礙了摩擦發(fā)電機的推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單的基于靜電感應(yīng)的摩擦發(fā)電機，能夠?qū)h(huán)境中普遍存在的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br>[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于靜電感應(yīng)的發(fā)電機，所述發(fā)電機包括第一部件和第二部件，其中，
[0006]所述第一部件帶有電荷；
[0007]所述第二部件由一個第一電極層和與之配合的一個第二電極層組成，所述第一電極層和第二電極層分隔設(shè)置并且互相電連接；
[0008]當所述第一部件相對所述第二部件的第一電極層移動，使所述第一部件所帶的電荷在所述第一電極層上的電勢改變，在靜電感應(yīng)作用下電荷在第一電極層和第二電極層之間流動形成電流。
[0009]優(yōu)選的，所述第一部件能夠與所述第二部件的第一電極層接觸和分離使第一部件相對于第二部件的第一電極層移動，并且使所述第一部件的表面帶有電荷；
[0010]或者，所述第一部件能夠與所述第二部件的第一電極層互相滑動摩擦并且在摩擦過程中接觸面積發(fā)生變化，使第一部件相對于第二部件的第一電極層移動，并且使所述第一部件的表面帶有電荷；[0011 ] 或者，所述第一部件在與第一電極層接觸前預(yù)先帶有電荷。
[0012]優(yōu)選的，所述第一部件與所述第一電極層能夠互相接觸的表面的形狀和尺寸相當。
[0013]優(yōu)選的，所述第一部件與第二部件的第一電極層互相滑動的表面都為光滑平整表面，或者都為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面。
[0014]優(yōu)選的，所述第一部件與第一電極層能夠互相接觸的兩個表面中至少一個表面經(jīng)過物理或化學(xué)改性處理。
[0015]優(yōu)選的，所述第一部件能夠與所述第一電極層接觸的表面的材料為絕緣材料或者半導(dǎo)體材料。
[0016]優(yōu)選的，所述第一部件不與所述第二部件中任意一個電極層接觸，所述第一部件為帶電物體。
[0017]優(yōu)選的，所述第一部件在第一電極層所在表面上的投影尺寸和形狀與第一電極層的尺寸和形狀相當。
[0018]優(yōu)選的，所述第一部件為駐極體材料。
[0019]優(yōu)選的，還包括摩擦層，所述第二部件的第一電極層貼合在所述摩擦層的下表面。
[0020]優(yōu)選的，所述摩擦層的材料為絕緣材料或者半導(dǎo)體；所述摩擦層的厚度范圍在1nm到5 cm之間。
[0021]優(yōu)選的，所述第一部件能夠與所述摩擦層的上表面接觸和分離使第一部件相對于第二部件的第一電極層移動，并且使所述第一部件的表面帶有電荷；
[0022]或者，所述第一部件能夠與所述摩擦層上表面互相滑動摩擦并且在摩擦過程中接觸面積發(fā)生變化，使第一部件相對于第二部件的第一電極層移動，并且使所述第一部件的表面帶有電荷。
[0023]優(yōu)選的，所述第一部件與所述摩擦層能夠互相接觸的表面的形狀和尺寸相當。
[0024]優(yōu)選的，所述第一部件與摩擦層互相滑動的表面都為光滑平整表面，或者都為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面。
[0025]優(yōu)選的，所述第一部件與第一電極層能夠互相接觸的兩個表面中至少一個表面經(jīng)過物理或化學(xué)改性處理。
[0026]優(yōu)選的，所述第一部件能夠與所述摩擦層互相接觸的兩個表面的材料為絕緣材料、半導(dǎo)體或者導(dǎo)體材料；所述第一部件與所述摩擦層能夠互相接觸的兩個表面的材料存在電極序差異。
[0027]優(yōu)選的，所述第一部件不與所述摩擦層和第二部件接觸，所述第一部件為帶電物體。
[0028]優(yōu)選的，所述第一部件在第一電極層所在表面上的投影尺寸和形狀與第一電極層的尺寸和形狀相當。
[0029]優(yōu)選的，所述第一部件為駐極體材料。
[0030]優(yōu)選的，還包括隔離層，所述隔離層用于隔離所述第二部件的第一電極層以及第二電極層，使二者隔離開并且保持設(shè)定的相對位置。
[0031]優(yōu)選的，所述隔離層的材料為絕緣體材料。
[0032]優(yōu)選的，所述第二部件的第一電極層和第二電極層均鑲嵌在所述隔離層中，至少第一電極層的上表面露出所述隔離層；
[0033]或者，所述隔離層將所述第一電極層和/或第二電極層全部包裹?。?br>[0034]或者，所述隔離層和所述第二部件的兩個電極層按照層疊方式設(shè)置，第二部件的第一電極層和第二電極層分別設(shè)置在隔離層的上下表面。
[0035]優(yōu)選的，所述絕緣材料為下列材料中的一種或幾種:聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維海綿、聚氨酯彈性體、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纖維、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯柔性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、派瑞林、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、棉及其織物、聚氨酯彈性體、木頭、硬橡膠和醋酸酯。
[0036]優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體材料為下列材料中的一種或幾種:硅、鍺、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物、以及由II1- V族化合物和I1- VI族化合物組成的固溶體、非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機半導(dǎo)體，以及非導(dǎo)電性氧化物、半導(dǎo)體氧化物和復(fù)雜氧化物半導(dǎo)體。
[0037]優(yōu)選的，所述經(jīng)過物理改性的表面部分或全部分布有微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)陣列。
[0038]優(yōu)選的，所述經(jīng)過化學(xué)改性的表面，全部或部分分布有納米、微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)選自納米線、納米管、納米顆粒、納米棒、納米花、納米溝槽、微米溝槽，納米錐、微米錐、納米球或微米球狀結(jié)構(gòu)，以及由前述結(jié)構(gòu)形成的陣列。
[0039]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層的材料為金屬或銦錫氧化物ΙΤ0、FTO或?qū)щ姼叻肿硬牧稀?br>[0040]優(yōu)選的，所述第一部件、第一電極層和/或第二電極層為柔性材料。
[0041]優(yōu)選的，所述第一部件、第一電極層、第二電極層和/或摩擦層為柔性材料。
[0042]優(yōu)選的，所述隔離層為柔性材料。
[0043]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種基于靜電感應(yīng)的發(fā)電方法，應(yīng)用上述任一項所述的發(fā)電機，包括步驟:
[0044]所述第一部件相對于第一電極層移動，使第一部件所帶的電荷在第一電極層上的電勢改變；在所述第一電極層與第二電極層之間產(chǎn)生電荷流動形成電流。
[0045]優(yōu)選的，所述第一部件相對于第一電極層移動，具體為第一部件與第一電極層的表面發(fā)生接觸后分離，使第一部件帶有電荷；
[0046]或者，所述第一部件相對于第一電極層移動，具體為第一部件與第一電極層的表面互相滑動摩擦，并且在滑動過程中使接觸面積發(fā)生變化，使第一部件表面帶有的電荷；
[0047]或者，所述第一部件相對于第一電極層移動，具體為第一部件相對于第一電極層移動，并且始終不與第一電極層接觸，所述第一部件自身帶有電荷。
[0048]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列有益效果:
[0049]1、本發(fā)明的發(fā)電機中，第一部件與第二部件的電極層或者附著在第一電極層上的摩擦層的表面互相接觸摩擦或者是滑動摩擦，使第一部件表面帶有電荷，然后在第一部件相對于第一電極層的接觸分離或者滑動摩擦兩種相對運動模式下，使得第一部件帶有的電荷在第一電極層上的電勢發(fā)生變化，導(dǎo)致第二部件的兩個電極層之間有電荷流動，形成電流?；蛘撸谝徊考旧韼в须姾?，不需要與第二部件中任何一個電極層接觸而與第一電極層的相對位置發(fā)生變化，也可以在靜電感應(yīng)作用下，導(dǎo)致第二部件的兩個電極層之間有電荷流動，形成電流。因此，在第一部件相對于第一電極層或者摩擦層運動時，第二部件的兩個電極層不需要跟隨第一部件運動，兩個電極層之間的距離或相對位置可以根據(jù)外電路連接的便利性或者工作環(huán)境等條件進行方便的設(shè)置，本發(fā)明的發(fā)電機使用范圍廣泛，可以方便的將日常生活中存在機械能轉(zhuǎn)化為電能。
[0050]2、在第二部件的第一電極層上設(shè)置摩擦層，在發(fā)電過程中第一部件不與第一電極層直接接觸和互相滑動，避免了第二部件中電極層的磨損，極大的提高了發(fā)電機的使用耐久性。
[0051]3、由于不需要在