阅读说明：本技术 能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机及传感器 (Direct-current nano generator capable of collecting mechanical energy and heat energy simultaneously and sensor ) 是由 刘迪 易郅颖 周灵琳 王杰 其他发明人请求不公开姓名 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机及传感器。该能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机包括机体、转子部以及定子部；机体内部具备容纳空间；转子部设置于容纳空间内,转子部包括摩擦介质层；定子部设置于容纳空间内且与转子部相向设置,定子部包括摩擦电极和电荷收集电极,其中,摩擦电极面向摩擦介质层设置,当定子部与转子部相对运动时摩擦电极与摩擦介质层能够摩擦起电,电荷收集电极面向摩擦介质层设置且与摩擦介质层间隔预设距离,以在定子部与转子部相对运动时电荷收集电极与摩擦介质层之间形成电场。本发明的能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机,对于机械能的转换率高,且能够同时收集热能。(The invention discloses a direct-current nano generator and a sensor capable of collecting mechanical energy and heat energy simultaneously. The direct-current nano generator capable of simultaneously collecting mechanical energy and heat energy comprises a machine body, a rotor part and a stator part; the body is provided with an accommodating space inside; the rotor part is arranged in the accommodating space and comprises a friction medium layer; the stator part is arranged in the accommodating space and arranged opposite to the rotor part, the stator part comprises a friction electrode and a charge collection electrode, the friction electrode is arranged facing to a friction medium layer, the friction electrode and the friction medium layer can generate friction electrification when the stator part and the rotor part move relatively, the charge collection electrode is arranged facing to the friction medium layer and is spaced from the friction medium layer by a preset distance, and an electric field is formed between the charge collection electrode and the friction medium layer when the stator part and the rotor part move relatively. The direct-current nano generator capable of simultaneously collecting mechanical energy and heat energy has high conversion rate of mechanical energy and can simultaneously collect heat energy.)

能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机及传感器

技术领域

本发明涉及能量收集技术领域，尤其涉及一种能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机及传感器。

背景技术

现有的交流摩擦纳米发电机，通过接触起电将环境中的机械能转换为静电能，而后通过静电感应将静电能转换成电能。

然而，由于介质击穿现象的存在，现有的交流摩擦纳米发电机只能将一部分静电能转换成电能，而另外一部分静电能则由于静电击穿而被释放，因此，现有的交流摩擦纳米发电机最终的能量输出不会超过输入的机械能，整体上能量转换率较低。

发明内容

本发明实施例提供一种能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机及传感器，以解决现有的交流摩擦纳米发电机的能量转换率较低的问题。

一方面，本发明实施例提出了一种能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机，包括机体、转子部以及定子部；机体内部具备容纳空间；转子部设置于容纳空间内，转子部包括摩擦介质层；定子部设置于容纳空间内且与转子部相向设置，定子部包括摩擦电极和电荷收集电极，其中，摩擦电极面向摩擦介质层设置，当定子部与转子部相对运动时摩擦电极与摩擦介质层能够摩擦起电，电荷收集电极面向摩擦介质层设置且与摩擦介质层间隔预设距离，以在定子部与转子部相对运动时电荷收集电极与摩擦介质层之间形成电场。

根据本发明实施例的一个方面，定子部还包括定子基板，定子基板面向转子部设置，摩擦电极设置于定子基板的面向转子部的一面，且定子基板与转子部相对运动时摩擦电极能够与摩擦介质层摩擦起电。

根据本发明实施例的一个方面，电荷收集电极设置于定子基板的侧面。

根据本发明实施例的一个方面，定子基板面向转子部的一面具有凹陷区，电荷收集电极设置于凹陷区。

根据本发明实施例的一个方面，由定子部向转子部观察，定子基板的形状为扇形。

根据本发明实施例的一个方面，定子部的数量为多个，多个定子部沿转子部的周向环状排列。

根据本发明实施例的一个方面，转子部还包括转子基板，转子基板面向定子部设置，摩擦介质层设置于转子基板的面向定子部的一面，转子基板能够相对于定子部运动，且摩擦介质层能够与摩擦电极摩擦起电。

根据本发明实施例的一个方面，电荷收集电极与摩擦介质层之间的间距范围为50um-1cm。

根据本发明实施例的一个方面，摩擦介质层的材料为绝缘体材料，摩擦电极和电荷收集电极的材料均为导电材料。

根据本发明实施例的一个方面，在高温环境工作；优选的，温度范围为293K-473K。

根据本发明实施例的一个方面，温度范围为413K-473K。

根据本发明实施例的一个方面，机体的容纳空间内部为填充有气体介质；优选的，气体介质为空气、氮气、氧气或氩气，或者上述两种或多种气体的混合气体；和/或，机体的容纳空间内部的压强范围为10Pa-100000Pa；优选的，所述压强范围为100Pa-2000Pa。

另一方面，本发明实施例提出了一种传感器，包括如前述的能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机。

本发明实施例提供的能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机，当定子部与转子部相对运动时，摩擦电极与摩擦介质层摩擦起电，将机械能转换为静电能，电荷收集电极与摩擦介质层之间形成电场，通过静电击穿，将静电能直接转换为电能，同时，在高温下，利用热能增强介质击穿，实现在单个纳米发电机中同时收集机械能和热能，不但提高了纳米发电机对于机械能的转换率，还能同时收集环境中的热能，解决了现有的交流摩擦纳米发电机的能量转换率较低的问题。低压和高温的环境下空气击穿的增强，为该直流摩擦纳米发电机应用于地外行星能量收集提供了可能(如应用于火星上自然形成的低压高温环境)，极大地拓宽了直流摩擦纳米发电机的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机的拆分结构示意图。

图2为本发明实施例的能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机的机体的结构示意图。

图3a及图3b为本发明实施例的能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机的发电原理示意图。

图4为本发明实施例的能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机的随气压上升其输出性能变化示意图。

图5为本发明实施例的能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机的随温度上升其输出性能变化示意图。

图6a及图6b为本发明实施例的能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机的在空气、氮气、氧气氛围中随气压上升其输出性能变化示意图。

图7a及图7b为本发明实施例的能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机的在不同负载下在空气、氮气、氧气氛围中其输出性能变化示意图。

附图中：

100-机体，200-转子部，300-定子部；

101-进气口，102-出气口；

201-摩擦介质层，202-转子基板；

301-摩擦电极，302-电荷收集电极，303-定子基板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“内”、“外”、“顶部”、“底部”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发明和简化描述，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发明的限制。

请参阅图1和图2，本发明实施例的能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机，包括机体100、转子部200以及定子部300；机体100内部具备容纳空间；转子部200设置于容纳空间内，转子部200包括摩擦介质层201；定子部300设置于容纳空间内且与转子部200相向设置，定子部300包括摩擦电极301和电荷收集电极302，其中，摩擦电极301面向摩擦介质层201设置，当定子部300与转子部200相对运动时摩擦电极301与摩擦介质层201能够摩擦起电，电荷收集电极302面向摩擦介质层201设置且与摩擦介质层201间隔预设距离，以在定子部300与转子部200相对运动时电荷收集电极302与摩擦介质层201之间形成电场。在本实施例中，摩擦纳米发电机工作在高温环境下，温度范围可以为293K-473K，当定子部300与转子部200相对运动时，摩擦电极301与摩擦介质层201摩擦起电，将机械能转换为静电能，电荷收集电极302与摩擦介质层201之间形成电场，通过静电击穿，将静电能直接转换为电能，同时，利用热能增强介质击穿，实现在单个纳米发电机中同时收集机械能和热能，不但提高了纳米发电机对于机械能的转换率，还能同时收集环境中的热能。优选的，摩擦纳米发电机工作在高温环境下，温度范围优选为413K-473K。

需要说明的是，人类生存的环境中同时存在多种类型的能量，通常情况下，必须依赖多种能量收集技术才能实现同时收集多种类型的能量，而由于各种能量收集技术之间的不匹配性，极大地增加了能量收集系统的复杂性。本实施例提供的纳米发电机，直接将摩擦起电产生的静电能转换成击穿能量，利用静电击穿，能够减少摩擦表面剩余电荷，从而减小静电能损耗，同时，摩擦起电所产生的电荷量在高温环境下几乎不受影响，由此结合高温环境下雪崩击穿的增益，实现在单个纳米发电机中同时收集机械能和热能。

承接上述，随着环境温度的增加，电子的平均自由程和碰撞的几率不断增加，因此，在上述电场中的电子将会获得更多的能量，使得雪崩击穿更容易发生，纳米发电机的输出将会随着温度的增加而提高，体现为纳米发电机的输出电量及电压均会增加。

本实施例的纳米发电机，当在外部驱动作用下，定子部300与转子部200相对运动时，摩擦电极301与摩擦介质层201摩擦起电，电子由摩擦电极301转移至摩擦介质层201，摩擦电极301的表面将具有净的正电荷，摩擦介质层201的表面将具有净的负电荷，在电荷收集电极302与摩擦介质层201表面之间将会形成一个电场，随着定子部300与转子部200的继续相对运动，该电场得到加强，当电场强到高于介质击穿临界值时便发生击穿，电子将由摩擦介质层201的表面流向电荷收集电极302，实现放电，如果定子部300与转子部200的一直保持相对运动，则放电过程将一直持续。并且，因摩擦起电而由摩擦电极301转移至摩擦介质层201的电子，因介质击穿而由摩擦介质层201转移至电荷收集电极302，再通过外电路流回摩擦电极301，因为上述电场的方向始终是由电荷收集电极302指向摩擦介质层201，故纳米发电机的输出电流的方向始终为单向，即纳米发电机的输出电流为直流。由此，本实施例的纳米发电机，其发电原理如图3a及图3b所示(图3a示意摩擦起电，图3b示意介质击穿)，电荷收集电极302和摩擦电极301可直接用于与电子器件连接，从而可直接驱动电子器件，而不需要整流桥和能量存储单元。

对于上述介质击穿，具体实践中，介质可为空气，或其它混合种类气体，或单一种类气体。发生介质击穿与摩擦介质层201的材料有关，也与摩擦介质层201和电荷收集电极302的间距有关，合理选择摩擦介质层201的材料及上述间距，介质击穿便易于发生。

此外，如图2所示，机体100具有进气口101及出气口102，可通过进气口101及出气口102控制机体100内气体介质的组成、压强等；进气口101及出气口102均可位于机体100的顶部。气体介质除了可以为空气外，还可以为氮气、氧气、氩气等气体，可以为一种气体也可以为上述两种或者多种气体的混合气体。机体100内的压强范围可以为10Pa-100000Pa，优选为100Pa-2000Pa。

作为一个可选实施例，定子部300还包括定子基板303，定子基板303面向转子部200设置，摩擦电极301设置于定子基板303的面向转子部200的一面，且定子基板303与转子部200相对运动时摩擦电极301能够与摩擦介质层201摩擦起电。

本实施例的定子基板303用于固定摩擦电极301，保证摩擦电极301与摩擦介质层201能够摩擦起电，摩擦电极301与定子基板303之间可为粘接连接；定子基板303固定连接于机体100内部，可粘接于机体100内壁；定子基板303的材料采用绝缘材料。

作为一个可选实施例，电荷收集电极302设置于定子基板303的侧面，相较于摩擦电极301，电荷收集电极302与摩擦介质层201之间具备更大的间距，在定子部300与转子部200相对运动时电荷收集电极302与摩擦介质层201之间形成电场，并产生空气(气体介质)击穿。电荷收集电极302与摩擦介质层201之间的间距范围可以为50um-1cm。

作为一个可选实施例，定子基板303面向转子部200的一面具有凹陷区，电荷收集电极302设置于凹陷区，以保证电荷收集电极302与摩擦介质层201能够具备合适的间距。

在本实施例中，凹陷区可为凹槽的结构形式，电荷收集电极302嵌入凹槽，凹槽的形状可与电荷收集电极302的形状相匹配，以稳定地固定电荷收集电极302；或者，定子基板303面向转子部200的一面可为阶梯状结构，定子基板303的较薄的区域即为凹陷区，电荷收集电极302设置于该区域内，且电荷收集电极302的边缘可与阶梯处抵接。

作为一个可选实施例，由定子部300向转子部200观察，定子基板303的形状为扇形。

本实施例的定子基板303可为扇形，对应地，摩擦电极301也可为扇形，电荷收集电极302可呈直线状延伸，且电荷收集电极302可设置于扇形的定子基板303的径向边上，或者，电荷收集电极302可设置于扇形的定子基板303的扇形面上。

作为一个可选实施例，定子部300的数量为多个，多个定子部300沿转子部200的周向环状排列。

本实施例的多个定子部300可沿转子部200的周向呈环状排列，多个定子部300的一端可相互接合，该接合处对应转子部200的旋转中心设置区域；优选地，多个定子部300沿转子部200的周向均匀分布。

由定子部300向转子部200观察，当定子部300的形状为扇形时，多个定子部300的弧形边所在端的反端可相互接合，即多个定子部300整体上可为圆形去除多个扇形后的结构形式，该圆形的圆心可与转子部200的旋转中心相对应。

可以理解，多个定子部300能够相对于转子部200同步转动，多个定子部300的摩擦电极301同时与摩擦介质层201摩擦起电，多个定子部300的电荷收集电极302均与摩擦介质层201形成电场，相当于多个纳米发电机并联，提高整体电能输出。

作为一个可选实施例，转子部200还包括转子基板202，转子基板202面向定子部300设置，摩擦介质层201设置于转子基板202的面向定子部300的一面，转子基板202能够相对于定子部300运动，且摩擦介质层201能够与摩擦电极301摩擦起电。

本实施例的转子基板202用于固定摩擦介质层201，保证摩擦介质层201与摩擦电极301具备合适的距离能够摩擦起电，摩擦介质层201与转子基板202之间可为粘接连接；转子基板202固定连接于机体100内部，可粘接于机体100内壁，面向定子部300设置，具体为转子基板202与定子基板303相向设置；转子基板202的材料采用绝缘材料。

并且，摩擦介质层201与转子基板202之间设置有泡沫层，使得摩擦介质层201与摩擦电极301之间的接触更加柔和，减轻摩擦介质层201的磨损，延长发电机整体的使用寿命。

作为一个可选实施例，摩擦介质层201的设置范围覆盖定子部300。

本实施例的摩擦介质层201可为一整片，转子部200与定子部300相对转动时，摩擦电极301能够一直与摩擦介质层201摩擦起电，同时，电荷收集电极302与摩擦介质层201之间能够一直形成电场。进一步地，当定子部300的数量为多个时，摩擦介质层201的设置范围覆盖所有的定子部300。

作为一个可选实施例，由转子部200向定子部300观察，转子基板202的形状可为圆形，圆形的转子基板202的圆心为其旋转中心，摩擦介质层201的形状也可为圆形，摩擦介质层201的面积大于或等于定子部300旋转扫过的区域的面积。

作为一个可选实施例，定子部300与转子部200可沿竖直方向上下设置，定子基板303可设置于转子基板202的上方或下方。当定子部300位于转子部200的上方时，定子基板303位于转子基板202的上方，摩擦电极301设置于定子基板303的底面，对应地，摩擦介质层201设置于转子基板202的顶面。

作为一个可选实施例，摩擦介质层201的材料为绝缘体材料，摩擦电极301和电荷收集电极302的材料均为导电材料。上述提及的定子基板303、转子基板202及泡沫层的材料均采用轻质绝缘材料。

在本实施例中，摩擦介质层201的材料为绝缘体材料，进一步为靠近摩擦电序列“负”方向的材料，得电子能力较强，有利于提高纳米发电机的输出，且所选择的材料均为耐高温材料时，可以在更高的温度下工作，为后续的同时收集机械能和热能奠定材料基础。可选自：聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚酰亚胺(Kapton)、尼龙等。摩擦电极301和电荷收集电极302的材料均为导电材料，可为金属材料或金属合金，可选自：铜、铝、铁等。

进一步地，摩擦介质层201的材料可同时为驻极体材料，如聚四氟乙烯，能够在相当长一段时间内保存电荷，有利于前述的电场的形成及保持，也有利于静电击穿的发生。

同时，可通过微加工的方法修饰摩擦介质层201及摩擦电极301的材料的表面形貌，如加工为具备微型凸起的不平整表面，以提高摩擦有效性，且增强电场，进而有利于介质击穿的发生。

以下，分别由介质类型、压强及环境温度方面对本实施例的直流纳米发电机的输出特性进行说明：

一、随着气压逐渐上升，输出电量先增高，至1000Pa左右达到峰值，而后降低，如图4所示。这与空气击穿理论所描述的现象一致，说明在合适的气压环境下，空气击穿过程可以得到增强，从而增大电能输出。

二、在300Pa的气压下，随着温度的升高，输出电量呈现指数式增长，如图5所示。原因是热能增强空气击穿，以及高温减小了摩擦介质层201表面的剩余电荷，实现了同时收集机械能和热能。

三、在10Pa-100000Pa测试气压范围内，在氧气氛围中的输出性能(转移电荷量、输出电压)显著高于在空气、氮气氛围中的输出性能，如图6a及图6b所示。原因是氧气的击穿阈值电压在该气压范围内低于空气、氮气，在相同条件下，本实施例的直流纳米发电机在氧气氛围中能够收集到更多的由氧气分子击穿而产生的电荷，由此得到更高的输出性能，符合帕邢定律的气体击穿曲线变化规律。

四、在常压下，在不同负载(阻抗)下，在氧气氛围中的输出电流及输出功率约为在空气氛围中的两倍，如图7a及图7b所示。表明了在常压氧气气氛下输出性能能够得到显著增益，并可直接用于给电容充电以及驱动电子器件。

综上，本实施例的直流纳米发电机，在一定的气压和温度范围内均可实现热能增强空气击穿，进一步地，在更容易发生击穿的气压和温度下具有更高的能量转换效率，输出性能可实现增强，特别地，氧气氛围对输出性能具有显著增益效果。

由此，本实施例的直流纳米发电机可通过调节气体介质的类型和气压大小来实现输出性能调控，更深远地，为直流纳米发电机的优化提供了明确的方向。

本发明实施例还提供一种传感器，包括如上述实施例的能够同时收集机械能和热能的直流纳米发电机。

在本实施例中，直流纳米发电机作为发电元件，可直接驱动感应元件及其它耗电元件，而不需要整流桥和能量存储单元，也可直接作为感应元件或感应元件的组成部分，且该直流纳米发电机对于机械能的转换效率高，还能够在收集机械能的同时收集热能，能量利用更充分，发电能力更强，拓宽了传感器的应用场景，如可应用于气压传感、气体传感、温度传感等，为传感器的广泛应用提供了可靠支持。

本领域内的技术人员应明白，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。