阅读说明：本技术 一种转化水中波动能量的摩擦发电设备 (Friction power generation equipment for converting fluctuation energy in water ) 是由 冯亮 常俊玉 王振名 孟虎 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：一种转化水中波动能量的摩擦发电设备,为一个或多个并联的可漂浮于水面上的摩擦纳米发电体,其组成包括中空的绝缘外壳、两个电极层、外表面带有吸附电子层的块体；于绝缘外壳的内壁面上设有两个相互间隔的电极层,于两个电极层上分别固定有用于与绝缘外壳外部的用电元件相连的导线；外表面带有吸附电子层的块体置于绝缘外壳的内部。摩擦纳米发电体在水面波浪带动下发生平移和转动,内部外表面带有吸附电子层的块体(3)会随之在壳内发生移动,进而产生摩擦电流,将水中波动能量转化为电能。该摩擦发电设备可以,为小型用电设备,如传感器、LED灯等供电,可用于水面上或船只内的便携式应用。(A friction power generation device for converting fluctuation energy in water is one or more parallel friction nano power generators capable of floating on the water surface, and comprises a hollow insulating shell, two electrode layers and a block body with an electron adsorption layer on the outer surface; two electrode layers which are mutually spaced are arranged on the inner wall surface of the insulating shell, and leads which are used for being connected with an electric element outside the insulating shell are respectively fixed on the two electrode layers; the block body with the electron adsorption layer on the outer surface is arranged in the insulating shell. The friction nano generator is driven by water surface waves to translate and rotate, and the block (3) with the adsorption electron layer on the inner outer surface can move in the shell along with the water surface waves, so that friction current is generated, and wave energy in water is converted into electric energy. The friction power generation equipment can supply power for small-sized electric equipment such as a sensor, an LED lamp and the like, and can be used for portable application on the water surface or in a ship.)

一种转化水中波动能量的摩擦发电设备

技术领域

本发明涉及自供电能量转化技术领域，具体涉及一种快速转化水中波动能量为电能的摩擦纳米发电体。

背景技术

随着工业的快速发展，其带来的负面影响也越来越引人注目，大气污染更是其中极为重要的一个领域，生物的生长繁殖和人类的正常生活都受到了很大的影响。2006年，王中林教授课题组依据ZnO半导体纳米材料的压电将性成功的研制出了一种能够直接将环境中的微弱机械能转化为电能的纳米发电机，从而实现了无需外接电源就可为微纳器件提供电能的全新发电模式。经过不断的探索，各国科学家己经研制出了基于材料压电、热电、摩擦电等特性的多种纳米发电机，并且己经成为了纳米器件和纳米系统的有效能量源。该发电量可以应用于很多领域，如可穿戴电子设备、移动设施充电、大能源设想、还有我们最关心的无源传感。

而本发明则直接将制备简单、价格低廉、结构特殊的球形嵌套摩擦纳米发电机应用于自供电设备，它可将水中波动能量转化为电能，有利于水面上或船只内的便携式应用。

发明内容

本发明的目的在于制备一种可以将水中波动转化为电能的自供电设备，将其应用于传感部件的供电，实现无源的可以实时定性检测气体的传感器。该方法通过显示部件提供了可视化信号，且无需外接电源，对长时间监测室内外气体环境有极为重要的意义。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种转化水中波动能量的摩擦发电设备，其特征在于：其为一个或多个并联的可漂浮于水面上的摩擦纳米发电体，包括中空的绝缘外壳、两个电极层、外表面带有吸附电子层的块体；于外壳的内壁面上设有两个相互间隔的电极层，于两个电极层上分别固定有用于与外壳外部的用电元件相连的导线；外表面带有吸附电子层的块体置于外壳的内部。

所述外表面带有吸附电子层的块体的体积为绝缘外壳内部空腔体积的0.01-0.6；外表面带有吸附电子层的块体可绝缘外壳内部空腔中滚动。

所述中空的绝缘外壳为一绝缘的球形外壳，球形外壳材质为：聚丙烯酸(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、尼龙(PA)等常见可塑性好的聚合物中的一种或二种以上，半径3-50cm，厚度0.2-2mm。

所述外表面带有吸附电子层的块体为球形体，半径为外壳半径尺寸的0.1-0.6。

所述设备，其特征在于：吸附电子层材质为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等摩擦电材料中的一种或两种以上。电极层为金、银、铜、铝等可导电且可与吸附电子层产生摩擦起电效应的材料，两个电极层之间的间距为0.2mm-3cm。

可将1-1000个摩擦纳米发电体并联，提高发电功率。

所述用电元件为显示装置、传感器、LED灯中的一种或二种以上。

所述的摩擦纳米发电体在水面波浪带动下发生平移和转动，内部外表面带有吸附电子层的块体会随之在壳内发生移动，进而产生摩擦电流。

本发明具有如下优点:

1.本发明自供电设备无需外接电源，可以实现长时间无外加电源的气体检测与预警，对于本技术领域具有重要的实践和研究价值。

2.提供一种可以随时随地转化水波能量为电能的方法，有利于环境中水面能量的收集。

3.本设备操作方便，制作简单，价格低廉，适合广泛使用。

附图说明：

图1.为摩擦纳米发电体在5h内的发电信号。

图2.为的摩擦纳米发电体的具体结构及发电原理。

图3.为多摩擦纳米发电体单元并联的摩擦发电设备的电路图。

图4.为不同并联单元的摩擦发电设备产生电流变化。

图5.为不同频率下摩擦发电设备产生电流变化。

图6.为摩擦发电设备在实际应用中作为传感器电源时的整体构造图。

具体实施方式

实施例1.

摩擦纳米发电体单元的制备，包括以下步骤：

以半径为4cm，厚度为0.5mm的聚丙烯树脂空心球为外球体，在其内表面通过铝箔胶带粘贴的方式，制备出两个相互间隔的电极层上，两电极间的间距为0.8cm。于两个电极层上分别固定上用于与绝缘外壳外部的用电元件相连的导线。而后，在绝缘外壳内部放入半径为2.5cm的聚四氟乙烯实心球作为纳米发电体的储电层。将外壳旋紧，即形成了一种球形摩擦纳米发电体。该摩擦纳米发电体发电信号极为稳定，在5h内，其电流信号基本无变化，如图1所示。该球形摩擦纳米发电体的发电原理如图2所示。

实施例2.

将多个实施例1中所述摩擦纳米发电体单元并联，制备功率更高的摩擦发电设备。其中1-20个发电单元并联后，摩擦发电设备的电路图如图3所示，并联后发电电流变化如图4所示。并联单元数越多，发电电流越大。同时，该发电电流与水面波动频率有关，如图5所示，频率越大，发电电流越大。

实施例3.

将摩擦纳米发电设备应用于实际，制备自供电传感器件，包括以下步骤：

将实施例1所述能量转化部件作为电源，将其与传感部件、显示部件串联，详细电路如图6所示。显示部件包括12个红色LED灯和一个可调电阻，调节电阻适应能量转化部件的功率，保证LED灯在电路中电流变化时可顺利亮起。部件间以导线相连。传感部件为电阻型氨气传感器，通入氨气时，电阻下降。

通入100ppm氨气，LED灯亮起数量为4个。

实施例4.

如实施例1所述的制备方法，其中，以尺寸为10cm×8cm×6cm，厚度1mm的聚对苯二甲酸甲酯空心长方体作为外壳；在其内表面最小的两个对面上表面通过铜箔胶带粘贴的方式，制备出两个相互间隔的电极层上，两电极间的间距为10cm；两个电极层上分别固定上用于与绝缘外壳外部的用电元件相连的导线；2个3cm的聚偏氟乙烯球为吸附电子层，制备摩擦纳米发电体。在水面波动频率为1Hz时，摩擦纳米发电体发电电流为0.125μA。

实施例5.

如实施例1所述的制备方法，其中，以半径19cm，厚度1.2mm的聚氯乙烯空心球作为外壳，5个边长2cm的聚四氟乙烯正立方体为吸附电子层，制备摩擦纳米发电体。内部立方体在水面波动驱动下可在空心外壳内部两电极间滑动或滚动，五个摩擦纳米发电体并联，水面波动频率2Hz时，摩擦发电设备峰值电流约0.750μA。

实施例6.

如实施例1所述的制备方法，其中，以半径30cm，厚度2mm的尼龙空心球作为外壳，3个5cm的表面裹有聚二甲基硅氧烷的球体为吸附电子层，制备摩擦纳米发电体。水面波动频率2Hz时，摩擦发电体峰值电流约0.253μA。