[发明专利]一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机

说明书

技术领域

本发明涉及微加工技术领域，特别涉及一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机。

背景技术

进入二十一世纪以来，随着人口的快速增长和社会经济的迅猛发展，能源问题业已成为限制人类社会发展的桎梏。随着储量有限的传统化石燃料（煤、石油和天然气等）日益消耗殆尽，国内外研究人员纷纷把目光投向各种新型能量，其中，专为微小型器件和系统供能的纳米发电机一经提出，即受到广泛持续的关注，被誉为引领微纳米能源发展的主导，是解决能源危机的有效手段。2006年美国佐治亚理工学院王中林教授研究组利用氧化锌纳米线将机械能转化成电能，成功实现了压电式纳米发电机[Zhonglin Wang,et al.Science,vol.312,pp.5771,2006；Xudong Wang,et al.Science,vol.316,pp.5821,2007；Yong Qin,et al.Nature,vol.451,pp.7180,2008]，并首次提出了纳米发电机的概念。随后，基于压电特性[Liwei Lin,et al.Nano Lett.,vol.10,pp.726,2010]、基于摩擦特性[Zhonglin Wang,et al.Nano energy,vol.1,pp.328,2012；Haixia Zhang,et al,Nano Lett.,vol.13,pp. 1168,2013]和基于热释电特性[Zhonglin Wang,et al,Nano Lett.,vol.12,pp.2833,2012]等的纳米发电机被陆续研制成功。但上述基于单一特性的纳米发电机，均受到不同的制约和限制，如：基于压电特性的纳米发电机输出电量高，充电能力强，但输出电压不高；基于摩擦特性的纳米发电机输出电压高，但输出电流小，且输出脉冲宽度窄，充电能力弱；基于热释电的纳米发电机，响应速度慢，输出小。

为解决上述问题，收集多种类型能量的复合发电机被研制出来[Zhonglin Wang,et al,Nano Lett.,vol.13,pp.803,2013]。复合发电机集成了不同能量采集方式的优点，通过互补的方式实现高性能纳米发电机。但传统复合纳米发电机输出性能仍然不高，无法实现持续供能，且供电充电能力弱，需要外接电路（如整流滤波电路等）才能供给微电子器件和系统，无法实现直接供能，因此远远无法满足微系统的供能需求。目前，实现压电、摩擦和电磁这三种能量采集方式一体集成的复合纳米发电机还未见报道。此外，各类已有纳米发电机主要采集人体运动等低频机械能，采集自然界中储量丰富的可再生能量（如风能、水能等）还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，将三种能量采集方式—压电、摩擦和电磁，结合在一起，从而实现高性能纳米发电机。利用压电式纳米发电机高电量，与摩擦式纳米发电机高电压，以及电磁式连续高输出的优势互补，形成压电摩擦电磁复合纳米发电机，解决了传统单一形式及复合形式纳米发电机输出功率小的缺陷。通过在摩擦材料表面制备微纳米结构，增加了有效摩擦面积，进一步提高了器件输出性能。利用转子旋转带动摩擦材料实现摩擦，且同时实现对压电材料的挤压，以及线圈切割磁极间磁感应线，从而轻易收集风能水能等储量巨大的清洁能源，且实现连续能量输出。

为达到上述目的，本发明提出的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，包括外壳，转子。在转子外侧相对应位置上，沿轴向设置有一对突起的扣罩式摩擦层。在外壳内侧相对应位置上，沿轴向也设置有一对突起的扣罩式压电层。同时，在外壳内侧，位于所述的一对压电层之间的位置，设置有相对应的一对磁极。

本发明的技术优势是：

1、本发明提出的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，将基于压电的能量采集方式的高电量特性，与基于摩擦的能量采集方式的高电压特性，以及基于电磁的能量采集方式的连续高输出特性相结合，优势互补，可以实现高电压高电流，即高功率高输出的纳米发电机。

2、本发明提出的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，在摩擦材料表面通过倒模或压印的工艺制备了微纳米阵列结构，极大地提高了摩擦效率和有效摩擦面积，从而极大地提高了输出。

3、本发明提出的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，利用转子转动同时实现压电输出、摩擦输出和电磁输出，从而可以轻松地采集风能和水能，提供了一种新型的从大自然采集能量的方式。