[发明专利]镂空双圆环旋转式纳米发电机和发电方法

说明书

本发明涉及镂空双圆环旋转式纳米发电机，包括定环、动环、转动机构；定环和动环中，一个在内圆周，一个在外圆周；动环在转动机构的作用下绕圆周相对于定环转动，定环和动环在同一径向方向重叠时，两者紧贴且相对运动，在摩擦效应和压电效应的双重作用下，镂空双圆环旋转式纳米发电机发电。还涉及镂空双圆环旋转式纳米发电机的发电方法。本发明可以多方向施加旋转作用力，解决外力施加方向单一的问题，可以大大提高纳米发电机的输出效率，属于纳米发电技术领域。

技术领域

本发明涉及纳米发电技术，具体的说，涉及基于摩擦效应以及压电效应的镂空双圆环旋转式摩擦纳米发电机和发电方法。

背景技术

目前，随着便携式电子产品的迅猛发展，小型电池的能量密度并没有得到相应明显提高，因而限制电子产品的微型化，因此研究满足各种条件下的新型微型发电机装置成为新的热点。纳米发电机理论上可以获取任何微弱形式的机械能，例如人体运动、肌肉收缩、血液流动等所产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。纳米发电机具有体积小、易制作、能量易获取等优点。通常纳米发电机结构是直立式纳米发电机，例如将直立式纳米发电机植入鞋底，通过导线与外在的装置连接，将人行走过程中产生的电转换成电能，可能在某些领域或者特殊的条件下代替电池或者为电池充电。直立式纳米发电机输出电压是脉冲电压，根据已有报道可知输出电压大小很容易受到脉冲频率的影响，这使得应用范围受到极大的限制，因此需要重新设计纳米发电机的结构，从而扩大纳米发电机的应用范围。

通常情况下纳米发电机结构类似于平行板电容式结构，从上到下依次是驱动电极(肖特基势垒)、纳米线、固定基底。这种结构需要从两极板的外侧向内侧施加力使得两个极板内侧之间的纳米材料相互挤压摩擦，由于摩擦生电和压电效应来产生电荷，在外力撤销后两个极板分开实现电荷分离，当外接电路闭合就会形成电流实现对外供电。然而在实际生活中仅仅从两个正相对的方向施加力的情形并不是很常见，因此现有的结构存在这如下的不足：

(1)外力施加方向单一。现有的直立式纳米发电机由两块正相对的极板组成，很大程度上决定施力的方向只能沿着垂直极板的方向。如果一旦施力的方向稍微发生改变就会大大减小两极板的有效接触面积，在其他条件不变的情况下就会使输出的电荷量急剧减小。

(2)能量转换效率低。直立式纳米发电机输出电能需要经过受力、挤压、摩擦、分离这四步。最开始两个极板之间由于存在一定的间隙而未接触；当外加施加力时，两种材料相互挤压、摩擦发生电荷转移；当形变力释放后两个极板会自动分开，由于中间存在介质层电荷不能完全被中和而形成电势差；为平衡这个电势差，通过静电感应在最外层的极板上感应出相反电性的电荷，外部电路会形成瞬间电流；再次施加压力，摩擦电荷产生的电势不断降低，感应电荷通过外电路向相反方向流动，直至两极板重新接触电流归零。在整个相互作用过程中只有受力接触再分离才会实现电荷量的输出，到下一个同样的周期才回有电荷的输出，因此这中间存在很多都是不能输出电荷量的过程，仅仅作为完整过程中的一个辅助步骤，因此会严重影响纳米发电机的输出效率。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种通过多方向旋转施加力发电的镂空双圆环旋转式纳米发电机和发电方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

镂空双圆环旋转式纳米发电机，包括定环、动环、转动机构；定环和动环中，一个在内圆周，一个在外圆周；动环在转动机构的作用下绕圆周相对于定环转动，定环和动环在同一径向方向重叠时，两者紧贴且相对运动，在摩擦效应和压电效应的双重作用下，镂空双圆环旋转式纳米发电机发电。

作为一种优选，定环在外圆周，动环在内圆周。

作为一种优选，定环包括n段长度相等的圆弧段和n段长度相等的镂空段，圆弧段和镂空段一一间隔设置，圆弧段和镂空段对应的圆心角相等；动环包括n段长度相等的圆弧段和n段长度相等的镂空段，圆弧段和镂空段一一间隔设置，圆弧段和镂空段对应的圆心角相等；其中，n取正整数。