[发明专利]可重构风能能量收集-存储一体式单元与方法

权利要求书

1.一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于包括：支撑框架(3)，支撑框架(3)内部设有铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)和金属电极(1)，铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)的固定端(21)在支撑框架(3)内部一侧与可重构支撑结构(4)固定连接，铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)的活动端(22)与支撑框架(3)不连接，可重构支撑结构(4)与支撑框架(3)可拆卸式连接，可重构支撑结构(4)在支撑框架(3)内部的位置可调节，金属电极(1)位于铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)上下两侧，金属电极(1)用于摩擦起电和导电输出，上下两个金属电极(1)均接地，支撑框架(3)顶部设有铁块(5)；

所述铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)包括从上到下堆叠在一起的负性摩擦起电层(6)、铁电材料层(7)、正性摩擦起电层(8)，负性摩擦起电层(6)、铁电材料层(7)、正性摩擦起电层(8)构成介电层-铁电层-介电层的三明治结构，负性摩擦起电层(6)材料的得电子能力强于正性摩擦起电层(8)材料的得电子能力，负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)都为柔性材料薄膜；

当调节可重构支撑结构(4)的位置使铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)与两个金属电极(1)分离的时候，构成能量收集单元用于收集风能，风能气流从铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)和金属电极(1)之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦；当调节可重构支撑结构(4)使两层金属电极(1)与负性摩擦起电层(6)、铁电材料层(7)、正性摩擦起电层(8)构成的三明治结构紧密接触时，整个单元构成了平板电容器，用以存储在正性摩擦起电层、负性摩擦起电层上的摩擦极化电荷。

2.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：负性摩擦起电层(6)为铁氟龙或聚氟乙烯或聚氯乙烯。

3.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：正性摩擦起电层(8)为尼龙、或聚氨酯、或氟化镁。

4.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：铁电材料层(7)材料选自钛酸钡、磷酸二氢钾、钛酸锶钡、铌酸钾钠其中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：金属电极(1)采用铝或金制备。

6.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：铁电材料层(7)为厚度为100nm～200nm的薄膜。

7.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：金属电极(1)厚度范围为30-70微米。

8.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：金属电极(1)为单电极结构。

9.权利要求1至8任意一项所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

①柔性衬底经化学试剂清洗并干燥；

②使用物理气相沉积在柔性衬底上沉积金属导电电极，并通过引线引出接地；

③采用流延法制备铁电薄膜；

④采用热压印在铁电薄膜正反两面分别贴附负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)；负性摩擦起电层(6)材料的得电子能力强于正性摩擦起电层(8)材料的得电子能力，而金属电极的得电子能力在这两种材料之间，因此在与金属电极层接触分离的过程中，负性摩擦起电层(6)表面带上负电荷，而正性摩擦起电层(8)表面带上正电荷；

⑤将柔性衬底上的金属电极(1)固定在支撑框架(3)内部，通过可重构支撑结构(4)将中间的负性摩擦起电层(6)、铁电材料层(7)、正性摩擦起电层(8)构成的三明治结构的固定端支撑在支撑框架(3)内部，调节支撑框架的高度切换单元的能量收集及能量存储两个功能。

10.利用权利要求1至8任意一项所述单元进行风能能量收集-存储的方法，其特征在于：当收集风能时，风能气流从铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)和金属电极(1)之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦；两端金属电极(1)的摩擦电极序位于负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)之间；因此，在接触分离的过程中，位于上端的金属电极(1)带上摩擦正电荷，负性摩擦起电层(6)带上摩擦负电荷；而位于下端的金属电极(1)带上摩擦负电荷，正性摩擦起电层(8)带上摩擦正电荷；负性摩擦起电层(6)的摩擦负电荷、正性摩擦起电层(8)表面的摩擦正电荷长时间存在，并形成从上到下的电场以极化铁电材料层(7)；而铁电材料层(7)的残余极化强度将反过来促进负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)从金属电极(1)中获取更多的摩擦电荷，这样两个过程相互耦合、共同提升，从而有效地增强摩擦发电机的输出性能。