[发明专利]一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机

说明书

本发明公开了一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，在人力驱动摇臂或风力驱动风力扇叶作用下带动转轴圆周运动，并由转轴带动外转子转动以实现通过筒形壳体内侧壁上的滚轴对弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元进行周期性按压，进而实现第一摩擦层和第二摩擦层的同步接触分离，第一摩擦层和第二摩擦层接触摩擦起电。本发明具有结构简单、外表美观、输出电压和电流在一定程度上可以调节控制等优点。

技术领域

本发明属于摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机。

背景技术

摩擦纳米发电机是由王中林院士及其科研团队于2012年开发的一种可以将机械能转换为电能的发电装置，自其诞生以来已经成功实现了将自然界中不同形式的机械能转化为电能，例如风能、潮汐能、雨滴落下的重力势能以及人体运动过程中的机械能等多种能量形式，成功实现了最高可达上千伏特的开路电压和毫安级别的短路电流。摩擦纳米发电机以其制作成本低廉、结构简单、转化效率高及无污染的特点，受到了越来越多科研工作者的关注。

随着科技的发展与进步，人们日常生活中所使用到的电子器件更新换代的速度逐渐加快，且电子设备的体积也越来越小，可移动性也越来越高，正因为如此，移动电源的需求量也变得越来越大。就目前而言，电能是人类赖以生存的最重要的能量形式之一，而获取电能的主要方式依然是传统火力发电，即燃烧化石燃料产生电能，在加重能源负担的同时对环境造成了严重的污染。同时，当佩戴的电子器件电能消耗殆尽时，如何对其充电是决定这类设备便携式发展的关键。摩擦纳米发电机作为一种清洁的电能获得装置，在产生电能的同时不会释放有害物质，且可以实现随时随地为电子设备充电的目的。

为了利用不同形式的机械能，研究者们开发出了不同结构的摩擦纳米发电机。如滚轮式摩擦纳米发电机能够将滚动的机械能转化为电能。但传统滚轮式摩擦纳米发电机在转动时由于摩擦力较大，造成摩擦层材料磨损严重，这不利于对滚动式机械能的收集利用，因此，探寻能够将滚动能转化为对摩擦层材料磨损影响较小的接触分离形式的能量，成为研究滚动式机械能的关键。此外，传统滚轮式摩擦纳米发电机制作过程较为繁琐，且操作难度较大。因此，如果能够将3D打印技术融入摩擦纳米发电机的制作过程，将对滚轮式摩擦纳米发电机制作的便捷性和自由性提升起到决定性作用。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单、设计合理且成本低廉的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，以此来解决摩擦纳米发电机在能量收集方面等问题。

为了达到上述技术目的，本发明采用的技术方案是：一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，其特征在于：该摩擦纳米发电机主要由内定子和外转子构成，其中内定子包括支撑柱及沿圆周方向依次均匀交替设置于支撑柱上的弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元，第一摩擦单元包括弧形长板状基底、覆盖于基底上的金属箔导电层和覆盖于金属箔导电层上的第一摩擦层，第二摩擦单元包括弧形长板状基底、覆盖于基底上的金属箔导电层和覆盖于金属箔导电层上的第二摩擦层，支撑柱的一端设有安装座且内定子通过该安装座固定于支撑板上；外转子包括与内定子相配的筒形壳体及沿圆周方向均匀设置于筒形壳体内侧壁上的滚轴，筒形壳体铰接安装于支撑座上，该筒形壳体的一端固定安装有封装端盖，封装端盖外侧与转轴一端固定连接，转轴通过轴承座固定于支撑架上，转轴另一端与摇臂或风力扇叶连接，用于在人力驱动摇臂或风力驱动风力扇叶作用下带动转轴圆周运动，并由转轴带动外转子转动以实现通过筒形壳体内侧壁上的滚轴对弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元进行周期性按压，进而实现第一摩擦层和第二摩擦层的同步接触分离，第一摩擦层和第二摩擦层接触摩擦起电，第一摩擦层与第二摩擦层的接触面分别带符号相反的表面电荷，当两个接触面在外力作用而分离时，两个电极之间会形成感应电势差，通过负载连接两个电极，电子会通过负载从一个电极流向另一个电极，致使相互接触分离的第一摩擦层与第二摩擦层间电势周期性变化，驱动电子流向外电路产生交流电。