[发明专利]一种具有狭缝效应高效收集风能的摩擦纳米发电机

说明书

本发明公开了一种摩擦纳米发电机。包括了具有狭缝效应的风舱、摩擦得电子层和羟乙基纤维素膜，风舱具有入口端和出口端，风舱的内壁上侧表面和下侧表面分别固定粘附有一层电极和摩擦得电子层，风舱在靠近入口端的中间设有一个水平布置的、垂直于风向的支撑条，羟乙基纤维素膜的一端固定粘附在支撑条上，另一端向出口端自由延伸。本发明具有灵敏度高、效应范围高、制备简单的特性，且能保持长时间稳定工作，利用狭缝效应可以实现低风速的感知，能用于风速传感和风能收集，为农业传感器供能。

技术领域

本发明涉及了一种摩擦纳米发电机，尤其涉及一种具有狭缝效应高效收集风能的摩擦纳米发电机。

背景技术

风能资源丰富、可再生、分布广泛，在全球绿色能源中发挥着重要作用。由于风力涡轮机技术得到广泛研究，许多大型风电场建成。在优化条件下运行的单个风力涡轮机可以产生兆瓦的功率，但是这些机器只有在风速超过3m/s时才有效。然而，环境中可用的风是低速气流，低于涡轮机的阈值速度。无处不在的环境风能可以作为当前小型便携式电子设备和物联网的有效微能源。由于传统涡轮机无法有效地收集微风能量，部分能量被白白浪费了。同时，人们普遍认为对微风能量的收集是有限的，这可能是由于这些传统的能量收集装置在低速风下的工作效率不理想。因此，迫切需要一种在低速风下具有高效工作的装置，为目前的微风能量收集提出一种重要的方法。

最近，摩擦纳米发电机(TENG)的发明提供了一种前所未有风能收集方法。TENG可以有效地将环境中的微能量转化为电能输出，特别是低机械频率的能源，如风能、雨滴能和水波能。许多针对风能收集的TENG已被报道，其中应用了各种新颖的架构和材料。然而，这些报告的重点是收集大于5m/s的高速风能，并且这些设备的微风能量收集是不可行的，因为这些设备的最低运行速度阈值仍然相当高。收集能量从温和风的低频激励来看，整个设备的材料和结构需要系统地优化以获得倍频输出。因此需要对现有的TENG进行材料和结构的系统优化，以实现对环境中的低风速风能收集。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题和填补空白，本发明所提供一种利用狭缝效应和可拉伸羟乙基纤维素膜的倍频振动实现低风速风能高效收集的摩擦纳米发电机(SE-TENG)。所设计的SE-TENG可以实现0.5-10m/s范围内风速的感知，表明SE-TENG在低风速能量收集方面的优越性。

本发明SE-TENG的感知范围比较广，可以收集低至0.5m/s的风能，可用于作为农业环境中摩擦纳米发电机，解决了传统风速传感器需要外接供能设备技术问题，对基于TENG的农业环境中的自驱动风速感知具有重要的意义。

本发明采用的技术方案是：

一、一种具有狭缝效应的摩擦纳米发电机：

每个摩擦纳米发电机是包括了风舱、摩擦得电子层和羟乙基纤维素膜，风舱具有入口端和出口端，风舱的内壁上侧表面和下侧表面分别固定粘附有一层摩擦得电子层，风舱在靠近入口端的中间设有一个水平布置的、垂直于风向的支撑条，羟乙基纤维素膜的一端固定粘附在支撑条上，另一端向出口端自由延伸。

所述的风舱的入口端连接一个喇叭形状管道，风舱的出口端连接有一个弯曲向上的管道。舱体的入口端设计成喇叭口，便于风能的进入，舱体中间部分相对于入口端变窄，可以利用狭缝效应使SE-TENG的工作区间风速变大，提高风速检测的灵敏度。

所述的摩擦得电子层采用采用聚四氟乙烯(Teflon)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(Kapton)、聚氯乙烯(PVC)、硅橡胶(Ecoflex)、聚乳酸(PLA)等材料中的一种。

所述的摩擦得电子层和风舱内壁之间粘附或镀上一层导电材料作为电极。

所述的导电材料采用氧化铟锡膜(ITO)、银纳米线、铜、铝等导电材料种的一种。

二、一种摩擦纳米发电机的制备方法：

(1)通过3D打印加工出风舱；