[发明专利]一种自激励水滴摩擦纳米发电机

说明书

本发明提出了一种自激励水滴摩擦纳米发电机，包括滴水起电组件和水滴摩擦纳米发电机，滴水起电组件为改进的开尔文滴水起电机，改进的开尔文滴水起电机的一侧设有水滴摩擦纳米发电机，水滴摩擦纳米发电机给予改进的开尔文滴水起电机初始电荷；改进的开尔文滴水起电机的正下方设有相匹配的电荷束缚层，所述电荷束缚层与改进的开尔文滴水起电机的电荷收集端电连接，电荷束缚层相当于一个环形电容可束缚大量的电荷，水滴从电荷束缚层滑落可感应出极性相同的大量电荷，极大增强水滴的能量输出。本发明的极性是可以控制的，并且可以持续工作；电荷束缚层能够储存电荷，具有较高的能量转化效率；结构简单、成本低廉，有利于大规模生产。

技术领域

本发明涉及微纳能源收集的技术领域，尤其涉及一种自激励水滴摩擦纳米发电机。

背景技术

水滴能量收集器作为新一代能量收集技术，以其结构简单、重量轻、成本低、摩擦材料选择多样和较高的能量转换效率等独特优势而备受关注。但是，水滴摩擦纳米发电机的发展和应用受到以下因素的制约。1. 水滴的电荷密度小，限制了水滴摩擦纳米发电机的输出性能和实际应用。2. 水滴摩擦纳米发电机一般是交流输出。它们需要整流器或电源管理电路来驱动电子设备，这会导致额外的能量损失。因此，提高水滴电荷密度，实现直流输出是水滴摩擦纳米发电机实际应用面临的挑战。

申请号为202110255950.9的一种复合式水滴固液摩擦纳米发电机，利用设置有出水口的容器实现水滴的流出或停止；将疏水性固体摩擦层设置于容器出水口的正下方，能够保证容器内的水滴滴落在疏水性固体摩擦层表面，水滴沿疏水性固体摩擦层的表面下滑，使水滴带电。采用疏水性固体摩擦层相比于普通的固体摩擦层能够保证水滴完全流到下部的铜电极上，提高电输出性能；带电的水滴滑落至铜电极上时，铜电极为电的良导体，能够将与固体摩擦层发生接触带电后滑落的水滴中的静电能导出利用，可以进一步提高水滴摩擦纳米发电机的能量转换效率。但是，该发电机输出的是交流电，需要整流电路，会带来额外的电能损耗，同时输出会随着表面的污染而降低。

发明内容

针对目前的水滴摩擦纳米发电机的电荷密度小，不能实现直流输出的技术问题，本发明提出一种自激励水滴摩擦纳米发电机，通过水滴与水滴摩擦纳米发电机摩擦起电的的原理给予改进的开尔文滴水起电机初始电荷，通过改进的开尔文滴水起电机给金属电荷束缚层充电，从而可以使水滴感应出巨大的电荷量，并且实现直流输出。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种自激励水滴摩擦纳米发电机，包括滴水起电组件和水滴摩擦纳米发电机，所述滴水起电组件为改进的开尔文滴水起电机，改进的开尔文滴水起电机的一侧设有水滴摩擦纳米发电机，水滴摩擦纳米发电机给予改进的开尔文滴水起电机初始电荷，控制水滴带电极性的同时加快起电速度；所述改进的开尔文滴水起电机的正下方设有相匹配的电荷束缚层，所述电荷束缚层与改进的开尔文滴水起电机的电荷收集端电连接，电荷束缚层相当于一个环形电容可束缚大量的电荷，水滴从电荷束缚层滑落可感应出极性相同的大量电荷，极大增强水滴的能量输出。

优选地，水滴与水滴摩擦纳米发电机摩擦后带电，带电的水滴掉入改进的开尔文滴水起电机的电荷收集端的金属漏斗，由于静电屏蔽，金属漏斗的电荷会瞬间导走到外面的第一金属环，使改进的开尔文滴水起电机开始工作；改进的开尔文滴水起电机电饱和后，把多余的电荷给予环状的电荷束缚层；电荷束缚层相当于一个固定电容C，达到电荷饱和后断开与改进的开尔文滴水起电机的电荷收集端的连接也不会影响电荷束缚层中的电荷；水滴流过电荷束缚层，感应出与其极性相同的电荷，水滴电荷增强的同时实现直流输出。

优选地，所述改进的开尔文滴水起电机包括水槽，所述水槽两侧的下方分别设有第一感应环和第二感应环，第一感应环的正下方设有第一电荷收集端，第二感应环的正下方设有第二电荷收集端，第一电荷收集端与第二感应环电连接，第二电荷收集端与第一感应环相连接；所述第一感应环的输出口和第一电荷收集端的输入口之间设有水滴摩擦纳米发电机。