1.本发明涉及一种可用于风能、水滴能、水波能等环境能量采集的新型结构摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator，teng)。主要应用于微纳能源、纳米发电机及自供电传感等领域。
背景技术：2.目前利用摩擦发电技术进行风能采集的器件结构主要分为两大类，一类是基于转动结构的摩擦纳米发电机，该类结构的摩擦纳米发电机利用风杯或者风涡轮结构先将风能转换为转动的机械能，再通过将正负摩擦层分别安装在转子和定子上实现转动过程中摩擦层周期性的接触分离，从而实现摩擦发电将转动的机械能转换为电能。该种结构具有输出性能高、输出的电信号与风速相关性大的优点，在实现自供电传感上更有优势；且由于该结构和电磁发电机相似，更容易与电磁发电、太阳能发电等其他能量采集方式集成，从而实现复合能量采集。然而该结构也存在体积较大，成本高、工艺复杂，不擅长采集微弱风能、受环境湿度影响较大等缺点。
3.另一类是基于颤振结构进行风能采集的摩擦纳米发电机，该结构主要由在风力作用下运动的颤振片和固定不动的刚性板两部分构成，通过颤振片和固定的上下两电极间的接触分离来实现摩擦发电。颤振片往往选取柔性材料，如丝绸织物、薄膜结构等。该类型的风能采集摩擦纳米发电机具备工艺简单，体积小，能够采集微小风能、更便于大规模集成的特点。然而，由于风致振动的特点，该结构存在着输出信号不够稳定、颤振片损耗较快、受环境湿度影响大等缺点。
技术实现要素：4.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于采集风能的摩擦纳米发电机。
5.为实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案：
6.该摩擦纳米发电机结构包括底座、两个支架、转轴，三片扇叶以及摩擦发电单元五部分。两个支架固定在底座的两端，转轴的两端分别通过深沟球轴承可旋转地支撑在两个支架上，三片扇叶固定在转轴上，且任意两片扇叶之间的角度为120
°
。所述的扇叶由完全相同的两个半片扇叶组成，半片扇叶的两侧开有联通槽，内表面开有若干个阵列式半圆柱形凹槽，两个联通槽之间的内表面开有若干个阵列式半圆柱形凹槽，在每个半圆柱形凹槽表面和联通槽上涂覆两个彼此绝缘的电极，在电极的凹槽部分上涂覆摩擦层，两个半片扇叶相对固定时，在扇叶内部形成若干与外界环境隔绝的圆柱形槽，每个圆柱形槽内放置若干电介质材料实心球，各凹槽的电极通过联通槽串联，形成一个摩擦发电单元；三个扇叶的摩擦发电单元并联后与外界设备连接。进一步地，圆柱形槽垂直于转轴，以保证电介质材料实心球做往复运动，转轴中部每隔120
°
设有一处法兰连接，整个结构一共三处法兰连接，三片扇叶与三处法兰连接一一对应，通过法兰结构与转轴固定在一起。三片扇叶的设计是可以
保障摩擦纳米发电机系统转动过程中的稳定性。
7.进一步地，本发明所述的转轴为空心轴，且有与轴心重叠的通孔15，转轴上每个固定扇叶的法兰结构的两端各设有一个联通孔16，与通孔15相通，该设计是为了将位于扇叶内的摩擦纳米发电机的输出端汇集在一起，最终从转轴两端角速度为0的轴心位置引出，以便于性能测试和能量存储；转轴整体通过深沟球轴承转轴可旋转地支撑在两个支架上，减少了转轴转动过程中的阻力。
8.本发明的有益效果是，该摩擦纳米发电机是通过对扇叶结构的特殊设计，使得该新型结构的风能采集摩擦纳米发电机实现了以下三方面的有益效果：特殊的扇叶结构隔绝了外部环境和摩擦发电单元，大幅降低了空气湿度对风能采集的摩擦纳米发电机的影响，使得扇叶可在风力或者水滴、水波作用下转动，进行风能、水滴能、水波能采集，晴雨天都能正常工作；更便于实现复合能量采集系统，能够与太阳能发电、水电、电磁发电等能量采集方式集成，更好的收集环境中的能量；且本发明摩擦纳米发电机的性能稳定，输出信号可靠，且该结构的teng对风速更敏感，能够在3m/s的低风速下工作，大大提高了环境能量利用率，有利于实现低风速的能量采集和自供电传感的优点。
附图说明
9.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
10.图1是本发明的整体结构图；
11.图2是半片扇叶的结构图；
12.图3是整片扇叶横剖面放大图；
13.图4是圆柱型槽内摩擦层纵剖面放大图；
14.图5是转轴的结构图；
15.图6是支架的结构图；
16.附图标记说明：底座1、支架2、支架3、第一螺钉4、深沟球轴承5、半片扇叶6、转轴7、第二螺钉8、第三螺钉9、半圆柱形凹槽10、联通槽11、电极12、摩擦层13、电介质材料实心球14，通孔15，联通孔16。
具体实施方式
17.如图1所示，扇叶一共三片，其设计本身是为了将风能转换为机械能，为正负摩擦层的接触分离提供动力。如图2所示，扇叶可从侧面拆卸为两个完全相同的半片扇叶6，半片扇叶6的两侧开有联通槽11，两个联通槽11之间的内表面开有若干个阵列式半圆柱形凹槽10，在每个半圆柱形凹槽10表面和联通槽11上涂覆两个彼此绝缘的电极12，在电极12的凹槽部分上涂覆摩擦层13，两个半片扇叶6相对固定时，在扇叶内部形成若干与外界环境隔绝的圆柱形槽，每个圆柱形槽内放置若干电介质材料实心球14，各半圆柱形凹槽10的电极12通过联通槽11串联，形成一个摩擦发电单元；三个扇叶的摩擦发电单元并联后与外界设备连接。固定的整片扇叶隔绝了外部环境对内部圆柱形槽内放置的摩擦发电单元的影响，为摩擦发电过程提供稳定的环境的同时减轻了扇叶重量，使扇叶对风能更加敏感。
18.图3和图4所示实施例中的扇叶内部槽中摩擦发电单元，也是该摩擦纳米发电机的核心，该摩擦纳米发电机采取电介质独立层模式。为尽可能增大接触面积、减少阻力、提高
摩擦层13随外部风能变化进行接触分离的敏感度，摩擦层13结构如图3所示。把电介质材料的实心球14放置于半圆柱形凹槽10中，随着扇叶转动，在摩擦层13的表面来回滚动发生摩擦，从而在摩擦层13和电介质材料的实心球14表面产生摩擦电荷，带电的电介质材料的实心球14位置变化使得摩擦层13背面的电极12对上形成电势差，驱动外部电路电子流动进行发电。考虑到摩擦层13得失电子能力相差越大，摩擦所产生的电荷越多，摩擦发电机的性能越好，选取失电子能力强的尼龙66(pa66)薄膜作为摩擦层13，选取得电子能力强、更容易随扇叶运动的聚四氟乙烯(ptfe)电介质材料的实心球14，选取金属al作为电极12，通过磁控溅射、原子层等方式在圆柱形槽内表面形成均匀的金属膜层如al等作为电极12，每个管道内设置两个电极12，其电极12间距范围可调。电介质材料的实心球14在扇叶旋转过程在摩擦层13表面中来回滚动，增加了接触面积，实现了更充分的接触。此外电介质材料的实心球14在远离和靠近转轴7时，由于其位置的变化引起扇叶重心偏移，促进了扇叶旋转，保证了接触分离的摩擦发电过程不断循环。
19.如图5所示实施例中，为方便扇叶的拆卸组装，摩擦纳米发电机的性能测试及能量存储，转轴7是经过特殊设计的，其转轴7是空心轴，有与轴心重合的通孔15。转轴7中部每隔120
°
设有一处法兰连接，整个结构一共三处法兰连接，三片扇叶与三处法兰连接一一对应，通过法兰结构与转轴7固定在一起。每个法兰连接两端各有一个联通孔16。三片扇叶上的摩擦纳米发电机可通过联通孔16在转轴的通孔15中汇集，最终从转轴7两端角速度为0的轴心处引出，以便于性能测试和连接用电设备转轴7两端通过深沟球轴承5固定在支架上。球形深沟轴承5大幅度地减轻转轴7转动中的摩擦力，使得该风能采集装置能够更加灵敏的收集环境中的风能。
20.如图6所示，所述的支架包含固定连接下支架2和上支架3，所述下支架2和上支架3上均开有与深沟球轴承5配合的半圆槽，用于摩擦纳米发电机输出端与用电设备连接。
21.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
技术特征：1.一种用于采集风能的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括底座(1)、两个支架、转轴(7)和三片扇叶；两个支架固定在底座(1)的两端，转轴(7)的两端分别通过深沟球轴承(5)可旋转地支撑在两个支架上，三片扇叶固定在转轴(7)上，且任意两片扇叶之间的角度为120
°
；所述的扇叶由完全相同的两个半片扇叶(6)组成，半片扇叶(6)的两侧开有联通槽(11)，两个联通槽(11)之间的内表面开有若干个阵列式半圆柱形凹槽(10)，在每个半圆柱形凹槽(10)表面和联通槽(11)上涂覆两个彼此绝缘的电极(12)，在电极(12)的凹槽部分上涂覆摩擦层(13)，两个半片扇叶(6)相对固定时，在扇叶内部形成若干与外界环境隔绝的圆柱形槽，每个圆柱形槽内放置若干电介质材料实心球(14)，形成一个摩擦发电单元；三个扇叶的摩擦发电单元并联后与外界设备连接。2.根据权利要求1和2所述的一种用于采集风能的摩擦纳米发电机，其特征在于，扇叶(6)内部的圆柱形槽垂直于转轴(7)；联通槽(11)平行于转轴(7)且与外部空气联通。3.根据权力要求1所述的一种用于采集风能的摩擦纳米发电机，其特征在于，转轴(7)为空心轴，空心部分为与转轴中心重叠的通孔(15)，转轴(7)上有三个用于固定扇叶的法兰结构，每个法兰结构两端各有一个联通孔(16)；联通孔(16)与转轴(7)主体上的通孔(15)相通，使得三片扇叶上摩擦发电单元的输出端经联通孔(16)汇集在空心轴的通孔(15)中，在转轴(7)两端角速度为0的轴心位置引出。4.根据权力要求1所述的一种用于采集风能的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述的支架包含固定连接下支架(2)和上支架(3)，所述下支架(2)和上支架(3)上均开有与深沟球轴承(5)配合的半圆槽。
技术总结本发明公开了一种用于采集风能的摩擦纳米发电机。该摩擦纳米发电机结构包括底座，支架、转轴、扇叶及内部摩擦发电单位五个部分。其扇叶可拆卸且内部中空，每片扇叶内设有两端联通的阵列式圆柱形槽。发电所需的摩擦发电单元安装在扇叶内部的圆柱形槽内，与外部环境隔绝。该摩擦发电机的扇叶可在风、水滴、水波等力的驱动下绕轴转动，致使扇叶内部的电介质材料实心球沿着垂直于转轴的方向来回滚动，与固定在圆柱形槽内的电极对发生周期性的接触分离，实现摩擦发电。发明公开的采集风能的摩擦纳米发电机具有结构稳定、输出性能可靠、耐用性好、适用于晴雨天等多种工作环境、可同时用于采集水滴能、水波能的优点，实现了更高效的环境能量采集。量采集。量采集。
技术研发人员：刘佳琳
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.04.19
技术公布日：2022/7/5
