一种基于仿生结构的纳米发电机及其工作方法

本申请涉及能量转化，特别涉及一种基于仿生结构的纳米发电机及其工作方法。

背景技术：

1、随着环境保护意识的不断增强，利用可再生能源替代不可再生能源成为解决资源消耗问题的关键。海浪、风能，甚至人体机械能等可再生能源都具有被利用的潜力。然而，这些能源的输出频率低且不稳定，如何有效利用它们是一个挑战。在众多新型能源转换技术中，摩擦纳米发电机(teng)有望解决可再生能源利用遇到的频率低等问题，其通过两种材料的摩擦和分离产生表面电荷，从而实现能量转换。

2、teng技术在可再生能源领域展现出巨大的潜力，然而其广泛应用仍面临一些技术挑战。首先，teng的体积电荷输出密度较低，导致输出电流和功率密度不足，进而影响发电效率。为了解决这一问题，需要研究提高体积电荷输出密度的方法，以提升teng的能量转换效率。其次，传统摩擦纳米发电机装置体积较大且笨重，限制了其在实际应用中的灵活性。因此，开发更加小巧轻便的teng装置，以便于组装和集成，显得尤为重要。

3、综上所述，teng在可再生能源领域的应用和普及受到了诸如体积电荷密度低和设备体积大等问题的制约。

技术实现思路

1、本申请的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于仿生结构的纳米发电机及其工作方法，能够提高teng的能量转换效率。

2、根据本申请第一方面实施例，提供一种基于仿生结构的纳米发电机，包括：

3、外壳，所述外壳的两端封闭；

4、内管，所述内管安装在所述外壳内，所述外壳与所述内管之间构成一个容置空间；

5、微球颗粒，所述微球颗粒的数量有多个且均被安置在所述容置空间中，所述微球颗粒能够在所述容置空间内自由移动；

6、第一电极环，所述第一电极环套设在所述外壳的外侧，所述第一电极环靠近所述外壳的第一端；

7、第二电极环，所述第二电极环套设在所述外壳的外侧，所述第二电极环靠近所述外壳的第二端；

8、第一电极块，所述第一电极块安装在所述内管的内部并靠近所述内管的第一端，所述第一电极块与所述第一电极环电连接；

9、第二电极块，所述第二电极块安装在所述内管的内部并靠近所述内管的第二端，所述第二电极块与所述第二电极环电连接；

10、其中，所述微球颗粒与所述外壳或所述内管相互摩擦而产生电荷，所述第一电极环、所述第二电极环、所述第一电极块和所述第二电极块均能够与所述微球颗粒发生静电感应；所述第一电极环与所述第二电极环相互分隔，所述第一电极块与所述第二电极块相互分隔，所述第一电极环与所述第二电极环分别通过导线电连接至外部的用电设备；当携带着电荷的所述微球颗粒堆积在所述外壳的其中一端后，所述第一电极环和所述第二电极环由于静电感应发生电荷转移，在导线中产生电流。

11、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述外壳和所述内管均呈圆柱状。

12、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所有所述微球颗粒的总体积小于所述容置空间容积的一半。

13、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述外壳的两端通过封盖进行密封，所述封盖与所述外壳可拆卸连接。

14、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述内管的端部与所述封盖连接，所述内管通过所述封盖固定于所述外壳的内部。

15、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述内管与所述外壳的中轴线平行。

16、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述内管的数量有多个且围绕所述外壳的中轴线呈圆周阵列分布。

17、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述外壳的材料为fep、ptfe或pp。

18、根据本申请第一方面实施例，进一步地，所述微球颗粒的材料为金属、塑料、玻璃或聚合物，所述微球颗粒为实心颗粒或空心颗粒。

19、根据本申请第二方面实施例，提供一种根据上述的基于仿生结构的纳米发电机的工作方法，包括以下步骤：

20、s100.向所述外壳的内部装填所述微球颗粒，所有所述微球颗粒的总体积小于所述容置空间容积的一半；

21、s200.密封所述外壳，利用导线将所述第一电极环和所述第二电极环电连接至外部的用电设备；

22、s300.摇晃所述外壳，所述微球颗粒与所述外壳以及所述内管相互摩擦产生电荷；

23、s400.所述外壳静止时：

24、s410.若所述微球颗粒主要堆积在所述外壳的第一端，所述微球颗粒与所述第一电极环以及所述第一电极块发生静电感应；

25、s420.若所述微球颗粒主要堆积在所述外壳的第二端，所述微球颗粒与所述第二电极环以及所述第二电极块发生静电感应；

26、s500.所述第一电极块上的电荷转移至所述第一电极环，所述第二电极块上的电荷转移至所述第二电极环；

27、s600.所述第一电极环与所述第二电极环的电势差产生电流，电流通过导线流向用电设备；

28、s700.循环进行所述外壳的运动和静止，实现持续发电。

29、本申请实施例的有益效果至少包括：本申请通过微球颗粒与外壳以及内管的摩擦产生电荷，而且两个电极环能够与微球颗粒发生静电感应，从而在本纳米发电机被外力驱动而反复晃动时，两个电极环能够产生电势差以完成发电；在外壳内设置内管的设计模仿了现实生活中植物内部的维管束结构，内管中的两个电极块能够与内部微球颗粒发生静电感应并将电荷汇集至电极环，从而提高产电效率。

技术特征：

1.一种基于仿生结构的纳米发电机，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于仿生结构的纳米发电机，其特征在于：所述外壳(100)和所述内管(200)均呈圆柱状。

3.根据权利要求1所述的基于仿生结构的纳米发电机，其特征在于：所有所述微球颗粒(300)的总体积小于所述容置空间容积的一半。

4.根据权利要求1所述的基于仿生结构的纳米发电机，其特征在于：所述外壳(100)的两端通过封盖(110)进行密封，所述封盖(110)与所述外壳(100)可拆卸连接。

5.根据权利要求4所述的基于仿生结构的纳米发电机，其特征在于：所述内管(200)的端部与所述封盖(110)连接，所述内管(200)通过所述封盖(110)固定于所述外壳(100)的内部。

6.根据权利要求1所述的基于仿生结构的纳米发电机，其特征在于：所述内管(200)与所述外壳(100)的中轴线平行。

7.根据权利要求1所述的基于仿生结构的纳米发电机，其特征在于：所述内管(200)的数量有多个且围绕所述外壳(100)的中轴线呈圆周阵列分布。

8.根据权利要求1所述的基于仿生结构的纳米发电机，其特征在于：所述外壳(100)的材料为fep、ptfe或pp。

9.根据权利要求1所述的基于仿生结构的纳米发电机，其特征在于：所述微球颗粒(300)的材料为金属、塑料、玻璃或聚合物，所述微球颗粒(300)为实心颗粒或空心颗粒。

10.根据权利要求1至9中任一所述的基于仿生结构的纳米发电机的工作方法，其特征在于，包括：

技术总结
本申请公开了一种基于仿生结构的纳米发电机及其工作方法，本纳米发电机包括外壳；内管，其安装在外壳内，外壳与内管之间构成一个容置空间；微球颗粒，其数量有多个且均被安置在容置空间中；第一电极环和第二电极环，两者均套设在外壳的外侧；第一电极块和第二电极块，两者均安装在内管的内部。本申请通过微球颗粒与外壳以及内管的摩擦产生电荷，而且两个电极环能够与微球颗粒发生静电感应，从而在本纳米发电机被外力驱动而反复晃动时，两个电极环能够因为电势差而完成发电；在外壳内设置内管的设计模仿了现实生活中植物内部的维管束结构，内管中的两个电极块能够与内部微球颗粒发生静电感应并将电荷汇集至电极环，从而提高产电效率。

技术研发人员：吴昊,洪泓鑫
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/24