CN103780135A - 一种直流摩擦电发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流摩擦电发电机。本发明利用三种具有不同的摩擦电性质的材料而构建出直流摩擦电发电机。该发电机由两个以上的摩擦辊和一个环形摩擦带构成，摩擦辊在旋转时带动与其接触的环形摩擦带发生转动并在二者的接触面上产生摩擦，通过选择摩擦电特性不同的材料来制备摩擦辊和环形摩擦带相互接触的表面，将会导致在不同的摩擦辊上聚集不同的电荷，从而实现对外输出直流电信号。只要两个旋转轴一直处于旋转状态，就会一直对外输出直流电信号。本发明的直流摩擦电发电机具有输出电压高的特点，可以同时驱动上千个LED发光器件。

Description

一种直流摩擦电发电机

技术领域

本发明涉及一种发电装置，特别涉及一种直流摩擦电的发电装置。

背景技术

现有的摩擦电发电机的工作原理是基于两种不同的摩擦电材料的相互接触和分离，驱动电子在外部电路中来回流动，从而实现对外输出电能。但是，所有已经报道的摩擦发电机，都是输出交流电脉冲信号。这一方面将导致发电机不能对外实现稳定驱动一些直流电器件，另外一方面要求电极材料制作在摩擦薄膜材料的表面，从而增加了器件的制作成本。同时，由于摩擦电材料的厚度很薄，这将导致在摩擦过程非常容易破坏该材料，从而导致发电机不能长时间正常工作。这些因素极大的限制了这种摩擦电发电机的发展和应用。

如何发展一种不需要制作电极材料在摩擦材料上的发电机是解决上述问题的关键。一种简单可行的方法是设计3种不同摩擦电特性的材料，让这3种材料不断接触和分离，从而实现在其中2种不同摩擦电材料上聚集不同的电荷。利用这种在2种不同摩擦电材料上正负电荷的不断累积，并可以对外输出直流电。

发明内容

为了克服上述现有摩擦电发电机的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种新的摩擦电发电机技术。为了达到上述目的，本发明提供一种直流摩擦电发电机，包括：环形摩擦带、用于带动所述环形摩擦带转动的第一摩擦辊和第二摩擦辊、与所述第一摩擦辊配套的第一电极，以及与所述第二摩擦辊配套的第二电极，所述第一电极和第二电极分别与电信号输出端的两端电连接；所述环形摩擦带与所述第一摩擦辊和第二摩擦辊接触的表面为摩擦表面，与所述摩擦表面的材料相比，所述第一摩擦辊和第二摩擦辊外表面的材料具有相异的摩擦电极序趋势；

优选地，所述第一摩擦辊和第二摩擦辊位于所述环形摩擦带的内部，所述环形摩擦带的内表面为摩擦表面；

优选地，所述第一摩擦辊和第二摩擦辊位于所述环形摩擦带的下方，所述环形摩擦带的下表面为摩擦表面；

优选地，所述环形摩擦带的摩擦表面为绝缘材料或半导体材料，其中所述绝缘材料选自：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林；所述半导体材料选自：硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体、有机半导体、非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物；

优选地，所述环形摩擦带的摩擦表面厚度大于1mm；

优选地，所述第一摩擦辊和第二摩擦辊的外表面材料不同，选自绝缘材料、半导体材料和导体材料，其中，所述绝缘材料选自：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林；所述半导体材料选自：硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体、有机半导体、非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物；所述导体材料选自：金属、氧化铟锡、掺杂的半导体和导电有机物；

优选地，在所述环形摩擦带的摩擦表面、所述第一摩擦辊的外表面和/或所述第二摩擦辊的外表面全部或部分设置纳米结构；

优选地，所述纳米结构选自纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花；

优选地，所述纳米结构通过阳极氧化、离子刻蚀或光刻蚀方法制备；

优选地，所述第一摩擦辊和/或所述第二摩擦辊为均一材料或多层材料；

优选地，所述第一摩擦辊和/或所述第二摩擦辊为多层材料，并且其中的外表面材料厚度大于1mm；

优选地，所述第一摩擦辊和第二摩擦辊的形状和尺寸相同或不同，并且在垂直于中心轴的方向上，均具有圆形的横截面；

优选地，所述第一摩擦辊和第二摩擦辊的形状选自圆柱形、圆锥形和上下截面不等的圆台形；

优选地，所述第一摩擦辊和/或第二摩擦辊的直径大于10cm；

优选地，所述第一摩擦辊和第二摩擦辊数量相等，均为2个以上，并且沿着所述环形摩擦带转动的方向上，每个所述第一摩擦辊的相邻两侧均为所述第二摩擦辊；

优选地，每个所述第一摩擦辊均配套设有一个独立的所述第一电极，和每个所述第二摩擦辊均配套设有一个独立的所述第二电极；

优选地，所有所述第一电极均与所述电信号输出端的一端电连接，并且所有所述第二电极均与所述电信号输出端的另一端电连接；

优选地，包括2个以上所述电信号输出端，并且每一个电信号输出端的两端均分别与一个所述第一电极和所述第二电极电连接；

优选地，所述第一电极和第二电极位于与其配套的摩擦辊的外侧或内部；

优选地，所述第一摩擦辊和/或第二摩擦辊的外表面为绝缘材料或半导体材料，与该外表面相对的为配套电极的内表面，所述摩擦辊的外表面与所述配套电极的内表面之间间隔一定空隙；

优选地，所述空隙的最大厚度小于5mm；

优选地，所述第一摩擦辊或第二摩擦辊的外表面为导电材料，与其配套的电极与所述第一摩擦辊或第二摩擦辊外表面直接接触；

优选地，所述第一摩擦辊或第二摩擦辊的外表面为导电材料，与其配套的电极省略，并且将所述电信号输出端的一端直接与所述第一摩擦辊或第二摩擦辊的外表面电连接；

优选地，所述第一电极和/或第二电极为平板或曲面板；

优选地，还包括安装在所述第一摩擦辊中心轴上的第一传动轴，和/或安装在所述第二摩擦辊中心轴上的第二传动轴，用以将外力传导到相应的摩擦辊上；

优选地，所述第一电极作为第一传动轴安装在所述第一摩擦辊的内部，和/或所述第二电极作为第二传动轴安装在所述第二摩擦辊的内部，所述电极和相应的摩擦辊通过绝缘固定件保持相对固定并形成间隙；

优选地，所述第一电极和第二电极由导电材料构成，选自：金属、合金、氧化铟锡和导电高分子；

优选地，所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的2种以上物质所形成；所述有机物导体选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和聚噻吩。

与现有技术相比，本发明的直流摩擦电发电机具有下列优点：

1、首次制作了直流摩擦电发电机，利用具有不同摩擦电系数的3种材料，不断接触分离，从而实现在其中的2种材料上分别聚集正负电荷，便可以实现对外输出直流电。

2、首次实现了利用这种直流摩擦电发电机获取自行车运动中的机械能。这种直流发电机的输出电压可以达到3200V，并成功利用这种发电机驱动1020个LED发光器件。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。

图1为本发明提供的一种典型的直流摩擦电发电机的结构示意图；

图2为本发明提供的另一种典型的直流摩擦电发电机的结构示意图；

图3为本发明提供的另一种典型的直流摩擦电发电机的结构示意图；

图4为本发明提供的另一种典型的直流摩擦电发电机的结构示意图；

图5为本发明提供的另一种典型的直流摩擦电发电机的结构示意图；

图6为本发明提供的另一种典型的直流摩擦电发电机的结构示意图；

图7为本发明提供的另一种典型的直流摩擦电发电机的结构示意图；

图8为本发明提供的另一种典型的直流摩擦电发电机的结构示意图；

图9为多个摩擦辊排列结构示意图；

图10中（a）-（e）为本发明直流摩擦发电机工作原理示意图；

图11为本发明实施例1的直流摩擦电发电机驱动1020 LED发光器件的实物照片；

图12中（a）和（b）为本发明实施例2的直流摩擦电发电机安装在自行车上的实物照片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。其次，本发明结合示意图进行详细描述，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。并且在实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明。

与现有技术中的摩擦电纳米发电机不同，本发明的直流摩擦电发电机能够连续的提供直流电信号，为此该发电机主要包括：环形摩擦带、用于带动所述环形摩擦带转动的第一摩擦辊和第二摩擦辊、与所述第一摩擦辊配套的第一电极，与所述第二摩擦辊配套的第二电极，该两个电极分别与电信号输出端电连接。

整个发电机形成类似传送带的结构，当第一摩擦辊和第二摩擦辊在外力的作用下发生转动时，会带动与其接触的环形摩擦带也发生转动，使得环形摩擦带分别与第一摩擦辊和第二摩擦辊之间发生摩擦，因为环形摩擦带与第一摩擦辊和第二摩擦辊的材料之间具有不同的摩擦电极序，由此导致第一摩擦辊和第二摩擦辊的表面在摩擦的过程中会产生摩擦电荷，该摩擦电荷通过静电诱导作用促进与两个摩擦辊配套的电极上产生出感应电荷，当两个摩擦辊表面的摩擦电荷的电性和电量不同时，在两个电极上感应出来的电荷电性和电量也不同，当电极上累积的电荷达到一定程度后，会在电极和摩擦辊之间形成放电，从而驱动电子通过外电路在两个电极之间发生定向流动，形成电信号向外输出。随着环形摩擦带和摩擦辊的不断运动，上述过程会一直继续，因此发电机能够持续向外输出直流电信号。具体原理如图10中（a）-（e）所示：

第一摩擦辊102和第二摩擦辊103在环形摩擦带101的内部，用于带动该环形摩擦带101转动，第一摩擦辊102的外表面和环形摩擦带101的内表面均为绝缘材料，并且第一摩擦辊102外表面的材料处于摩擦电极序中极性较负的位置，而环形摩擦带101内表面的材料则处于摩擦电极序中极性较正的位置，第二摩擦辊103的外表面为导电材料，相对而言最容易失去电子；第一电极104与配套的第一摩擦辊102相对间隔放置，而第二电极105则与配套的第二摩擦辊103直接接触。

图10中（a），在初始阶段第一摩擦辊102和第二摩擦辊103与环形摩擦带101接触，并开始旋转；

图10中（b），当环形摩擦带101被带动，并且通过T点的长度（L_T）为从A点到B点的长度（L_AB）时，由于摩擦效应在第一摩擦辊102的外表面产生负的表面电荷，环形摩擦带101与第一摩擦辊102接触部分的内表面上产生相应的正表面电荷，而第二摩擦辊103的外表面则由于失电子能力最强而产生了正的表面电荷，相应的环形摩擦带101上与第二摩擦辊103接触部分的内表面则产生负的表面电荷；为了平衡第一摩擦辊102和第二摩擦辊103中没有与环形摩擦带101接触的外表面上的表面电荷，在第一电极104上感应出一定量的正电荷，第二电极105因为与第二摩擦辊103的外表面直接接触，因此其上的电势与第二摩擦辊的外表面电势相同；

图10中（c），当环形摩擦带101继续转动，摩擦效应的累积导致在第一摩擦辊102和第二摩擦辊103的外表面累积的表面电荷越来越多，因而在第一电极104上感应出的电荷也越来越多；

图10中（d），当摩擦辊外表面累积的电荷达到一定程度后，将在第一摩擦辊102的外表面和第一电极104之间形成一个足够高的电势场，该高压电场能够击穿空气形成放电，导致第一电极104和第二电极105之间形成足够大的电势差，从而驱动电子由第一电极104流向第二电极105；

图10中（e），只要第一摩擦辊102和第二摩擦辊103持续带动环形摩擦带101转动，上述过程就会一直继续，高压放电过程会一直驱动电子由第一电极104流向第二电极105，从而形成直流脉冲电向外电路输送。

在此，“摩擦电极序”是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互摩擦的瞬间，在摩擦面上负电荷从摩擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。两种摩擦电极序极性存在差异的材料接触摩擦并分离后，其表面所带有的电荷称为“接触电荷”。一般认为，接触电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为10纳米。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。

以下将结合一些典型结构对本发明作更进一步的说明。图1所示的是本发明提供的直流摩擦电发电机的一种典型结构，包括：环形摩擦带101、用于带动所述环形摩擦带101转动的第一摩擦辊102和第二摩擦辊103、与所述第一摩擦辊102配套的第一电极104，以及与所述第二摩擦辊103配套的第二电极105，两个电极分别与电信号输出端106的两端电连接，环形摩擦带101与第一摩擦辊102和第二摩擦辊103接触的表面为摩擦表面；其中第一摩擦辊102和第二摩擦辊103位于环形摩擦带101的内部，环形摩擦带101的内表面为摩擦表面。

环形摩擦带101的作用是提供发电机所需的一个摩擦表面——与两个摩擦辊接触的表面，该表面应为绝缘材料，常规的聚合物材料均可，具体可以选自：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林。

除了绝缘材料之外，摩擦表面的材料还可以选择半导体，包括硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦材料，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料从人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

当然，环形摩擦带101还可以是复合的层状结构，例如为了提高其机械性能和使用寿命，可以在提供摩擦表面的材料外侧贴合保护层。整个环形摩擦带101的厚度没有特别限定，可以根据实际需要进行选择。优选其摩擦表面的厚度大于1mm。在实际生产中，环形摩擦带101并不一定是一体结构，有可能由若干单元并排连接而成，以保证整体的柔韧性和转动的灵活性。

第一摩擦辊102和第二摩擦辊103的外表面材料应与环形摩擦带101摩擦表面的材料不同，并且与环形摩擦带101摩擦表面的材料相比，具有相异的摩擦电极序趋势，即如果第一摩擦辊102外表面材料与环形摩擦带101摩擦表面的材料相比具有较正的摩擦电极序，那么第二摩擦辊103的外表面材料与环形摩擦带101摩擦表面的材料相比就具有较负的摩擦电极序，反之亦然。作为两个摩擦辊外表面的材料，在满足上述条件的情况下，可以选择具有摩擦电特性的各种常规材料，例如环形摩擦带101可以选择的上述聚合物材料和半导体材料，除此之外还可以选择导体。常用的导体包括金属、某些氧化物、掺杂的半导体和导电有机物，其中金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；氧化物常见的是氧化铟锡ITO；导电有机物一般为导电高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。

通过实验发现，当发生相对摩擦的两个摩擦面选择具有对电子束缚能力差别较大的材料时，会获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电极序的材料优选为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF₄；具有正极性的摩擦电极序材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银、铂和钢。本领域的技术人员可以根据该顺序选择合适的材料来形成环形摩擦带101和两个摩擦辊的摩擦表面，以获得更好的电信号输出性能。

为了进一步提高本发明发电机的输出性能，优选在环形摩擦带101和两个摩擦辊的摩擦表面的全部或部分设置纳米结构，以增加环形摩擦带101与摩擦辊的有效接触面积，提高二者的表面电荷密度，该纳米结构优选为纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，可以是通过阳极氧化、离子刻蚀或光刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，具体微纳米结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。其中，对于金属材料制备的摩擦表面，优选使用阳极氧化法制备上述纳米结构；对于聚合物材料制备的摩擦表面，优选使用等离子刻蚀的方法制备上述纳米结构。

整个摩擦辊的材料可以是均一的，也可以是多层的，例如摩擦辊的主体可以选择成本较低或机械性能更好的支撑材料，而在其外表面则可通过磁控溅射、蒸镀、印刷打印、涂敷或黏贴等其他方法用上述的摩擦材料形成满足本发明所需的摩擦辊外表面，这样可以获得更好的性能和更低的成本，有利于实际推广应用。其中，磁控溅射、蒸镀和印刷打印主要针对摩擦辊外表面为金属材料的情况。多层摩擦辊的摩擦表面（即为外表面）厚度优选大于1mm。

第一摩擦辊102和第二摩擦辊103的形状相同或不同，但是在垂直于中心轴的方向上，均具有圆形的横截面，整个摩擦辊可以是圆柱形、圆锥形或上下截面不等的圆台形。对于摩擦辊的尺寸没有特别限定，一般摩擦辊越大，电信号输出越强。优选摩擦辊的直径大于10cm。两个摩擦辊的尺寸可以相同（参见图1），也可以不同（参见图3），例如图3所示的实施方式中，第一摩擦辊102就比第二摩擦辊103粗，依然能够保证发电机正常转动和工作。

两个摩擦辊均可以是实心的（参见图1和图6），也可以是空心的（参见图4），只要能够在外力的作用下发生转动即可。在实际生产中，为了在机械传动和安装上的便利，通常会在摩擦辊的轴向上设置传动轴，用以将外力传导到摩擦辊上，使之发生转动。图1中示出了第一传动轴107和第二传动轴108的安装位置，一般与摩擦辊的中心轴同轴。该传动轴可以与摩擦辊一体成型，也可以另外加工。图4所示的实施方式中，第一电极104和第二电极105作为传动轴安装在相应的摩擦辊内部，并且通过绝缘固定件109使传动轴和摩擦辊相对固定，也能实现使摩擦辊转动的功能。此时，电信号输出端106直接与两个电极电连接即可。其中，绝缘固定件109可以选择本领域中常用的各种形式，例如连接杆、连接条、连接块、固定框等；材料也可以使用各种常规的绝缘材料，例如聚酯、塑料、有机玻璃、橡胶等。需要注意的是，两个电极的外表面与由绝缘材料制成的摩擦辊的内表面之间并不直接接触，而是通过绝缘固定件109使二者之间形成一定的空隙，空隙的大小可根据摩擦辊的尺寸来决定，摩擦辊越大，该空隙也可以越大，优选空隙的最大厚度小于5mm。传动轴采用本领域常规的材料和结构即可，无特殊要求。

第一电极104和第二电极105由导电材料构成，本领域常用的导电材料选自：金属，包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的2种以上物质所形成的合金；导电氧化物，例如氧化铟锡ITO；有机物导体一般为导电高分子，包括聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。

电极与其配套的摩擦辊之间可以接触，也可以间隔一定距离。一般而言，当摩擦辊的外表面为非导电材料（即绝缘材料或半导体材料）时，电极的内表面（即与配套摩擦辊相对的表面）与配套摩擦辊的外表面之间需要间隔一定空隙，该空隙的最大厚度优选小于5mm；而当摩擦辊的外表面为导电材料时，电极则可以与摩擦辊的外表面直接接触（参见图2，第二摩擦辊103为导电材料，与其配套使用的第二电极105就与其外表面直接接触）。在实际操作时，为了减小电极与摩擦辊直接接触对摩擦辊转动所产生的摩擦阻力，可以通过在电极与摩擦辊接触的一侧设置电刷的方式使二者实现电连接。特别是当摩擦辊为导电材料时，还可以省略与之配套的电极，而将电信号输出端106的一端直接与摩擦辊的外表面电连接，也可以实现相同的功能（参见图3）。

电极可以位于与其配套使用的摩擦辊的外侧，也可以位于该摩擦辊的内部。例如图1至图3所示的实施方式中，电极均位于摩擦辊的外侧，其形式可以是平板或曲面板（参见图3中的第一电极104）。其中，曲面板可以使电极与摩擦辊之间具有更大的电荷感应面积，从而获得更好的电输出性能。当然，两个电极的形状和尺寸可以相同，也可以不同。一般而言，电极的形状和尺寸要与其配套的摩擦辊的形状和尺寸匹配，以具有更大的电荷感应面积为优，在实际制作过程中兼顾加工的技术难度和成本即可。

图5所示的是本发明另外一种典型的实施方式，该直流发电机包括：环形摩擦带101、用于带动所述环形摩擦带101转动的2个第一摩擦辊102和2个第二摩擦辊103、与所述第一摩擦辊102配套的2个第一电极104，以及与所述第二摩擦辊103配套的2个第二电极105，两个第一电极104均与电信号输出端106的一端电连接，两个第二电极105均与电信号输出端106的另一端电连接，环形摩擦带101与第一摩擦辊102和第二摩擦辊103接触的表面为摩擦表面；其中2个第一摩擦辊102和2个第二摩擦辊103均位于环形摩擦带101的内部，环形摩擦带101的内表面为摩擦表面；在环形摩擦带101转动的方向上，每个第一摩擦辊102的相邻两侧均为第二摩擦辊103。可见，该实施方式相当于将2个图1所示的结构并联，同时共用一个环形摩擦带101，因此前面对图1所示发电机组件和材料的限定，都可以用于本实施方式。

本发电机通过并联的方式有效的提高了输出电流，同时多个摩擦辊的设计使发电机的空间形状更为多变，也能满足更为广泛的使用需求。需要注意的是，为保证发电机的正常工作，沿着环形摩擦带101的内表面，第一摩擦辊102和第二摩擦辊103必须成对出现，并且必须间隔放置，但是对于第一摩擦辊102和第二摩擦辊103的数量没有特殊限定，也就是说，虽然图5中示出的是2个第一摩擦辊102和2个第二摩擦辊103，但实际这两个摩擦辊还可以是2个以上，例如4个、6个、8个、……，甚至更多个，为此可以给每个摩擦辊均配套设置一个独立电极。

如果对输出电流没有特殊需求，还可以设置2个以上的电信号输出端（参见图6），并且每一个电信号输出端的两端均分别与一个第一电极104和第二电极105电连接，这样就相当于多个独立的直流发电机同时工作，从而实现多个电信号同时输出的目的。

图7所示的是本发明直流发电机的另一种典型结构，包括：环形摩擦带201、用于带动所述环形摩擦带201转动的第一摩擦辊202和第二摩擦辊203、与所述第一摩擦辊202配套的第一电极204，以及与所述第二摩擦辊203配套的第二电极205，两个电极分别与电信号输出端206的两端电连接，环形摩擦带201与第一摩擦辊202和第二摩擦辊203接触的表面为摩擦表面；其中第一摩擦辊202和第二摩擦辊203位于环形摩擦带201的下方，环形摩擦带201的下表面为摩擦表面。该实施方式中环形摩擦带201、摩擦辊和电极等组件的选材以及形式均与图1所示的方式一致，在此不再赘述。区别仅在于摩擦辊和环形摩擦带201的相对位置不同，本实施方式中环形摩擦带201无需滚动，只要平动即可，因此对环形摩擦带201的柔韧性要求不高，可选用的材料范围更广。

本实施方式中摩擦辊和电极采用的是图4所示的结构，即电极位于相应摩擦辊的内部，同时承担传动轴的作用，电信号输出端206直接与两个电极相连即可。另外，电极还可以位于相应摩擦辊的下方，参见图8，这种结构与图1所示的电极和摩擦辊的相对位置类似，当摩擦辊为非导电材料时，需要电极与摩擦辊之间形成一定的间隙，而在摩擦辊为导电材料时，电极可以与摩擦辊直接接触，或者由摩擦辊直接承担电极的作用。

为了保证环形摩擦带201的稳定转动，可以采取一些方式将其与摩擦辊的相对位置固定，这在传送带领域有很多方法可以借鉴，此处就不再赘述。另外，还可以参照图5和图6的结构，在环形摩擦带201的下方设置多组第一摩擦辊202和第二摩擦辊203，不仅能够保证环形摩擦带201的稳定工作，还可以对输出的电信号进行调控，其中多个摩擦辊可参照图9所示的方式进行排布，电极的两端分别固定在内导轨20和外导轨10上。如果需要实现输出信号的并联，则可以将内导轨20和外导轨10用导电材料制备，并且使所有第一电极204与外导轨10电连接，而与内导轨20绝缘连接，同时所有第二电极205与外导轨10绝缘连接，而与内导轨20电连接，这样只需将内导轨20和外导轨10分别与电信号输出端的两端电连接即可实现并联电信号的输出，使电路连接更为简单。

实施例1：直流摩擦电发电机的制备

切割一个长100mm×宽5cm×厚1mm的聚四氟乙烯作为第一摩擦辊外表面的摩擦材料层，用胶布将其固定在直径为35mm的圆柱上。另做一个相同尺寸和形状的聚甲醛圆柱，作为第二摩擦辊。将一个橡胶皮带作为环形摩擦带套在这两个摩擦辊的外侧。2个长50mm×宽15mm×厚1mm的铝电极分别固定在聚四氟乙烯和聚甲醛摩擦辊的旁边，并与摩擦辊间隔一定距离。当两个摩擦辊发生旋转带动环形摩擦带转动的时候，连接两个电极的电压表上有明显的电信号输出，说明能够将机械能转化为电能进行发电。如图11所示，为直流摩擦电发电机点亮1020个LED发光器件的实物图。

实施例2：基于直流摩擦电发电机的自行车

切割一个长200mm×宽8cm×厚3mm的聚酰亚胺作为第一摩擦辊的摩擦材料层，用胶布将其固定在一个圆柱支撑体上；另将自行车轮的铝制旋转轴作为第二摩擦辊。将第一摩擦辊固定在自行车轮的附近，使第一摩擦辊和第二摩擦辊保持适当的距离。用一个织物带套在这两个摩擦辊的外表面。一个弧面的铜电极固定在聚酰亚胺摩擦辊的一侧，间隔一定距离；另外一个铜电极通过电刷与铝制旋转轴相接触。当自行车轮转动时，铝制旋转轴作为主动轮带动第一摩擦辊转动，同时带动织物带也发生转动。连接两个电极的电压表上有明显的电信号输出，说明能够将机械能转化为电能进行发电。如图12中（a）和（b）所示，为安装在自行车上的直流摩擦发电机点亮“TENG”实物图。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (28)

1.一种直流摩擦电发电机，其特征在于包括：环形摩擦带、用于带动所述环形摩擦带转动的第一摩擦辊和第二摩擦辊、与所述第一摩擦辊配套的第一电极，以及与所述第二摩擦辊配套的第二电极，所述第一电极和第二电极分别与电信号输出端的两端电连接；所述环形摩擦带与所述第一摩擦辊和第二摩擦辊接触的表面为摩擦表面，与所述摩擦表面的材料相比，所述第一摩擦辊和第二摩擦辊外表面的材料具有相异的摩擦电极序趋势。

2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦辊和第二摩擦辊位于所述环形摩擦带的内部，所述环形摩擦带的内表面为摩擦表面。

3.如权利要求1所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦辊和第二摩擦辊位于所述环形摩擦带的下方，所述环形摩擦带的下表面为摩擦表面。

4.如权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于所述环形摩擦带的摩擦表面为绝缘材料或半导体材料，其中所述绝缘材料选自：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林；所述半导体材料选自：硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体、有机半导体、非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物。

5.如权利要求1-4任一项所述的发电机，其特征在于所述环形摩擦带的摩擦表面厚度大于1mm。

6.如权利要求1-5任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦辊和第二摩擦辊的外表面材料不同，选自绝缘材料、半导体材料和导体材料，其中，所述绝缘材料选自：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林；所述半导体材料选自：硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体、有机半导体、非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物；所述导体材料选自：金属、氧化铟锡、掺杂的半导体和导电有机物。

7.如权利要求1-6任一项所述的发电机，其特征在于在所述环形摩擦带的摩擦表面、所述第一摩擦辊的外表面和/或所述第二摩擦辊的外表面全部或部分设置纳米结构。

8.如权利要求7所述的发电机，其特征在于所述纳米结构选自纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花。

9.如权利要求7或8所述的发电机，其特征在于所述纳米结构通过阳极氧化、离子刻蚀或光刻蚀方法制备。

10.如权利要求1-9任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦辊和/或所述第二摩擦辊为均一材料或多层材料。

11.如权利要求10所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦辊和/或所述第二摩擦辊为多层材料，并且其中的外表面材料厚度大于1mm。

12.如权利要求1-11任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦辊和第二摩擦辊的形状和尺寸相同或不同，并且在垂直于中心轴的方向上，均具有圆形的横截面。

13.如权利要求12所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦辊和第二摩擦辊的形状选自圆柱形、圆锥形和上下截面不等的圆台形。

14.如权利要求12或13所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦辊和/或第二摩擦辊的直径大于10cm。

15.如权利要求1-14任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦辊和第二摩擦辊数量相等，均为2个以上，并且沿着所述环形摩擦带转动的方向上，每个所述第一摩擦辊的相邻两侧均为所述第二摩擦辊。

16.如权利要求15所述的发电机，其特征在于每个所述第一摩擦辊均配套设有一个独立的所述第一电极，和每个所述第二摩擦辊均配套设有一个独立的所述第二电极。

17.如权利要求16所述的发电机，其特征在于所有所述第一电极均与所述电信号输出端的一端电连接，并且所有所述第二电极均与所述电信号输出端的另一端电连接。

18.如权利要求16所述的发电机，其特征在于包括2个以上所述电信号输出端，并且每一个电信号输出端的两端均分别与一个所述第一电极和一个所述第二电极电连接。

19.如权利要求1-18任一项所述的发电机，其特征在于所述第一电极和第二电极位于与其配套的摩擦辊的外侧或内部。

20.如权利要求1-19任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦辊和/或第二摩擦辊的外表面为绝缘材料或半导体材料，与该外表面相对的为配套电极的内表面，所述摩擦辊的外表面与所述配套电极的内表面之间间隔一定空隙。

21.如权利要求20所述的发电机，其特征在于所述空隙的最大厚度小于5mm。

22.如权利要求1-19任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦辊或第二摩擦辊的外表面为导电材料，与其配套的电极与所述第一摩擦辊或第二摩擦辊外表面直接接触。

23.如权利要求1-19任一项所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦辊或第二摩擦辊的外表面为导电材料，与其配套的电极省略，并且将所述电信号输出端的一端直接与所述第一摩擦辊或第二摩擦辊的外表面电连接。

24.如权利要求1-23任一项所述的发电机，其特征在于所述第一电极和/或第二电极为平板或曲面板。

25.如权利要求1-24任一项所述的发电机，其特征在于还包括安装在所述第一摩擦辊中心轴上的第一传动轴，和/或安装在所述第二摩擦辊中心轴上的第二传动轴，用以将外力传导到相应的摩擦辊上。

26.如权利要求25所述的发电机，其特征在于所述第一电极作为第一传动轴安装在所述第一摩擦辊的内部，和/或所述第二电极作为第二传动轴安装在所述第二摩擦辊的内部，所述电极和相应的摩擦辊通过绝缘固定件保持相对固定并形成间隙。

27.如权利要求1-26任一项所述的发电机，其特征在于所述第一电极和第二电极由导电材料构成，选自：金属、合金、氧化铟锡和导电高分子。

28.如权利要求27所述的发电机，其特征在于所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的2种以上物质所形成；所述有机物导体选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和聚噻吩。

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