CN103825489B - 旋转摩擦发电机、稳压输出电路和供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转摩擦发电机、稳压输出电路和供电装置。该旋转摩擦发电机包括两个位于同一平面间隔设置的电极单元，和一个交替与这两个电极单元接触的第一部件。在外界机械能的作用下，该第一部件上所带的摩擦静电，随其旋转交替地接触两个电极单元，进而交替地改变两个电极单元间的感应电势差，驱动电子通过外电路流动，而形成交流电信号输出。该旋转式摩擦发电机无需对摩擦表面做纳米结构层，即可实现每平方厘米高达毫瓦级的功率输出密度。

Description

旋转摩擦发电机、稳压输出电路和供电装置

技术领域

本发明涉及一种能够环境中机械能转化为电能的发电器件，特别是一种旋转式摩擦发电机及基于该发电机的稳压输出电路和供电装置。

背景技术

在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。然而，和这些微型电子器件所匹配的电源系统的研究却相对滞后，一般说来，这些微型电子器件的电源都是直接或者间接来自于电池。电池不仅体积较大、质量较重，而且含有的有毒化学物质对环境和人体存在潜在的危害。因此，开发出能将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的技术具有极其重要的意义。

从2012年开始，基于摩擦静电效应的纳米发电机快速发展，并以其高效的输出、简单的工艺和稳定的性能，成为将机械能转变为电能的一个非常有前景的途径。但是，现有的摩擦电纳米发电机存在着输出功率较低、阻抗高、机械性能差、交流输出和输出不稳定等问题，使其实际应用收到限制。

发明内容

要解决的技术问题

为克服现有摩擦纳米发电机的上述问题，本发明设计并制作出一种新型旋转式摩擦发电机，通过放射状、阵列式、平面双电极的设计和旋转式的工作模式，极大的提高了输出电流；同时，通过对电路的整体设计，获得了具有稳定直流输出、可直接给小型用电器件供电的供电装置。

技术方案

为达到上述目的，本发明首先提出一种旋转式摩擦发电机。该发电机包括两个分隔设置的电极层，和一个通过相对旋转而与两个电极层交替接触的摩擦层，该摩擦层不需要另外附着电极层和连接导线，可以自由移动。在工作时，该独立的摩擦层相对于两个电极层发生旋转，并交替与两个电极层接触，使得摩擦层表面所带有的摩擦净电荷随其一起移动，导致两个电极层间的感应电势差发生周期性变化，驱动电极层向外电路输出交流电信号。这种发电机的两个电极层置于同一平面上，使二者之间的等效电容量很小，可以产生很高的电压输出。而通过两个电极层表面的图案化设计和摩擦层相对旋转速度的提高，还可以显著增加电流的输出效率。

基于上述思路，本发明首先提供一种旋转式的摩擦发电机，包括第一部件和与之同轴的第二部件，其中所述第一部件由若干摩擦单元以旋转轴为圆心向外辐射间隔排列而成，所述第二部件包括在同一平面内间隔设置的若干第一电极单元和若干第二电极单元，并且所述第一电极单元和第二电极单元均以所述旋转轴为圆心向外辐射排列，所有第一电极单元形成并联的电性连接，所有第二电极单元形成并联的电性连接；所述第一部件的下表面与第二部件的上表面通过相对旋转发生滑动摩擦，同时通过所述第一电极单元和第二电极单元向外电路输出电信号；

优选地，所述摩擦单元的下表面交替与所述第一电极单元和第二电极单元相接触，所述摩擦单元的下表面与所述第一电极单元和第二电极单元的材料具有不同的摩擦电性质；

优选地，所述摩擦单元由绝缘材料或半导体材料制成；

优选地，还包括隔离层，所述第一电极单元和第二电极单元的上表面完全贴合在所述隔离层的背面，所述摩擦单元的下表面交替与背面贴合有所述第一电极单元的隔离层的部分上表面、以及背面贴合有第二电极单元的隔离层的部分上表面接触，并且所述摩擦单元的下表面与隔离层材料具有不同的摩擦电性质；

优选地，所述隔离层为绝缘材料；

优选地，所述摩擦部件由绝缘材料、半导体材料或导电材料制成；

优选地，所述第一电极单元和第二电极单元由相同的导电材料制成；

优选地，所述摩擦单元不能同时覆盖所述第一电极单元和第二电极单元；

优选地，所述摩擦单元的形状和尺寸与所述第一电极单元和/或第二电极单元的尺寸和形状相同；

优选地，所述第一电极单元与所述摩擦单元发生滑动摩擦的表面，和第二电极单元与所述摩擦单元发生滑动摩擦的表面形状和尺寸相同或相近；

优选地，所述第一电极单元和第二电极单元的尺寸和形状相同或互补；

优选地，所述第一电极单元和第二电极单元的尺寸和形状相同，均为独立的扇形或顶点被同心圆切割后形成的部分扇形单元；

优选地，所述第二电极单元的上表面为扇形或顶点被同心圆切割后形成的部分扇形，所述第一电极单元以互补的方式填充在相邻两个第二电极单元之间；

优选地，所有第一电极单元的内侧互相连接形成封闭的内边缘，所有第二电极单元的外侧互相连接形成封闭的外边缘，或者，所有第一电极单元的外侧互相连接形成封闭的外边缘，所有第二电极单元的内侧互相连接形成封闭的内边缘；

优选地，所述扇形或部分扇形的最小弧长和第二电极单元的厚度之比为0.01-1000。

优选地，所述第一电极单元和第二电极单元之间的分隔距离为10nm-10cm；

优选地，所述隔离层的厚度为10nm至1cm；

优选地，所述隔离层为分立结构或一体结构。

本发明还提供一种基于上述摩擦发电机的稳压输出电路，包括：前述的任意一款摩擦发电机（TEG），用于将机械能转换为电信号；变压模块，用于降低所述摩擦发电机输出的电压，同时提高输出电流；整流模块，用于将所述变压模块输出的交流电信号转换成直流电信号；第一储能模块，用于将所述整流模块输出的电信号进行存储；稳压模块，用于稳定整个电路的输出电压；

优选地，所述变压模块为降压变压器；

优选地，所述第一储能模块的两端分别与所述整流模块的两个直流输出端口相连；

优选地，所述第一储能模块为电容器，其容量为1μF-1F；

优选地，所述稳压模块包括三端稳压器；

优选地，还包括第一谐波模块，设置于所述变压模块和整流模块之间；

优选地，所述第一谐波模块为两端分别与所述变压模块的两个输出端相连的电容器，其容量为0.0001μF-0.1μF；

优选地，还包括第二谐波模块，设置于所述第一储能模块和所述稳压模块之间；

优选地，所述第二谐波模块与所述第一储能模块并联连接，为容量在0.001μF-1μF之间的电容器；

优选地，还包括第二储能模块，设置于所述稳压模块之后；

优选地，所述第二储能模块为容量在1μF-1F之间的电容器；

优选地，还包括第三谐波模块，设置于所述稳压模块和电路输出端之间；

优选地，所述第三谐波模块设置于所述第二储能模块和电路输出端之间，为容量在0.001μF-1μF之间的电容。

本发明还提供一种基于摩擦发电机的供电装置，其采用前述的稳压电路进行连接，包括前述的任意一款摩擦发电机（TEG），用于将机械能转换为电信号；变压模块，用于降低所述摩擦发电机输出的电压，同时提高输出电流；整流模块，用于将所述变压模块输出的交流电信号转换成直流电信号；第一储能模块，用于将所述整流模块输出的电信号进行存储；稳压模块，用于稳定整个电路的输出电压。

有益效果

本发明提供旋转式发电机的优势在于：

（1）通过两个电极层集成在同一平面和摩擦层与电极层相对旋转的设计，极大的提高了摩擦发电机的输出电流和功率。

（2）摩擦层和电极层表面无需制备微纳结构即可获得高效的输出，简化了制备工艺，降低了成本，更便于实际应用。

（3）设计并制备了配套的供电装置，使本发明的摩擦发电机可以作为实用电源，直接对小型用电设备进行实时供电。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

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。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。此外，以下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。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1是本发明旋转式摩擦发电机的一种典型结构中第一部件与第二部件的相对位置示意图；

图2是图1所示旋转式摩擦发电机第一部件和第二部件的俯视结构示意图；

图3中的（1）-（3）是图1所示旋转式摩擦发电机的工作原理图；

图4是本发明旋转式摩擦发电机的另一种典型结构示意图；

图5是本发明旋转式摩擦发电机的另一种典型结构示意图；

图6是图5所示发电机工作模式的电荷分布示意图；

图7中的a是实施例1的发电机输出的短路电流、b是实施例1的发电机输出的开路电压谱图；

图8是实施例1的发电机输出电信号与转速的关系图；

图9是本发明基于摩擦发电机的稳压输出电路示意图；

图10是本发明基于摩擦发电机的另一种稳压输出电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

图1和图2为本发明旋转式摩擦发电机的一种典型结构，包括第一部件10和与之同轴的第二部件20，其中第一部件10由若干摩擦单元101以旋转轴70为圆心向外辐射间隔排列而成，第二部件20包括在同一平面内间隔设置的若干第一电极单元201和若干第二电极单元202，并且所述第一电极单元201和第二电极单元202均以旋转轴70为圆心向外辐射排列，所有第一电极单元201形成串联的电性连接，所有第二电极单元202形成串联的电性连接；第一部件10的下表面与第二部件20的上表面通过相对旋转发生滑动摩擦，使摩擦单元101的下表面交替与第一电极单元201和第二电极单元202相接触，同时通过第一电极单元201和第二电极单元202向外电路输出电信号，摩擦单元101的下表面与第一电极单元和第二电极单元的材料具有不同的摩擦电性质。

本发明中涉及的材料摩擦电性质是指一种材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得失电子能力，即两种不同的材料相接触或摩擦时一个带正电，一个带负电，说明这两种材料的得电子能力不同，亦即二者的摩擦电性质不同。例如，聚合物尼龙与铝箔接触的时候，其表面带正电，即失电子能力较强，聚合物聚四氟乙烯与铝箔接触的时候，其表面带负电，即得电子能力较强。

该发电机在工作时，第一部件10通过旋转交替与两个电极单元重合，其下表面分别与两个电极单元发生滑动摩擦，导致第一部件10中摩擦单元101的下表面和两个电极层的表面带上电性相反的电荷。当摩擦单元101从一个电极单元向另一个电极单元滑动时，它表面所带的电荷将随着摩擦单元101一起移动，从而吸引电极层上的异号电荷通过外接回路在两个电极单元之间发生转移，导致在外电路30产生电流（参见图3中的（1）-（3））。

第一部件10中的摩擦单元101为本发明摩擦发电机提供一个摩擦表面，其材料选择主要考虑与其配合使用的另一个摩擦面材料的摩擦电性质。在本实施方式中，与摩擦单元101配合使用的摩擦面是两个导电的电极层，因此该摩擦单元101的下表面材料应选自与导体有较大摩擦电性质差异的绝缘体和半导体，使得二者在发生摩擦的过程中容易产生表面接触电荷。其中，绝缘体可选自一些常用的有机聚合物材料和天然材料，包括：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、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、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、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、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、醋酸酯、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，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。

常用的半导体包括硅、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层，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，此处仅列出一些具体的材料供人们参考，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。

通过实验发现，当第一部件10和第二部件20相互接触的表面材料之间的摩擦电性质相差越大时，发电机输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备第一部件10和第二部件20的接触表面，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电性质的材料优选聚苯乙烯、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；具有正极性摩擦电性质的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、聚乙烯醇和聚酯。

为了满足与第二部件20中的第一电极单元201和第二电极单元202交替接触的要求，第一部件10中摩擦单元101的形状和尺寸应该不足以同时覆盖这两个电极层，除此之外没有特殊要求。为了达到更好的电信号输出效果，优选摩擦单元101的形状和尺寸与第一电极单元201和/或第二电极单元202的形状和尺寸相同，以使得摩擦单元101能够与第一电极单元201和/或第二电极单元202在接触时能够达到完全重合，有效摩擦面积最大。在图2所示的结构中，摩擦单元101的形状和尺寸与第一电极单元201完全相同。

与现有技术中的摩擦发电机不同，由于第一部件10的背面无需沉积金属电极，因此对其厚度没有特殊要求，可以是体材料也可以是薄膜材料，这使本发明发电机的应用范围得到了极大拓展。

本实施方式中，第二部件20由2种电极单元间隔组成，同时作为电极和摩擦层使用。常用的导体材料均可用于制备第二部件20，例如金属和导电的非金属材料等，其中金属可选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；导电的非金属材料可选自氧化铟锡ITO和掺杂的半导体。第一电极单元201和第二电极单元202的材料可以相同，也可以不同，优选二者材料类相同。

第一电极单元201和第二电极单元202必须在同一个平面内间隔设置，二者的形状相同或互补，为了提高滑动摩擦发电的效率，优选第一电极单元201与摩擦单元101发生滑动摩擦表面，和第二电极单元202与摩擦单元101发生滑动摩擦的表面形状和尺寸相同或相近。更优选所有第一摩擦单元201均相同，和/或，所有第二摩擦单元202均相同。例如图2所示的实施方式，第二电极单元202的上表面为扇形或顶点被同心圆切割后形成的部分扇形，而多个第一电极单元201则以互补的方式填充在相邻两个第二电极单元201之间。其中所述的“顶点被同心圆切割后形成的部分扇形”是指由两段同心圆弧和两段直径组成的类扇形。为了方便同种电极单元之间的并联电性连接，可以选择将所有第一电极单元201或第二电极单元202的内侧互相连接形成封闭的内边缘，而所有第二电极单元202或第一电极单元201的外侧互相连接形成封闭的外边缘。其中，该扇形或部分扇形的最小弧长（对于扇形为其弧长，对于部分扇形为其内弧长）和第二电极单元202的厚度之比应处于0.01-1000之间，优选0.1-100之间，特别是在1-50之间，甚至是在1-40之间，这样的结构能够在尽量避免边界效应的同时，获得更好的电输出性能。而第一电极单元201的内外边缘可以是圆形，也可以是其他形状。圆形更方便加工，也方便旋转操作，但是如果环境需要，该边缘的形状是可以调整的。

当然，第一电极单元201的内外边缘不连通也是可以的，例如图4所示的结构中，第一电极单元201与第二电极单元202具有相同的形状和尺寸，均为独立的扇形或顶点被同心圆切割后形成的部分扇形单元。这种情况下，为了确保所有第一电极单元201形成并联的电性连接，所有第二电极单元202形成并联的电性连接，可以通过外接导线的方式将所有第一电极单元201连接起来，而所有第二电极单元202也做类似的连接。该实施方式中，与第二部件20相配合使用的第一部件10由围绕旋转轴70而设置的若干摩擦单元101组成，优选这些摩擦单元101与第一电极单元201具有相同的形状和尺寸，但是摩擦单元101的数量与第一或第二电极单元的数量并不一定相同（参见图4中（1）和（2））。图4中标号30的为电信号输出的连接端。

第一电极单元201和第二电极单元202为分隔设置，即二者之间需要留有一定的空隙，该空隙的存在是电子能够通过外电路在两个电极层之间流动的关键。理论研究和实验对比显示，电极单元之间的间距越小，越有利于提高输出的电流密度和功率密度。因此，应该优先选用较小的电极单元间距。本发明认为该间隙可以控制在10nm-10cm之间，优选100nm-5cm之间，更优选在1μm-100μm之间。分隔的电极单元可以通过选择性镀膜技术在支撑基底上制备，也可以利用激光切割技术形成。

为了在提高电信号输出密度的同时，防止电极单元之间的放电，还可以在两个电极单元的空隙中填有填充介质50（参见图4）。该填充介质50既可以仅填充于相邻电极单元之间的空隙中，也可以如图4所示在两个电极层的周围也设置一圈，用于作为电极单元的支撑结构或保护结构。该填充介质50可选自具有中性摩擦电特性的材料，例如聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）。显然，如果发电机在使用的过程中需要液体、气体或真空环境，上述填充介质50也可以是不导电的液体或气体，在必要的情况下也可以是真空。在这些情况下，第一部件10在与填充介质50接触的过程中可以有效的避免电荷转移。填充介质50的填充高度既可以与第一电极单元201和第二电极单元202的厚度相同，也可以稍低于二者的厚度。当填充介质50的填充高度低于第一电极单元201和第二电极单元202的厚度时，优选介电系数较大的材料，例如二氧化硅，三氧化铝，氧化镁，氧化钙，氧化铜。

图5为本发明旋转式摩擦发电机另一种典型结构的单元示意图，即图5所示的仅为该发电机的一个发电单元，整个发电机由若干这样的单元组成。该发电机包括第一部件10和与之同轴的第二部件20，其中第一部件10由若干摩擦单元101以旋转轴70为圆心向外辐射间隔排列而成，第二部件20包括隔离层40、贴合在隔离层40背面间隔设置的第一电极单元201和第二电极单元202，并且所述第一电极单元201和第二电极单元202均以旋转轴70为圆心向外辐射排列，所有第一电极单元201形成串联的电性连接，所有第二电极单元202形成串联的电性连接；第一部件10的下表面与第二部件20的上表面通过相对旋转发生滑动摩擦，使摩擦单元101的下表面交替与背面贴合有第一电极单元201的隔离层40的部分上表面、以及背面贴合有第二电极单元202的隔离层40的部分上表面接触，并通过第一电极单元201和第二电极单元202向外输出电信号，摩擦单元101的下表面与隔离层40的材料具有不同的摩擦电性质。

隔离层40应为非导体材料，优选绝缘材料，可从图1和图2所示的实施方式中摩擦单元101的可选材料中进行选择，为了提高电信号输出性能，优选使用摩擦电特性与摩擦单元101相差较大的材料。

在本实施方式中，由于有不导电的隔离层40的存在，使得摩擦单元101的材料可选择范围有所拓展，除了在前述实施方式中可以选择的范围之外，导体也成为一种可选材料，包括金属、导电的非金属材料，其中金属可选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；导电的非金属材料可选自氧化铟锡ITO和掺杂的半导体以及有机物导体。

隔离层40可以为分立结构，例如由2个分离的部分组成，其中一个部分覆盖于第一电极单元201的表面，另一个部分覆盖于第二电极单元202的表面；也可以为一体结构，例如图5所示的情况，隔离层40为一个整体，同时覆盖于所有电极单元的上表面。

隔离层40的表面尺寸和形状应至少完全覆盖第一电极单元201和第二电极单元202，对其厚度没有特殊限定，可以为10nm-1cm，优选1μm至0.5mm，更优选20μm-0.1mm，以利于发电机的输出。

在该发电机工作时，第一部件10在隔离层40表面来回滑动，或者在背面分别贴合有第一电极单元201和第二电极单元202的隔离层40表面不同部分之间交替接触和分离。在这个过程中，第一部件10的摩擦单元101和隔离层40相互接触的表面带上反号的电荷。这些电荷都将保持在二者的表面，在一定时间内几乎不会发生流动或者衰减。由于隔离层40始终相对于两个电极层保持静止，因此它表面所带的静电荷在两个电极层间产生的感应电势差始终保持不变，不会给电流的产生提供驱动力（参见图6）。因此，与图3所示的情形类似，摩擦单元101上的静电将随其滑动一起移动，并且在交替靠近两个电极层时，反复改变两个电极层间的感应电势差，从而吸引电极回路中所带的异号电荷在两个电极层之间移动，在外电路产生电流。

对于两个电极单元之间的间距，与图1和图2所示的实施方式类似，间距越小，越有利于提高输出的电流密度和功率密度。

对于这种结构，第一部件10也可以是预先带电的，这种情况下，隔离层40更多的起到一个保护层的作用，或者是在第一部件10所带电荷不饱和的情况下，通过与隔离层40的摩擦使之带上更多的电荷，从而提高发电机的输出性能。

对于本发明前述的各种发电机，还可以包含支撑部件，用于对第一部件10和/或第二部件20进行支撑加固，以获得更好的机械强度。该支撑部件可以设置在第一部件10的上表面和/或第二部件20的下表面。在实际使用时，还可以在支撑部件上直接加工第一部件10和/或第二部件20。

本发明的发电机由于采用了两个电极同一平面间隔设置的结构，显著增加了表面电荷的产生和转移效率，同时第一部件10与第二部件20通过旋转的方式实现滑动摩擦，大幅提高了电荷输出的频率。因此，本发明的发电机可以获得高达毫安级的电流输出，功率密度达19mW/cm^-2，足以给很多日常的小型电器供电。但是，摩擦发电机存在交流输出、输出电流小、电信号不稳定等问题，因此单一的摩擦发电机还无法直接作为电源使用。本发明为解决该问题，设计了一个全新的电路，并基于此制备出能够实时给电器供电的供电装置。

本发明提供一种使用摩擦发电机的稳压输出电路（参见图9），包括：前述的任意一款摩擦发电机1（TEG），用于将机械能转换为电信号；变压模块2，用于降低摩擦发电机输出的电压，同时提高输出电流；整流模块3，用于将变压模块2输出的交流电信号转换成直流电信号；第一储能模块4，用于将整流模块3输出的电信号进行存储；稳压模块5，用于稳定整个电路的输出电压。

本电路中使用的摩擦发电机1只要能够将机械能转换为电信号即可，可以使用本发明前述的任一款发电机，也可以使用现有技术中其他的摩擦发电机。只需将摩擦发电机的两个输出端分别与变压模块2的两个输入端相连即可。

变压模块2的两个输入端分别与摩擦发电机1的两个输出端相连，两个输出端分别与整流模块3的两个输入端相连，可以使用本领域中常规的变压器件实现。由于摩擦发电机的输出电压一般较高，因此优选使用降压变压器，可以同时降低输出电压并提高输出电流。其中，变压器的线圈比可以根据需要的输出电压来调整。例如，当摩擦发电机的开路电压为880V,短路电流为3mA，电路最终输出5V的情况下，可以将该线圈比设置为40:1。

整流模块3的两个交流输入端与变压模块2的两个输出端相连，两个直流输出端中的阴极端口直接与电路输出端6的一端相连，阳极端口通过稳压模块5连接到电路输出端6的另一端上，从而将摩擦发电机产生的交流电信号转换为直流电信号输出。该整流模块3在本领域中有很多常规的电路来实现，例如桥式整流电路。

第一储能模块4的两端分别与整流模块3的阳极端口和阴极端口相连，用于将整流模块3所输出的电信号进行存储，并调整输出，对输出电信号有一定的稳压作用。在本领域中能够实现该功能的器件较多，一个优选的方案是使用电容器。电容器的容量与电路的输出相关，对于摩擦发电机而言，一个可选的范围是1μF-1F，优选10μF-10000μF，优选100μF-5000μF，更优选1000μF。

稳压模块5用于稳定输出电压，可以使用本领域常规的稳压电路或商用的稳压器件，例如三端稳压器，可以是固定电压的，也可以是电压可调式的。其中，其输入端与整流模块3的一个直流输出端相连，输出端直接连接于整个电路输出端6的一个输出端口，第三端接地。稳压模块5的输出电压根据实际需要来调整，本发明为了给一般小型电器供电，将稳压模块5的输出电压调整为5V。

为了使该电路更为实用，输出效果更好，还可以包括一些非必需的设计（参见图10），例如可以包括第一谐波模块7，设置于变压模块2和整流模块3之间，用于对变压后的电信号进行高频谐波，以减少对外的无线电辐射。该谐波模块7可以采用常规的谐波电路或元件实现，例如电容器，其两端分别与变压器的两个输出端相连，容量范围可以为0.0001μF-0.1μF，优选为0.0001μF-0.01μF，更优选为0.0005μF-0.001μF。

还可以包括第二谐波模块8，设置于第一储能模块4和稳压模块5之间，与所述第一储能模块并联连接，起到与第一谐波模块7类似的作用。但是，由于经过整流后电信号阻抗减小，所以电容器的容量可以适当加大，可以为0.001μF-1μF，优选为0.001μF-0.1μF，更优选为0.005μF-0.05μF，尤其是0.01μF。

还可以包括一个第二储能模块9，设置于所述稳压模块之后，用于储能和过滤电信号中的纹波，其选择范围与第一储能模块4相同。

还可以包括第三谐波模块10，用于过滤电信号中的无线电波，以减小对周围用电器件的干扰，其选择范围与第二谐波模块8相同。

根据上述稳压输出电路，本发明还提供一种基于摩擦发电机的供电装置，包括前述任一款所述的摩擦发电机，用于将机械能转换为电信号；变压模块2，用于降低摩擦发电机输出的电压，同时提高输出电流；整流模块3，用于将变压模块2输出的交流电信号转换成直流电信号；第一储能模块4，用于将整流模块3输出的电信号进行存储；稳压模块5，用于稳定整个电路的输出电压。该装置中各模块的选择范围与前述稳压电路中的一致，在此不再赘述。

实施例1

在一个带有中心孔的、直径约10cm的圆形铜片上，通过切割形成60个以中心孔为圆点、径向放射状排列的扇形摩擦单元，每个摩擦单元的圆心角约为3°，相邻两个摩擦单元之间为类扇形的空隙，所有扇形摩擦单元的外缘保持连通。另取一个带有中心孔、直径约10cm的圆形丙烯酸塑料板作为支撑部件，在其上制备与摩擦单元形状和尺寸相同的第一电极单元，同时在相邻第一电极单元之间的空隙中形成第二电极单元，并保持第一电极单元和第二电极单元之间形成一定空隙。将所有第二电极单元通过导线相连引出，作为向外电路输出电信号的一端，而第一电极单元的内缘作为向外电路输出电信号的另一端。在电极单元的上表面贴合厚度为25μm的聚全氟乙丙烯（简写FEP）薄膜作为隔离层。将第一部件、第二部件和支撑部件同轴组装起来，并且使第一部件和第二部件通过相对旋转发生滑动摩擦，外电路即有电信号输出。

图7显示了在相对旋转速度为500rmin-1时，在外电路测得的开路电压（图7中的（b））和短路电流图（图7中的（a））。

本发明还测试了不同转速（100、200、300、400和500rmin-1）下，开路电压和短路电流的变化趋势。发现，短路电流与转速有明显的线性正相关性，而开路电压则几乎不随转速的变化而改变（参见图8）。本发明在给用电器件供电时，还使用了更高的转速，包括1000、2000和3000rmin-1。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (31)

1.一种旋转式摩擦发电机，包括第一部件和与之同轴的第二部件，其特征在于，所述第一部件由若干摩擦单元以旋转轴为圆心向外辐射间隔排列而成，所述第二部件包括在同一平面内间隔设置的若干第一电极单元和若干第二电极单元，并且所述第一电极单元和第二电极单元均以所述旋转轴为圆心向外辐射排列，所有第一电极单元形成并联的电性连接，所有第二电极单元形成并联的电性连接；所述第一部件的下表面与第二部件的上表面通过相对旋转发生滑动摩擦，同时通过所述第一电极单元和第二电极单元向外电路输出电信号；

所述旋转式摩擦发电机还包括隔离层，所述第一电极单元和第二电极单元的上表面完全贴合在所述隔离层的背面，所述摩擦单元的下表面交替与背面贴合有所述第一电极单元的隔离层的部分上表面、以及背面贴合有第二电极单元的隔离层的部分上表面接触，并且所述摩擦单元的下表面与隔离层材料具有不同的摩擦电性质。

2.如权利要求1所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于所述摩擦单元的下表面交替与所述第一电极单元和第二电极单元相接触，所述摩擦单元的下表面与所述第一电极单元和第二电极单元的材料具有不同的摩擦电性质。

3.如权利要求2所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦单元由绝缘材料或半导体材料制成。

4.如权利要求1所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述隔离层为绝缘材料。

5.如权利要求4所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦单元由绝缘材料、半导体材料或导电材料制成。

6.如权利要求1-5任一项所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极单元和第二电极单元由相同的导电材料制成。

7.如权利要求1-5任一项所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦单元不能同时覆盖所述第一电极单元和第二电极单元。

8.如权利要求7所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦单元的形状和尺寸与所述第一电极单元和/或第二电极单元的尺寸和形状相同。

9.如权利要求8所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极单元与所述摩擦单元发生滑动摩擦的表面，和第二电极单元与所述摩擦单元发生滑动摩擦的表面形状和尺寸相同或相近。

10.如权利要求9所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极单元和第二电极单元的尺寸和形状相同或互补。

11.如权利要求10所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极单元和第二电极单元的尺寸和形状相同，均为独立的扇形或顶点被同心圆切割后形成的部分扇形单元。

12.如权利要求10所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述第二电极单元的上表面为扇形或顶点被同心圆切割后形成的部分扇形，所述第一电极单元以互补的方式填充在相邻两个第二电极单元之间。

13.如权利要求12所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所有第一电极单元的内侧互相连接形成封闭的内边缘，所有第二电极单元的外侧互相连接形成封闭的外边缘；或者，所有第一电极单元的外侧互相连接形成封闭的外边缘，所有第二电极单元的内侧互相连接形成封闭的内边缘。

14.如权利要求11-13任一项所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述扇形或部分扇形的最小弧长和第二电极单元的厚度之比为0.01-1000。

15.如权利要求1-5、8-13任一项所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述第一电极单元和第二电极单元之间的分隔距离为10nm-10cm。

16.如权利要求1、4、5、8-13任一项所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述隔离层的厚度为10nm至1cm。

17.如权利要求1、4、5、8-13任一项所述的旋转式摩擦发电机，其特征在于，所述隔离层为分立结构或一体结构。

18.一种使用权利要求1-17任一项所述摩擦发电机的稳压输出电路，其特征在于包括：

所述摩擦发电机，用于将机械能转换为电信号；

变压模块，用于降低所述摩擦发电机输出的电压，同时提高输出电流；

整流模块，用于将所述变压模块输出的交流电信号转换成直流电信号；

第一储能模块，用于将所述整流模块输出的电信号进行存储；

稳压模块，用于稳定整个电路的输出电压。

19.如权利要求18所述的稳压输出电路，其特征在于，所述变压模块为降压变压器。

20.如权利要求18或19所述的稳压输出电路，其特征在于，所述第一储能模块的两端分别与所述整流模块的两个直流输出端口相连。

21.如权利要求20所述的稳压输出电路，其特征在于，所述第一储能模块为电容器，其容量为1μF-1F。

22.如权利要求18、19和21中任一项所述的稳压输出电路，其特征在于，所述稳压模块包括三端稳压器。

23.如权利要求18、19和21中任一项所述的稳压输出电路，其特征在于，还包括第一谐波模块，设置于所述变压模块和整流模块之间。

24.如权利要求23所述的稳压输出电路，其特征在于，所述第一谐波模块为两端分别与所述变压模块的两个输出端相连的电容器，其容量为0.0001μF-0.1μF。

25.如权利要求19、21和24中任一项所述的稳压输出电路，其特征在于，还包括第二谐波模块，设置于所述第一储能模块和所述稳压模块之间。

26.如权利要求25所述的稳压输出电路，其特征在于，所述第二谐波模块与所述第一储能模块并联连接，为容量在0.001μF-1μF之间的电容器。

27.如权利要求19、21、24和26中任一项所述的稳压输出电路，其特征在于，还包括第二储能模块，设置于所述稳压模块之后。

28.如权利要求27所述的稳压输出电路，其特征在于，所述第二储能模块为容量在1μF-1F之间的电容器。

29.如权利要求19、21、24、26和28中任一项所述的稳压输出电路，其特征在于，还包括第三谐波模块，设置于所述稳压模块和电路输出端之间。

30.如权利要求29所述的稳压输出电路，其特征在于，所述第三谐波模块设置于所述第二储能模块和电路输出端之间，为容量在0.001μF-1μF之间的电容。

31.一种基于摩擦发电机的供电装置，其特征在于，采用权利要求18-30中任一项所述的稳压输出电路进行连接，包括：所述摩擦发电机，用于将机械能转换为电信号；

变压模块，用于降低所述摩擦发电机输出的电压，同时提高输出电流；

整流模块，用于将所述变压模块输出的交流电信号转换成直流电信号；

第一储能模块，用于将所述整流模块输出的电信号进行存储；

稳压模块，用于稳定整个电路的输出电压。