CN104348381A - 基于摩擦发电机的风力发电装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摩擦发电机的风力发电装置及系统。其中一种基于摩擦发电机的风力发电装置包括：支撑装置和至少一个摩擦发电机；所述摩擦发电机包括第一结构层和第二结构层，所述第一结构层和第二结构层之间形成摩擦界面，所述第一结构层和所述第二结构层构成所述摩擦发电机的输出电极；其中，所述支撑装置包括：支撑基板与固设在所述支撑基板上面的支撑杆；所述第一结构层和所述第二结构层中的其中一层通过弹性部件与支撑杆连接，另一层固设在所述支撑基板上。本发明提供的风力发电装置结构简单、材料轻便、成本低、易加工和剪裁，并且具有较高的输出功率。

Description

基于摩擦发电机的风力发电装置及系统

技术领域

本发明涉及电力领域，更具体地说，涉及一种基于摩擦发电机的风力发电装置及系统。

背景技术

目前，基于煤、石油、天然气等不可再生能源供应紧张、核电的抗自然灾害能力较低、传统风力发电成本居高不下等因素的影响，寻求以低成本、新技术收集自然界中广泛存在的机械能的新技术手段成为近年研究的热点。自2006年王中林院士研发组首次实现纳米发电机收集机械能以来，以压电和摩擦电效应为基础的机械能收集技术深受科学界广泛关注，并在微电元件中得到应用。在现有的风力发电技术中，大多采用电磁转换技术，成本高、设备复杂；而且，风叶扭矩与风叶转速之间的矛盾制约风力发电的输出功率。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有技术的缺陷，提出一种基于摩擦发电机的风力发电装置及系统，用以解决现有技术中存在的风力发电技术成本高、设备复杂以及风力发电输出功率低的技术问题。

本发明提供了一种基于摩擦发电机的风力发电装置，包括：支撑装置和至少一个摩擦发电机；所述摩擦发电机包括第一结构层和第二结构层，所述第一结构层和第二结构层之间形成摩擦界面，所述第一结构层和所述第二结构层构成所述摩擦发电机的输出电极；

其中，所述支撑装置包括：支撑杆；所述第一结构层和所述第二结构层均通过各自的弹性部件与所述支撑杆连接；或者，所述支撑装置包括：支撑基板与固设在所述支撑基板上面的支撑杆；所述第一结构层和所述第二结构层中的其中一层通过弹性部件与支撑杆连接，另一层固设在所述支撑基板上。

本发明提供了一种基于摩擦发电机的风力发电系统，包括：上述本发明提供的一种基于摩擦发电机的风力发电装置以及储能装置，其中，所述储能装置用于对所述摩擦发电机产生的电能进行存储。

本发明提供了另一种基于摩擦发电机的风力发电装置，包括：支撑杆和至少一个摩擦发电机；所述摩擦发电机包括第一结构层、第二结构层以及位于所述第一结构层和第二结构层之间的居间层，所述第一结构层与所述居间层之间以及所述第二结构层与所述居间层之间都形成摩擦界面；所述第一结构层和所述第二结构层均通过各自的弹性部件与所述支撑杆连接；所述居间层固设在所述支撑杆上；

所述居间层为居间电极层，所述第一结构层和所述第二结构层相连后与所述居间电极层构成所述摩擦发电机的输出电极；或者，所述居间层为居间薄膜层，所述第一结构层和所述第二结构层构成所述摩擦发电机的输出电极。

本发明提供了另一种基于摩擦发电机的风力发电系统，包括：上述本发明提供的另一种基于摩擦发电机的风力发电装置以及储能装置，其中，所述储能装置用于对所述摩擦发电机产生的电能进行存储。

本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置及系统的特点是具有“自回弹”的结构，即摩擦发电机中形成摩擦界面的部分层结构或全部层结构通过弹性部件与支撑杆连接，在风吹动的过程中，受到弹性部件的弹力作用，摩擦发电机中形成摩擦界面的层结构互相接触摩擦和互相分离，从而使摩擦发电机产生电信号。相对于传统的风力发电装置，本发明提供的风力发电装置结构简单、材料轻便、成本低、易加工和剪裁，并且具有较高的输出功率。这种风力发电装置及系统可以独立应用，也可以应用于风电、光伏发电、原子电池发电、温差发电等系统整合的多电源供电系统中。

附图说明

图1a为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例一的立体结构示意图；

图1b为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例一的截面结构示意图；

图1c为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例一的另一截面结构示意图；

图2a为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例二的立体结构示意图；

图2b为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例二的截面结构示意图；

图3a为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例三的立体结构示意图；

图3b为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例三的截面结构示意图；

图4a为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例四的立体结构示意图；

图4b为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例四的截面结构示意图；

图5为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置的组合结构示意图。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明,但本发明并不仅仅限于此。

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于摩擦发电机的风力发电装置及系统，该风力发电装置及系统的特点是具有“自回弹”的结构，即摩擦发电机中形成摩擦界面的部分层结构或全部层结构通过弹性部件与支撑杆连接，在风吹动的过程中，受到弹性部件的弹力作用，摩擦发电机中形成摩擦界面的层结构互相接触摩擦和互相分离，从而使摩擦发电机产生电信号。

图1a为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例一的立体结构示意图，图1b为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例一的截面结构示意图。如图1a和图1b所示，该风力发电装置包括支撑基板10、4个支撑杆11以及摩擦发电机，支撑杆11固设在支撑基板10上，两者属于摩擦发电机的支撑装置。摩擦发电机包括层叠设置的第一电极层12和第一高分子聚合物绝缘层13、以及第二电极层14，其中第一电极层12和第一高分子聚合物绝缘层13组成第一结构层，第二电极层14为第二结构层。第一电极层12设置在第一高分子聚合物绝缘层13的第一侧表面上，第一高分子聚合物绝缘层13的第二侧表面朝向第二电极层14设置，第一电极层12和第二电极层14构成摩擦发电机的输出电极。第一电极层12和第一高分子聚合物绝缘层13固设在支撑基板10上，第二电极层14通过弹性部件15与支撑杆11连接。

在图1a和图1b所示的结构中，第二电极层14的4个顶角通过4个弹性部件15分别与4个支撑杆11连接。本发明不仅限于此，也可以是第二电极层的任意3个顶角或2个边或整体通过弹性部件与支撑杆连接。根据第二电极层的连接方式的不同，相应的配置支撑杆的数量和位置，使得在无风状态下，第二电极层受到支撑杆的支撑，保持与第一高分子聚合物绝缘层平行。另外，在图1a和图1b中，在无风状态下，弹性部件15与第二结构层具有一定夹角，弹性部件15本身处于较为松弛的状态，此种结构适合于将风力发电装置与地面平行放置的情况。优选地，本实施例也可采用图1c所示的结构，在该结构中，无风时弹性部件15与第二结构层的夹角为0或接近于0，弹性部件15本身处于较为拉紧的状态，由于第二结构层本身比较轻薄，因此当以与地面平行或竖直方向或其它方向放置风力发电装置时，弹性部件15都可以支撑第二结构层保持与第一高分子聚合物绝缘层基本平行。

本实施例中，第一高分子聚合物绝缘层13与第二电极层14之间形成摩擦界面。在无风状态下，第一高分子聚合物绝缘层13与第二电极层14之间具有预设距离。该预设距离应当合理设置，使得在风吹动第二电极层14时，第二电极层14能够与第一高分子聚合物绝缘层13接触摩擦。

支撑基板10可以为亚克力基板、玻璃基板、不锈钢基板或陶瓷基板，也可以为以坚固的高分子聚合物材料制作的基板或其它具有力学刚性的基板。支撑杆11可以为亚克力杆、玻璃杆、不锈钢杆、陶瓷杆或合金杆，也可以为以坚固的高分子聚合物材料制作的杆或其它具有机械刚性支撑作用的杆。

弹性部件15可以为弹簧、弹力皮筋、弹力带或弹力膜，或其它具有弹性力学作用的部件。

优选地，为了提高摩擦发电机的发电能力，第一高分子聚合物绝缘层13的第二侧表面上设有微纳结构。微纳结构具体可以采取如下两种可能的实现方式：第一种方式为，该微纳结构是微米级或纳米级的非常小的凹凸结构。该凹凸结构能够增加摩擦阻力，提高发电效率。凹凸结构能够在薄膜制备时直接形成，也能够用打磨的方法使第一高分子聚合物绝缘层13的表面形成不规则的凹凸结构。具体地，该凹凸结构可以是半圆形、条纹状、立方体型、四棱锥型、或圆柱形等形状的凹凸结构。第二种方式为，该微纳结构是纳米级孔状结构，此时第一高分子聚合物绝缘层13所用材料优选为聚偏氟乙烯（PVDF），其厚度为0.5-1.2mm（优选1.0mm），且其相对第二电极层14的面上设有多个纳米孔。其中，每个纳米孔的尺寸，即宽度和深度，可以根据应用的需要进行选择，优选的纳米孔的尺寸为：宽度为10-100nm以及深度为4-50μm。纳米孔的数量可以根据需要的输出电流值和电压值进行调整，优选的这些纳米孔是孔间距为2-30μm的均匀分布，更优选的平均孔间距为9μm的均匀分布。

第一高分子聚合物绝缘层13选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的一种。

根据发明人的研究发现，金属与高分子聚合物摩擦，金属更易失去电子，因此采用金属电极与高分子聚合物摩擦能够提高能量输出。因此，相应地，在图1a和图1b所示的摩擦发电机中，第二电极层14由于需要作为摩擦电极（即金属）与第一高分子聚合物绝缘层13进行摩擦，因此其材料可以选自金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。第一电极层12由于不需要进行摩擦，因此，除了可以选用上述罗列的第二电极层14的材料之外，其他能够制作电极的材料也可以应用，如铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜等非金属材料。

本实施例提供的风力发电装置的发电原理是：当风吹到第二电极层上时（风可以从任意方向吹到第二电极层，只要第二电极层随风摆动能接触到第一高分子聚合物绝缘层即可），第二电极层与第一高分子聚合物绝缘层接触和摩擦而产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极层和第二电极层之间的电容发生改变，从而导致第一电极层和第二电极层之间出现电势差；当风速发生变化时（减小或停止时），第二电极层受到弹性部件的回拉力，使第二电极层与第一高分子聚合物绝缘层分开，这时形成在第一电极层和第二电极层之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层和第二电极层之间将再次产生反向的电势差。通过反复的摩擦和分开，就可以在外电路中形成周期性的交流脉冲电信号。

在实施例一中，第二结构层（即第二电极层）通过弹性部件与支撑杆连接，第一结构层（即第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层）固设在支撑基板上。本发明不仅限于此。作为另一种实施方式，第一结构层（即第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层）通过弹性部件与支撑杆连接，具体地，第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层固设在一起后通过弹性部件与支撑杆连接，第二结构层（即第二电极层）固设在支撑基板上。作为又一种实施方式，第一结构层（即第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层）和第二结构层（即第二电极层）都通过各自的弹性部件与支撑杆连接，在这种结构中，风力发电装置可以不包括支撑基板。在无风状态时，第一结构层和第二结构层保持平行并具有一定的距离；当风吹动时，第一结构层和第二结构层都随风振动，实现接触摩擦，进而实现发电。

图2a为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例二的立体结构示意图，图2b为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例二的截面结构示意图。如图2a和图2b所示，该风力发电装置包括支撑基板20、4个支撑杆21以及摩擦发电机，支撑杆21固设在支撑基板20上，两者属于摩擦发电机的支撑装置。摩擦发电机包括层叠设置的第一电极层22和第一高分子聚合物绝缘层23、以及第二高分子聚合物绝缘层24和第二电极层25，其中第一电极层22和第一高分子聚合物绝缘层23组成第一结构层，第二高分子聚合物绝缘层24和第二电极层25组成第二结构层。第一电极层22设置在第一高分子聚合物绝缘层23的第一侧表面上，第一高分子聚合物绝缘层23的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层24的第二侧表面相对设置，第二电极层25设置在第二高分子聚合物绝缘层24的第一侧表面上，即第二高分子聚合物绝缘层24设置在第二电极层25与第一高分子聚合物绝缘层23之间。第一电极层22和第二电极层25构成摩擦发电机的输出电极。第一电极层22和第一高分子聚合物绝缘层23固设在支撑基板20上，第二电极层25和第二高分子聚合物绝缘层24固设在一起并通过弹性部件26与支撑杆21连接。

在图2a和图2b所示的结构中，第二电极层25的4个顶角通过4个弹性部件26分别与4个支撑杆21连接。本发明不仅限于此，也可以是第二电极层的任意3个顶角或2个边或整体通过弹性部件与支撑杆连接。根据第二电极层的连接方式的不同，相应的配置支撑杆的数量和位置，使得在无风状态下，第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层受到支撑杆的支撑，保持与第一高分子聚合物绝缘层平行。另外，本实施例也可采用图1c所示的弹性部件的连接方式，即无风时弹性部件26与第二结构层的夹角为0或接近于0，弹性部件26本身处于较为拉紧的状态，由于第二结构层本身比较轻薄，因此当以与地面平行或竖直方向或其它方向放置风力发电装置时，弹性部件26都可以支撑第二结构层保持与第一高分子聚合物绝缘层基本平行。

本实施例中，第一高分子聚合物绝缘层23与第二高分子聚合物绝缘层24之间形成摩擦界面。在无风状态下，第一高分子聚合物绝缘层23与第二高分子聚合物绝缘层24之间具有预设距离。该预设距离应当合理设置，使得在风吹动第二电极层25和第二高分子聚合物绝缘层24时，第二高分子聚合物绝缘层24能够与第一高分子聚合物绝缘层23接触摩擦。

支撑基板20、支撑杆21和弹性部件26可以与实施例一描述的相同，不再赘述。

优选地，为了提高摩擦发电机的发电能力，第一高分子聚合物绝缘层23和第二高分子聚合物绝缘层24相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构。有关微纳结构的内容可参见实施例一的描述。

第一高分子聚合物绝缘层23和第二高分子聚合物绝缘层24分别选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的一种。原则上第一高分子聚合物绝缘层23和第二高分子聚合物绝缘层24的材质可以相同，也可以不同。但是，如果两层高分子聚合物绝缘层的材质都相同，会导致摩擦起电的电荷量很小。因此优选地，第一高分子聚合物绝缘层23与第二高分子聚合物绝缘层24的材质不同。

第一电极层22和第二电极层25所用材料可以是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。

本实施例提供的风力发电装置的发电原理是：当风吹到第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层上时（风可以从任意方向吹到第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层，只要第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层随风摆动使第二高分子聚合物绝缘层能够接触到第一高分子聚合物绝缘层即可），第二高分子聚合物绝缘层与第一高分子聚合物绝缘层接触和摩擦而产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极层和第二电极层之间的电容发生改变，从而导致第一电极层和第二电极层之间出现电势差；当风速发生变化时（减小或停止时），第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层受到弹性部件的回拉力，使第二高分子聚合物绝缘层与第一高分子聚合物绝缘层分开，这时形成在第一电极层和第二电极层之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层和第二电极层之间将再次产生反向的电势差。通过反复的摩擦和分开，就可以在外电路中形成周期性的交流脉冲电信号。

在实施例二中，第二结构层（即第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层）通过弹性部件与支撑杆连接，第一结构层（即第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层）固设在支撑基板上。本发明不仅限于此。作为另一种实施方式，第一结构层（即第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层）通过弹性部件与支撑杆连接，第二结构层（即第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层）固设在支撑基板上。作为又一种实施方式，第一结构层（即第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层）和第二结构层（即第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层）都通过各自的弹性部件与支撑杆连接，在这种结构中，风力发电装置可以不包括支撑基板。在无风状态时，第一结构层和第二结构层保持平行并具有一定的距离；当风吹动时，第一结构层和第二结构层都随风振动，实现接触摩擦，进而实现发电。

图3a为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例三的立体结构示意图，图3b为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例三的截面结构示意图。如图3a和图3b所示，该风力发电装置包括支撑基板30、4个支撑杆31以及摩擦发电机，支撑杆31固设在支撑基板30上，两者属于摩擦发电机的支撑装置。摩擦发电机包括层叠设置的第一电极层32、第一高分子聚合物绝缘层33、居间薄膜层34、以及第二高分子聚合物绝缘层35和第二电极层36，其中第一电极层32、第一高分子聚合物绝缘层33、居间薄膜层34组成第一结构层，第二高分子聚合物绝缘层35和第二电极层36组成第二结构层。第一电极层32设置在第一高分子聚合物绝缘层33的第一侧表面上，居间薄膜层34设置在第一高分子聚合物绝缘层33的第二侧表面上，居间薄膜层34设置在第一高分子聚合物绝缘层33和第二高分子聚合物绝缘层35之间，居间薄膜层34朝向第二高分子聚合物绝缘层35的第二侧表面，第二电极层36设置在第二高分子聚合物绝缘层35的第一侧表面上。第一电极层32和第二电极层36构成摩擦发电机的输出电极。第一电极层32、第一高分子聚合物绝缘层33和居间薄膜层34固设在支撑基板30上，第二电极层36和第二高分子聚合物绝缘层35固设在一起并通过弹性部件37与支撑杆31连接。

在图3a和图3b所示的结构中，第二电极层36的4个顶角通过4个弹性部件37分别与4个支撑杆31连接。本发明不仅限于此，也可以是第二电极层的任意3个顶角或2个边或整体通过弹性部件与支撑杆连接。根据第二电极层的连接方式的不同，相应的配置支撑杆的数量和位置，使得在无风状态下，第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层受到支撑杆的支撑，保持与居间薄膜层平行。另外，本实施例也可采用图1c所示的弹性部件的连接方式，即无风时弹性部件37与第二结构层的夹角为0或接近于0，弹性部件37本身处于较为拉紧的状态，由于第二结构层本身比较轻薄，因此当以与地面平行或竖直方向或其它方向放置风力发电装置时，弹性部件37都可以支撑第二结构层保持与居间薄膜层基本平行。

本实施例中，居间薄膜层34与第二高分子聚合物绝缘层35之间形成摩擦界面。在无风状态下，居间薄膜层34与第二高分子聚合物绝缘层35之间具有预设距离。该预设距离应当合理设置，使得在风吹动第二电极层36和第二高分子聚合物绝缘层35时，第二高分子聚合物绝缘层35能够与居间薄膜层34接触摩擦。

支撑基板30、支撑杆31和弹性部件37可以与实施例一描述的相同，不再赘述。

优选地，为了提高摩擦发电机的发电能力，第二高分子聚合物绝缘层35相对居间薄膜层34的面和居间薄膜层34相对第二高分子聚合物绝缘层35的面中的至少一个面上设有微纳结构。有关微纳结构的内容可参见实施例一的描述。

本实施例中第一电极层32、第二电极层36、第一高分子聚合物绝缘层33和第二高分子聚合物绝缘层35的材质可以参照前述实施例二的描述。居间薄膜层34也可以选自透明高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和液晶高分子聚合物（LCP）中的任意一种。其中，第一高分子聚合物绝缘层33与第二高分子聚合物绝缘层35的材料优选透明高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）；其中，居间薄膜层34的材料优选聚二甲基硅氧烷（PDMS）。上述的第一高分子聚合物绝缘层33、第二高分子聚合物绝缘层35、居间薄膜层34的材质可以相同，也可以不同。但是，如果第二高分子聚合物绝缘层35和居间薄膜层34的材质相同，会导致摩擦起电的电荷量很小，因此，为了提高摩擦效果，居间薄膜层34的材质不同于第二高分子聚合物绝缘层35，而第一高分子聚合物绝缘层33与第二高分子聚合物绝缘层35的材质则优选相同，这样，能减少材料种类，使本发明的制作更加方便。

本实施例提供的风力发电装置的发电原理是：当风吹到第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层上时（风可以从任意方向吹到第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层上，只要第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层随风摆动使第二高分子聚合物绝缘层能够接触到居间薄膜层即可），第二高分子聚合物绝缘层与居间薄膜层接触和摩擦而产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极层和第二电极层之间的电容发生改变，从而导致第一电极层和第二电极层之间出现电势差；当风速发生变化时（减小或停止时），第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层受到弹性部件的回拉力，使第二高分子聚合物绝缘层与居间薄膜层分开，这时形成在第一电极层和第二电极层之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层和第二电极层之间将再次产生反向的电势差。通过反复的摩擦和分开，就可以在外电路中形成周期性的交流脉冲电信号。

在实施例三中，第二结构层（即第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层）通过弹性部件与支撑杆连接，第一结构层（即第一电极层、第一高分子聚合物绝缘层和居间薄膜层）固设在支撑基板上。本发明不仅限于此。作为另一种实施方式，第一结构层（即第一电极层、第一高分子聚合物绝缘层和居间薄膜层）通过弹性部件与支撑杆连接，具体地，即第一电极层、第一高分子聚合物绝缘层和居间薄膜层固设在一起后通过弹性部件与支撑杆连接，第二结构层（即第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层）固设在支撑基板上。作为又一种实施方式，第一结构层（即第一电极层、第一高分子聚合物绝缘层和居间薄膜层）和第二结构层（即第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层）都通过各自的弹性部件与支撑杆连接，在这种结构中，风力发电装置可以不包括支撑基板。在无风状态时，第一结构层和第二结构层保持平行并具有一定的距离；当风吹动时，第一结构层和第二结构层都随风振动，实现接触摩擦，进而实现发电。

图4a为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例四的立体结构示意图，图4b为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置实施例四的截面结构示意图。如图4a和图4b所示，该风力发电装置包括2组支撑杆40以及摩擦发电机，其中位于居间层43之下的支撑杆为一组，位于居间层43之上的支撑杆为另一组，每组共有4个支撑杆。摩擦发电机包括层叠设置的第一电极层41和第一高分子聚合物绝缘层42、居间层43、以及第二高分子聚合物绝缘层44和第二电极层45，其中第一电极层41和第一高分子聚合物绝缘层42组成第一结构层，第二高分子聚合物绝缘层44和第二电极层45组成第二结构层。第一电极层41设置在第一高分子聚合物绝缘层42的第一侧表面上，第二电极层45设置在第二高分子聚合物绝缘层44的第一侧表面上，居间层43设置在第一高分子聚合物绝缘层42的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层44的第二侧表面之间。居间层43可以为居间电极层，那么第一电极层41和第二电极层45相连后与居间电极层构成摩擦发电机的输出电极；或者，居间层43也可以为居间薄膜层，那么第一电极层41和第二电极层45构成摩擦发电机的输出电极。第一电极层41和第一高分子聚合物绝缘层42固设在一起通过弹性部件46与一组支撑杆40连接，第二电极层45和第二高分子聚合物绝缘层44固设在一起通过弹性部件47与另一组支撑杆40连接。居间层43夹设在两组支撑杆之间。可选地，该风力发电装置还可以包含支撑基板，上述两组支撑杆固设在支撑基板上，使得支撑杆的支撑作用更加稳固。

在图4a和图4b所示的结构中，第一电极层41的4个顶角通过4个弹性部件46分别与4个支撑杆连接，第二电极层45的4个顶角通过4个弹性部件47分别与4个支撑杆连接。本发明不仅限于此，也可以是第一电极层和/或第二电极层的任意3个顶角或2个边或整体通过弹性部件与支撑杆连接。根据第一电极层和/或第二电极层的连接方式的不同，相应的配置支撑杆的数量和位置，使得在无风状态下，第一电极层和第二电极层受到支撑杆的支撑，保持与居间层平行。另外，本实施例也可采用图1c所示的弹性部件的连接方式，即无风时弹性部件46与第一结构层的夹角为0或接近于0，弹性部件47与第二结构层的夹角为0或接近于0，弹性部件46和47都处于较为拉紧的状态，由于第一结构层和第二结构层本身都比较轻薄，因此当以与地面平行或竖直方向或其它方向放置风力发电装置时，受到弹性部件46和47的支撑作用，使第一结构层和第二结构层都保持与居间层基本平行。

可选地，风力发电装置也可以只包含1组支撑杆，居间层固设在这组支撑杆的中段位置，第一结构层和第二结构层分别通过弹性部件与支撑杆的两端连接。

本实施例中，第一高分子聚合物绝缘层42与居间层43之间、以及第二高分子聚合物绝缘层44与居间层43之间形成摩擦界面。在无风状态下，第一高分子聚合物绝缘层42与居间层43之间、以及第二高分子聚合物绝缘层44与居间层43之间都具有预设距离。该预设距离应当合理设置，使得在风吹动第一电极层41和第二电极层45时，第一高分子聚合物绝缘层42能够与居间层43接触摩擦，第二高分子聚合物绝缘层44能够与居间层43接触摩擦。

支撑杆40可以为亚克力杆、玻璃杆、不锈钢杆、陶瓷杆或合金杆，也可以为以坚固的高分子聚合物材料制作的杆或其它具有机械刚性支撑作用的杆。弹性部件46和47可以为弹簧、弹力皮筋、弹力带或弹力膜，或其它具有弹性力学作用的部件。

优选地，为了提高摩擦发电机的发电能力，第一高分子聚合物绝缘层42相对居间层43的面和居间层43相对于第一高分子聚合物绝缘层42的面中的至少一个面上和/或第二高分子聚合物绝缘层44相对居间层43的面和居间层43相对第二高分子聚合物绝缘层44的面中的至少一个面上设有微纳结构。有关微纳结构的描述可参见实施例一。

本实施例中第一电极层41、第二电极层45、第一高分子聚合物绝缘层42和第二高分子聚合物绝缘层44的材质可以参照前述实施例二的描述。如果居间层43为居间薄膜层，居间薄膜层的材质可以参照前述实施例三的描述。如果居间层43为居间电极层，居间电极层可以选择导电薄膜、导电高分子、金属材料，金属材料包括纯金属和合金，纯金属选自金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨、钒等，合金可以选自轻合金（铝合金、钛合金、镁合金、铍合金等）、重有色合金（铜合金、锌合金、锰合金、镍合金等）、低熔点合金（铅、锡、镉、铋、铟、镓及其合金）、难熔合金（钨合金、钼合金、铌合金、钽合金等）。

如果居间层为居间薄膜层，该风力发电装置的发电原理是：当风吹到第一电极层和第二电极层上时（风可以从任意方向吹到第一电极层和第二电极层上，只要第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层随风摆动使第一高分子聚合物绝缘层能够接触到居间薄膜层，第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层随风摆动使第二高分子聚合物绝缘层能够接触到居间薄膜层即可），第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层分别与居间薄膜层接触和摩擦而产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极层和第二电极层之间的电容发生改变，从而导致第一电极层和第二电极层之间出现电势差；当风速发生变化时（减小或停止时），第一电极层和第二电极层受到弹性部件的回拉力，使第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层分别与居间薄膜层分开，这时形成在第一电极层和第二电极层之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层和第二电极层之间将再次产生反向的电势差。通过反复的摩擦和分开，就可以在外电路中形成周期性的交流脉冲电信号。

如果居间层为居间电极层，该风力发电装置的发电原理是：当风吹到第一电极层和第二电极层上时（风可以从任意方向吹到第一电极层和第二电极层上，只要第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层随风摆动使第一高分子聚合物绝缘层能够接触到居间电极层，第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层随风摆动使第二高分子聚合物绝缘层能够接触到居间电极层即可），第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层分别与居间电极层接触和摩擦而产生静电荷，静电荷的产生会使第一、二电极层和居间电极层之间的电容发生改变，从而导致第一、二电极层与居间电极层之间出现电势差；当风速发生变化时（减小或停止时），第一电极层和第二电极层受到弹性部件的回拉力，使第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层分别与居间电极层分开，这时形成在第一、二电极层和居间电极层之间的内电势消失，此时已平衡的第一、二电极层和居间电极层之间将再次产生反向的电势差。通过反复的摩擦和分开，就可以在外电路中形成周期性的交流脉冲电信号。

在上述几个附图仅示出了风力发电装置包括一个摩擦发电机的结构。本发明不仅限于此。进一步的，上述几个附图中的支撑杆可以纵向延伸，多个摩擦发电机平行的通过弹性部件连接到支撑杆上，该多个摩擦发电机彼此之间形成串联和/或并联的结构。

图5为本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置的组合结构示意图。如图5所示，多个风力发电装置50组合在一起通过各自连接件固设在外壳51上，外壳51具有通风口52，风从通风口52吹入到外壳51内部的风力发电装置50中。

进一步地，由于风速、用电需求等存在变化，导致风力发电装置产生的电能可能一时无法用尽，因此有必要对多余的电能进行存储，以备需求过大或发电量不足时使用。对此，本发明还提供了一种基于摩擦发电机的风力发电系统，该风力发电系统可以包括上述任一个风力发电装置，而且，还包括储能装置，该储能装置与摩擦发电机的输出电极相连，用于对摩擦发电机发出的电能进行存储。下面具体介绍一下储能装置的结构。由于摩擦发电机产生的是交流电，交流电因其形式的特殊性而无法直接存储，所以要经过一系列处理使其转变为直流电才能存储。对此，储能装置可以包括整流器、滤波电容、DC/DC变换器和储能元件。其中，整流器的两个输入端与摩擦发电机的输出电极相连，整流器本质上是一种将交流电能转变为直流电能的电路，其原理是利用二极管的单向导通功能，把交流电转换成单向的直流脉动电压。在整流器的输出端跨接有滤波电容，利用该滤波电容的充放电特性，使整流后的直流脉动电压变成相对比较稳定的直流电压。进一步，将滤波后的直流电压接入DC/DC变换器，对其进行变压处理，得到适合给储能元件进行充电的电信号。至此摩擦发电机产生的交流电已经转变为可存储的直流电，并最终储存在指定的储能元件中。储能元件可以选用锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池或超级电容器。由此可见，本发明通过对自然环境中的风能进行收集，经过一系列的转化变为电能，既可直接使用也可通过后续的储能装置将产生的电能进行存储，从而达到了对风能收集的目的。

本发明提供的基于摩擦发电机的风力发电装置及系统的特点是具有“自回弹”的结构，即摩擦发电机中形成摩擦界面的部分层结构或全部层结构通过弹性部件与支撑杆连接，在风吹动的过程中，受到弹性部件的弹力作用，摩擦发电机中形成摩擦界面的层结构互相接触摩擦和互相分离，从而使摩擦发电机产生电信号。相对于传统的风力发电装置，本发明提供的风力发电装置结构简单、材料轻便、成本低、易加工和剪裁，并且具有较高的输出功率。这种风力发电装置及系统可以独立应用，也可以应用于风电、光伏发电、原子电池发电、温差发电等系统整合的多电源供电系统中。

最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种基于摩擦发电机的风力发电装置，其特征在于，包括：支撑装置和至少一个摩擦发电机；所述摩擦发电机包括第一结构层和第二结构层，所述第一结构层和第二结构层之间形成摩擦界面，所述第一结构层和所述第二结构层构成所述摩擦发电机的输出电极；

其中，所述支撑装置包括：支撑杆；所述第一结构层和所述第二结构层均通过各自的弹性部件与所述支撑杆连接；或者，所述支撑装置包括：支撑基板与固设在所述支撑基板上面的支撑杆；所述第一结构层和所述第二结构层中的其中一层通过弹性部件与支撑杆连接，另一层固设在所述支撑基板上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一结构层和/或所述第二结构层的至少三个顶角或两个边或整体通过弹性部件与所述支撑杆连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在无风状态下，所述第一结构层和所述第二结构层之间具有预设距离。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述弹性部件为弹簧、弹力皮筋、弹力带或弹力膜。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑基板为亚克力基板、玻璃基板、不锈钢基板或陶瓷基板；所述支撑杆为亚克力杆、玻璃杆、不锈钢杆、陶瓷杆或合金杆。

6.根据权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述第一结构层包括层叠设置的第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层，所述第二结构层包括第二电极层；其中，所述第一电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上；且所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面朝向所述第二电极层设置，所述第一电极层和第二电极层构成所述摩擦发电机的输出电极。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面上设有微纳结构。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二结构层进一步包括：第二高分子聚合物绝缘层；所述第二高分子聚合物绝缘层设置在所述第二电极层与所述第一高分子聚合物绝缘层之间；所述第二电极层设置在所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，且所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面相对设置。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置的两个面中的至少一个面上设有微纳结构。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一结构层进一步包括：居间薄膜层；所述居间薄膜层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层之间；所述居间薄膜层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面上，所述第二高分子聚合物绝缘层相对所述居间薄膜层的面和居间薄膜层相对第二高分子聚合物绝缘层的面中的至少一个面上设有微纳结构。

11.一种基于摩擦发电机的风力发电装置，其特征在于，包括：支撑杆和至少一个摩擦发电机；所述摩擦发电机包括第一结构层、第二结构层以及位于所述第一结构层和第二结构层之间的居间层，所述第一结构层与所述居间层之间以及所述第二结构层与所述居间层之间都形成摩擦界面；所述第一结构层和所述第二结构层均通过各自的弹性部件与所述支撑杆连接；所述居间层固设在所述支撑杆上；

所述居间层为居间电极层，所述第一结构层和所述第二结构层相连后与所述居间电极层构成所述摩擦发电机的输出电极；或者，所述居间层为居间薄膜层，所述第一结构层和所述第二结构层构成所述摩擦发电机的输出电极。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述支撑杆分为至少两组，所述居间层夹设在两组支撑杆之间。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一结构层和/或所述第二结构层的至少三个顶角或两个边或整体通过弹性部件与所述支撑杆连接。

14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，在无风状态下，所述第一结构层与所述居间层之间、所述第二结构层与所述居间层之间具有预设距离。

15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述弹性部件为弹簧、弹力皮筋、弹力带或弹力膜。

16.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述支撑杆为亚克力杆、玻璃杆、不锈钢杆、陶瓷杆或合金杆。

17.根据权利要求11-16任一项所述的装置，其特征在于，所述第一结构层包括第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层，所述第二结构层包括第二电极层和第二高分子聚合物绝缘层；其中，第一电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，所述第二电极层设置在所述第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面上，所述居间层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与所述第二高分子聚合物绝缘层的第二侧表面之间。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层相对所述居间层的面和所述居间层相对于第一高分子聚合物绝缘层的面中的至少一个面上和/或所述第二高分子聚合物绝缘层相对所述居间层的面和所述居间层相对第二高分子聚合物绝缘层的面中的至少一个面上设有微纳结构。

19.一种基于摩擦发电机的风力发电系统，包括：权利要求1-10中任一项所述的基于摩擦发电机的风力发电装置以及储能装置，其中，所述储能装置包括整流器、滤波电容、DC/DC变换器和储能元件。

20.一种基于摩擦发电机的风力发电系统，包括：权利要求11-18中任一项所述的基于摩擦发电机的风力发电装置以及储能装置，其中，所述储能装置包括整流器、滤波电容、DC/DC变换器和储能元件。