CN105490579B - 一种多层联动折叠式摩擦发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层联动折叠式摩擦发电机，包括至少一个第一摩擦单元、至少一个第二摩擦单元和用于连接第一摩擦单元、第二摩擦单元的连接件，第一摩擦单元包括基底、覆盖在基底上的导电层和覆盖在导电层上的第一摩擦层，第二摩擦单元包括基底、覆盖在基底上的导电层和覆盖在导电层上的第二摩擦层，连接件通过设置于基底两端的转轴将所有摩擦单元均匀且相对地连接在一起，在往复性外力作用下，相对的第一摩擦层和第二摩擦层通过连接件和转轴的作用同时作相向或相对运动进而实现同步分离或接触。本发明具有结构简单、成本低廉、持久耐用、输出电压高和电流大等优点，可用于收集任何往复运动或震动场合的动能，以产生电能。
Description
技术领域
本发明属于发电机技术领域，具体涉及一种多层联动折叠式摩擦发电机。
背景技术
利用对环境破坏较小和自然资源消耗较少的新型发电形式对自然界的动能进行有效收集具有重要的现实意义。另外，微型自驱动系统和便携式电子设备的广泛应用要求发电装置要兼具较高的发电效率和便于携带、制备简单的特点。
摩擦电和静电感应是自然界中的常见现象，近年来，利用摩擦电效应的摩擦发电机已成为广受关注的研究热点，迄今已成功的将自然界中的水流、气流、声音以及人体运动等能源形式转化成了电能，并能为环境治理、传感器以及发光器件等提供电能。摩擦发电机的基本原理是通过摩擦极性顺序相差较大的两种材料之间的相互接触或摩擦产生静电荷，结合静电感应效应将机械能转化成电能，具有结构简单和输出性能高的特点。
现有摩擦发电技术主要存在输出功率较低、机械性能差、对运动速度或震动频率要求高、电流输出不稳定和制备成本高等问题，从而限制了摩擦发电机在实际生活中的应用。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种多层联动折叠式摩擦发电机，用于解决将往复伸缩或震动的能量转换为电能时输出功率小和对运动速度要求高的技术问题。
为了达到上述技术目的，本发明采用的技术方案是：一种多层联动折叠式摩擦发电机，包括至少一个第一摩擦单元、至少一个第二摩擦单元和用于连接第一摩擦单元、第二摩擦单元的连接件；所述第一摩擦单元包括基底、覆盖在基底上的导电层和覆盖在导电层上的第一摩擦层，所述第二摩擦单元包括基底、覆盖在基底上的导电层和覆盖在导电层上的第二摩擦层，所述连接件通过设置于基底两端的转轴将所有摩擦单元均匀且相对地连接在一起，连接件围绕转轴做旋转运动，在往复性外力作用下，相对的第一摩擦层和第二摩擦层通过连接件和转轴的作用同时作相向或相对运动进而实现该第一摩擦层和第二摩擦层的同步分离和接触。
所述多层联动折叠式摩擦发电机在往复性外力的作用下发生同步接触和分离，以使相对的第一摩擦层和第二摩擦层之间的静电荷发生移动，致使所述导电层间的感应电势发生周期性变化，驱动电子流动并向外电路输送出交流电。所述第二摩擦层经过负电荷预注入处理，单位面积的电荷密度较高，从而具有较高的电流输出效率。
本发明的结构特点还包括：
所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的摩擦层面对面相对设置。
所述第一摩擦单元的金属导电层为金属电极板时也可以直接用做摩擦层。第二摩擦单元的聚合物薄膜作了电子注入预处理，而第一摩擦单元没有做正电荷注入预处理。
所述连接件为旋转连接件，材质为绝缘材料，如硬质薄板、塑料板或亚克力板。
所述单个聚合物薄膜的面积等于两种导电层中任一个导电层的面积。
本发明设计并制作的一种新型多层联动折叠式摩擦发电机，摩擦层经过了电子注入预处理，提高了摩擦层的电荷密度和耐磨性；发电机结构为多层联动折叠式设计，各摩擦层能严格地同时相向或相对运动，使所有摩擦层在同一时间发生接触和分离，增加了电流和电压输出的稳定性；摩擦层的数量可方便地增加或减少，可以克服普通摩擦发电机电流较小的不足；另外，本发明的多层联动折叠式摩擦发电机即使在往复运动速度较小或振动频率较低的情况下也能获得稳定的输出电流，拓宽了能量收集的范围。
本发明多层联动折叠式摩擦发电机的输出性能是多种因素共同作用的结果（包括摩擦单元的数量、往复运动的频率、摩擦层的接触面积以及两种摩擦层的摩擦性能等），目前利用三层摩擦层制备的摩擦发电机的最佳输出短路电流和开路电压分别为200μA和900V，最大功率达7.2W/m2（每层摩擦层有效接触面积为25cm2）。在应用上，这种发电机产生的电流能同时点亮500个LED灯。
本发明的有益效果是：本发明的多层联动折叠式摩擦发电机具有结构简单、成本低廉、经久耐用、输出电压高、电流大，且输出电压和电流大小可调等特点，这种多层联动折叠式摩擦发电机对波动能、振动能及其它往复性运动的能量均能有效收集。
本发明提供的多层联动折叠式摩擦发电机的优势在于：
（1）通过对两种摩擦层平行联动折叠式的设计，使各摩擦层能严格地同时相向或相对运动，极大地提高了摩擦发电机的输出电流和功率及其稳定性，折叠式结构设计也能有效提高相同体积的摩擦发电机的摩擦面积。
（2）所述第二摩擦层经过电子注入预处理，这种方法的特点是使摩擦层的耐磨性增强、表面电荷密度增大，所述处理使得人们无需对摩擦层或电极层表面做微纳结构改性即可获得较高的输出性能，不仅提高了摩擦发电机的坚固性和持久性，还降低了其制作成本和工艺难度，有利于推广应用。
附图说明
图1是实施方式中多层联动折叠式摩擦发电机的结构示意图；
图2是实施方式中多层联动折叠式摩擦发电机电流产生原理示意图；
图3是实施方式中多层联动折叠式摩擦发电机电压产生原理示意图；
图4是实施方式中多层联动折叠摩擦发电机的短路电流；
图5是实施方式中多层联动折叠摩擦发电机的电压波形曲线。
图中：1、基底；2、导电层；3、第一摩擦层；4、第二摩擦层；5、连接件；6、转轴。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚、完整地描述。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”是指示图中的方向；“填充度”定义为接触和分离过程中形成的面积。
如图1所示，多层联动折叠式摩擦发电机包括两个第一摩擦单元和一个第二摩擦单元和用于连接第一摩擦单元、第二摩擦单元的连接件5；所述第一摩擦单元包括基底1、覆盖在基底1上的导电层2和覆盖在导电层2上的第一摩擦层3，所述第二摩擦单元包括基底1、覆盖在基底1上的导电层2和覆盖在导电层2上的第二摩擦层4，所述连接件5通过设置于基底1两端的转轴6将所有摩擦单元均匀且相对地连接在一起，连接件5围绕转轴6做旋转运动，在往复性外力作用下，相对的第一摩擦层3和第二摩擦层4发生同步接触和分离产生摩擦静电荷，并使所述导电层2产生与该摩擦静电荷等量的相反电荷。本发明中联动结构的特点是所有的摩擦层同时相向或相对运动；第二摩擦层4经过了电子注入预处理，这两种特点的结合使得所述发电机具备了优于其它类似发电机的输出性能。
本实施方式中，所述两个导电层由可导电的金属材料制成，采用的金属材料包括铜或铝中的一者或者两者的任意比例合金。
优选地，所述两个导电层的面积相同，并通过导线输出产生的静电荷形成电流。
本实施方式中，所述摩擦材料由具有相反电负性的薄膜材料组成，第一摩擦层为金属电极板Cu、Al以及尼龙等，优选为Cu。所述多层联动折叠式摩擦发电机的摩擦层形状、材质和尺寸可变，如形状可以为平面方形、长方形等。以平面方形为例，摩擦导电层的尺寸可大可小，摩擦导电层的数量也可以随意增减。
本实施方式所述的多层联动折叠式摩擦发电机的工作原理为：首先在任何频率条件下的往复性外力作用下，相对的第一摩擦层和第二摩擦层能同时相互接触和分离，摩擦层上产生大量摩擦静电荷（负电荷），电极板上产生等量的相反电荷。
如图2所示，上下两个电极板直接用导线连接时，即短路条件下，当带电摩擦层接触或分离时，电荷发生流动，形成电流。当两个金属电极未连接时，图3所示，即开路条件下，两个摩擦层的电极板在一定时刻电势不同，形成电压。当两个电极间连接一负载时，往复运动导致正电荷在两个电极间通过负载不断往复流动，从而对负载供电。
下面给出制造本实施方式所述的联动折叠式摩擦发电机的一个优选方案，但该多层联动折叠式摩擦发电机的制造并不限制于此。
该优选方案中：选择亚克力板制作衬底，衬底尺寸为60mm×60mm×4mm；选择面积相同的导电层，导电层材质为Cu，尺寸为50mm×50mm，厚度为50μm～1mm，优选0.1mm；第一摩擦单元的摩擦层为Cu电极，第二摩擦单元的摩擦层为聚四氟乙烯薄膜，摩擦层尺寸同导电层尺寸一致，覆盖程度为100%。
根据上述对多层联动折叠式摩擦发电机工作原理的说明，按上述优选方案制造的多层联动折叠式摩擦发电机的摩擦单元数为3个，两个第一摩擦单元的摩擦层处于基底的同一面；一个第二摩擦单元的摩擦层处于基底的上下两面。选择频率为1～2Hz，振幅为25mm的往复振动作用于本摩擦发电机，则如图4和5所示的多层联动折叠式摩擦发电机的最大短路电流与开路电压分别为＋102mA～-18mA和＋834V，电流密度达到12mA/m2，功率密度为6.2W/m2。该多层联动折叠式摩擦发电机工作时可同时驱动400个LED灯发光。利用该多层联动折叠式摩擦发电机作为电化学氧化对位取代的三苯胺自由基阳离子的电源时，发现反应体系迅速出现蓝色的自由基阳离子，首次实现了利用摩擦发电机发电对有机分子进行电化学氧化，有望实现对环境中有机污染物尤其是有害自由基的自驱动治理。
因此，可知本发明的多层联动折叠式摩擦发电机具有结构简单、成本低廉、经久耐用、输出电压高、输出电流大和输出性能稳定等优点，同时这种独特的联动结构使我们可以方便地改变所述摩擦发电机的摩擦层数量，调整输出性能。本发明所述的多层联动折叠式摩擦发电机的两种摩擦单元总是同时相向或相对运动，提高了运动速率。另外本发明所述的多层联动折叠式摩擦发电机对振动频率的要求不高，可以将自然界中低频震动的能量转化成电能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种多层联动折叠式摩擦发电机，其特征在于包括至少一个第一摩擦单元、至少一个第二摩擦单元和用于连接第一摩擦单元、第二摩擦单元的连接件；所述第一摩擦单元包括基底、覆盖在基底上的导电层和覆盖在导电层上的第一摩擦层，所述第二摩擦单元包括基底、覆盖在基底上的导电层和覆盖在导电层上的第二摩擦层，所述连接件通过设置于基底两端的转轴将所有摩擦单元均匀且相对地连接在一起，连接件围绕其中一转轴做旋转运动，在往复性外力作用下，相对的第一摩擦层和第二摩擦层通过连接件和转轴的作用同时作相向或相对运动进而实现该第一摩擦层和第二摩擦层的同步分离和接触。
2.根据权利要求1所述的多层联动折叠式摩擦发电机，其特征在于：多个第一摩擦单元的导电层以并联方式连接，多个第二摩擦单元的导电层以并联方式连接。
3.根据权利要求1所述的多层联动折叠式摩擦发电机，其特征在于：所述导电层材料包括铜、铝、金、银及其合金或金属氧化物。
4.根据权利要求1所述的多层联动折叠式摩擦发电机，其特征在于：所述第一摩擦层由尼龙、玻璃或金属导电层构成，该第一摩擦层的厚度介于10～110μm之间。
5.根据权利要求1所述的多层联动折叠式摩擦发电机，其特征在于：所述第二摩擦层由聚四氟乙烯或氟化乙烯丙烯共聚物薄膜构成，聚合物薄膜在填充到导电层后进行电子注入预处理，该第二摩擦层的厚度介于10～110μm之间。
6.根据权利要求1所述的多层联动折叠式摩擦发电机，其特征在于：所述第一摩擦层和第二摩擦层的面积相等，第一摩擦层和第二摩擦层在对应导电层上的填充度均为100%。
7.根据权利要求1所述的多层联动折叠式摩擦发电机，其特征在于：所述导电层的尺寸范围为长度30～300mm，宽度30～300mm，厚度10μm～1mm。
8.根据权利要求1所述的一种多层联动折叠式摩擦发电机，其特征在于：所述连接件为旋转连接件，连接件材质为硬质薄板、塑料板或亚克力板，所述连接件上等距分布三个圆孔。
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