CN105490580A - 一种交叉折叠型摩擦发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉折叠型摩擦发电机，包括至少一个第一摩擦单元、至少一个第二摩擦单元和连接所述第一摩擦单元、第二摩擦单元的转轴以及设置于转轴处的垫板，所述第一摩擦单元包括基底、设置于基底上的金属电极板和填充于金属电极板上的第一摩擦层，所述第二摩擦单元包括基底、设置于基底上的金属电极板和填充于金属电极板上的第二摩擦层，第一摩擦单元和第二摩擦单元通过铰接于基底中心处的转轴交叉相对叠放在一起构成发电单元，并且第一摩擦单元的第一摩擦层与第二摩擦单元的第二摩擦层相对设置。本发明具有结构简单、成本低廉、持久耐用、输出电压高、电流大以及易于普及等优点。

Description

一种交叉折叠型摩擦发电机

技术领域

本发明属于发电机技术领域，具体涉及一种交叉折叠型摩擦发电机。

背景技术

目前全球都面临着常规能源短缺和环境保护的双重压力。为缓解当前的能源压力，迫切需要新型发电机的开发和应用。对环境破坏较小和对自然资源消耗较少的发电形式，成为符合可持续发展的最佳选择，并对保护环境和节约能源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发展，不仅要求发电机具有更高的发电效率，还要有更小的质量和体积，迫切需要更新的发电机理和更优化的发电模式。

摩擦发电是将机械能转化为电能的一种新型发电方式，在近年来产生了广泛影响，基本原理是利用摩擦极性相差较大的两种摩擦层材料之间的相互接触或摩擦产生摩擦电荷，结合静电诱导使电极板上产生相反电荷，摩擦层移动产生电势差，通过外电路发生电荷转移，产生电流。摩擦发电机既可以作为传统发电方式的有益补充将自然界的风能、水能、声能等转化成电能，还能做成各种尺寸和形状以收集人体运动产生的机械能并用于制备人体传感器而为人类健康服务。

现有的摩擦纳米发电机存在着输出功率较低、交流输出和输出不稳定等问题，限制了其在实际生活中的应用。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明采用联动装置将所有摩擦单元的基底连接起来，实现了任意两个摩擦层都能够同时相向或相对水平滑动，使两种摩擦单元上对电荷束缚能力不同的两种摩擦层摩擦产生静电荷，通过金属电极板及外电路将电荷传导出去，并能提供接近千伏的电压输出。通过简单的电路设计，所述本发电机还可用于处理环境污染物，实现自驱动式的环境治理。本发明提出的交叉折叠型摩擦发电机具有制作简单、成本低廉、电压输出高、电流输出大等优点，并能通过增减摩擦单元数来改变电压和电流大小。

本发明的技术方案是：一种交叉折叠型摩擦发电机，包括至少一个第一摩擦单元、至少一个第二摩擦单元和连接所述第一摩擦单元、第二摩擦单元的转轴以及设置于转轴处的垫板；所述第一摩擦单元包括基底、设置于基底上的金属电极板和填充于金属电极板上的第一摩擦层，所述第二摩擦单元包括基底、设置于基底上的金属电极板和填充于金属电极板上的第二摩擦层，第一摩擦单元和第二摩擦单元通过铰接于基底中心处的转轴交叉相对叠放在一起构成发电单元，并且第一摩擦单元的第一摩擦层与第二摩擦单元的第二摩擦层相对设置，垫块的厚度与两个金属电极板以及第一摩擦层、第二摩擦层的厚度之和一致，多个发电单元通过第一摩擦单元和第二摩擦单元基底两端的转轴在水平方向交叉折叠装配在一起。

所述摩擦层在摩擦发电机作伸缩运动时相互接触和分离，以使所述具有相反极性的摩擦层产生正负静电荷，通过静电诱导使所述摩擦层对应的电极板之间产生电势差，驱动摩擦静电荷流动产生电流。

本发明的进一步改进包括：

所述的基底由具有一定强度的绝缘材料制得。所述金属电极板由可导电的金属材料制成，所述金属材料包括铝、铜、金和银中的一者或者多者的任意比例合金。

所述第一摩擦层和第二摩擦层为在摩擦电序列中极性相反的薄膜材料。

所述第一摩擦层由尼龙、聚酰亚胺或金属电极板构成。

所述第二摩擦层由聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺或氟化乙烯丙烯共聚物制得。

所述第一摩擦单元和第二摩擦单元通过所述基底上的转轴面对面交叉设置。作为本发明的优选实施例，更多第一摩擦单元和第二摩擦单元的组合通过基底两端的转轴用螺丝在水平方向连接在一起。

所述金属电极板的尺寸范围为长度30～300mm，宽度3～30mm，厚度50μm～1mm。

本发明包含两种摩擦单元，两者交叉相对面对面设置，若干组交叉相对设置的摩擦单元通过连接件构成在水平方可交叉折叠的摩擦发电机。所述交叉折叠型摩擦发电机在往复性外力的作用下发生平面滑动，两种摩擦单元同时相向或相对滑动，产生所述摩擦层的接触和分离，使所述摩擦层之间产生摩擦静电荷，并使所述金属电极板产生与该摩擦静电荷等量的相反电荷。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明的交叉折叠型摩擦发电机可以方便的调整摩擦单元的数量和摩擦单元的紧密程度，在连接件作用下两种摩擦单元同时相向或相对滑动使得两种摩擦单元都成为了“转子”，有效提高了摩擦效率，可将任何往复运动或震动场合的动能转化成电能。本发明的交叉折叠型摩擦发电机具有结构简单、成本低廉、寿命长、输出电压高、电流大等优点。

附图说明

图1是实施方式中交叉折叠型摩擦发电机的结构示意图；

图2是实施方式中交叉折叠型摩擦发电机电压产生原理示意图；

图3是实施方式中交叉折叠型摩擦发电机电流产生原理示意图；

图4是实施方式中交叉折叠型摩擦发电机的短路电压波形曲线图；

图5是实施方式中交叉折叠型摩擦发电机的开路电流波形曲线图。

图中：1、基底；2、金属电极板；3、第一摩擦层；4、第二摩擦层；5、转轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。如图1所示，一种交叉折叠型摩擦发电机，包括至少一个第一摩擦单元、至少一个第二摩擦单元和连接所述第一摩擦单元、第二摩擦单元的转轴5以及设置于转轴5处的垫板；所述第一摩擦单元包括基底1、设置于基底1上的金属电极板2和填充于金属电极板2上的第一摩擦层3，所述第二摩擦单元包括基底1、设置于基底1上的金属电极板2和填充于金属电极板2上的第二摩擦层4，第一摩擦单元和第二摩擦单元通过铰接于基底中心处的转轴5交叉相对叠放在一起构成发电单元，并且第一摩擦单元的第一摩擦层3与第二摩擦单元的第二摩擦层4相对设置，垫块的厚度与两个金属电极板2以及第一摩擦层3、第二摩擦层4的厚度之和一致，多个发电单元通过第一摩擦单元和第二摩擦单元基底两端的转轴5在水平方向交叉折叠装配在一起。

本实施方式给出了一种交叉折叠型摩擦发电机，包括基底、置于所述基底上的两个金属电极板以及覆盖在所述两个金属电极板上的两种摩擦层；所述交叉折叠型摩擦发电机的两种摩擦层与其下面的金属电极板分别相互接触，以使所述往复运动产生摩擦静电荷，并使所述金属电极板产生与该摩擦静电荷等量的相反电荷。本实施方式中，为保证两个金属电极板之间不发生短路，所述基底由绝缘体材料制成，优选塑料或亚克力板等。

所述摩擦层在摩擦发电机作伸缩运动时相互接触和分离，以使所述具有相反极性的摩擦层产生正负静电荷，通过静电诱导使所述薄膜对应的金属电极板之间产生电势差，驱动摩擦静电荷流动产生电流。

所述金属电极板由可导电的金属材料制成，所述金属材料包括铝、铜、金和银中的一者或者多者的任意比例合金以及铟锡金属氧化物（ITO）等。

两个金属电极板的面积相等，均匀的填充在基底上。

本实施方式中，所述摩擦材料由具有相反摩擦带电序列的聚合物材料组成。所述的第一摩擦层由尼龙或金属电极构成，第二摩擦层由聚四氟乙烯、聚酰亚胺和氟化乙烯丙烯共聚物等构成，优选为聚酰亚胺，因为其耐磨性更好。所述交叉折叠型摩擦发电机的形状、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，金属电极板的尺寸可大可小，金属电极板的数量也可以随意增减。两个金属电极板间的长度要大于其宽度的3倍以上。

所述第一摩擦单元和第二摩擦单元通过所述转轴交叉相对叠放在一起。具有可折叠性和伸缩性，伸缩过程中摩擦层同时相向或相对发生滑动摩擦。作为本发明的优选实施例，更多摩擦单元通过基底中心的一个圆孔和两端各一个圆孔，用螺丝和销轴连接在一起。

所述金属电极板的尺寸范围为长度30～300mm，宽度3～30mm，厚度50μm～1mm。

本发明包含两种摩擦单元，两者交叉相对叠放在一起，若干组交叉相对叠放的摩擦单元通过连接件构成在水平方向可伸缩折叠的摩擦发电机。摩擦单元包括基底、置于所述基底上的金属电极板以及贴在所述金属电极板上的摩擦层。所述交叉折叠型摩擦发电机在往复性外力的作用下发生平面滑动，两种摩擦层同时相向或相对滑动，产生所述摩擦层的接触和离开，以使所述接触面之间产生摩擦静电荷，并使所述金属电极板产生与该摩擦静电荷等量的相反电荷。

本实施方式所述的交叉折叠型摩擦发电机的工作原理为：首先本交叉折叠型摩擦发电机能够自由往复活动，在任何频率条件的往复外力作用下都能使两种摩擦层相互接触和分离，使摩擦层上产生大量摩擦静电荷；金属电极板上产生等量的相反电荷。当两个金属电极未连接时，如图2所示，在开路条件下，两个摩擦单元上的金属电极板在一定时刻电势不同形成电压。如图3所示，当上下两个金属电极板直接用导线连接时，即短路条件下，摩擦层发生接触和分离，产生电荷流动形成电流。当两个电极间连接负载时，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。

基底的最大尺寸为15mm×150mm×4mm；选择面积相同的金属电极板，金属电极板材质为铜箔，尺寸为15mm×80mm，厚度范围为50μm～1mm，优选0.1mm；选择尼龙或金属电极板和氟化乙烯丙烯共聚物材料作为摩擦层材料。

根据上述对交叉折叠型摩擦发电机工作原理的说明，分别选取5片第一摩擦单元和第二摩擦单元，通过垫块和转轴制成交叉折叠型摩擦发电机，如图1所示，选取四个所述交叉折叠型摩擦发电机并联。选择频率为1～2Hz，振幅为150mm的往复振动作为驱动力，则按上述优选方案，可以得到如图4所示的本交叉折叠型摩擦发电机的开路电压曲线，其输出的最大开路电压接近＋800V。如图5所示，在短路情况下，其电流为＋60mA～-58mA。本发明的交叉折叠型摩擦发电机能同时驱动200个LED灯发光，在连续工作一个月后我们没有发现其输出性能发生明显改变。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明的交叉折叠型摩擦发电机可以方便地调整摩擦单元的数量，在水平方向拓展摩擦面积，也可以将多个摩擦发电机立体组合，有效增大电压和电流，克服摩擦发电机电流小的弱点；在受到往复性外力时，两种摩擦单元总是同时相向或相对滑动，使两种摩擦单元都成为“转子”，相比类似摩擦发电机滑动速率提高了一倍；通过基底中心和两端的转轴可以调节摩擦单元之间的紧密程度，使摩擦层能够充分接触，从而得到最优的摩擦效率。总之，本发电机具有结构简单、成本低廉、持久耐用、输出电压高、电流大等优点。另外，本发电机在较低频率往复性外力作用下仍具有较高的输出性能，可应用于收集任何往复运动或震动场合的动能，以产生电能。

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的描述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)

1.一种交叉折叠型摩擦发电机，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连接所述第一摩擦单元、第二摩擦单元的转轴以及设置于转轴处的垫板；所述第一摩擦单元包括基底、设置于基底上的金属电极板和填充于金属电极板上的第一摩擦层，所述第二摩擦单元包括基底、设置于基底上的金属电极板和填充于金属电极板上的第二摩擦层，第一摩擦单元和第二摩擦单元通过铰接于基底中心处的转轴交叉相对叠放在一起构成发电单元，并且第一摩擦单元的第一摩擦层与第二摩擦单元的第二摩擦层相对设置，垫块的厚度与两个金属电极板以及第一摩擦层、第二摩擦层的厚度之和一致，多个发电单元通过第一摩擦单元和第二摩擦单元基底两端的转轴在水平方向交叉折叠装配在一起。

2.根据权利要求1所述的交叉折叠型摩擦发电机，其特征在于：所述基底为亚克力板或橡胶板。

3.根据权利要求1所述的交叉折叠型摩擦发电机，其特征在于：同一基底上位于中心转轴两侧的两个金属电极板面积相等，该金属电极板的材料为具有较强导电能力的金属，选自铝、铜、银、金或包括铟锡金属氧化物的材料。

4.根据权利要求1所述的交叉折叠型摩擦发电机，其特征在于：所述第一摩擦层和第二摩擦层为在摩擦电序列中极性相反的材料。

5.根据权利要求1所述的交叉折叠型摩擦发电机，其特征在于：所述第一摩擦层的材料为聚酰亚胺、尼龙薄膜或金属电极板。

6.根据权利要求1所述的交叉折叠型摩擦发电机，其特征在于：所述第二摩擦层为柔性绝缘材料，选自聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚对二甲苯薄膜。

7.根据权利要求1所述的交叉折叠型摩擦发电机，其特征在于：所述第一摩擦单元和第二摩擦单元在面对面滑动摩擦时，通过设置于基底上的三个转轴调节第一摩擦单元和第二摩擦单元之间的摩擦压力。

8.根据权利要求1所述的交叉折叠型摩擦发电机，其特征在于：所述金属电极板的尺寸长度范围为30～300mm，宽度范围为3～30mm，厚度范围为50μm～1mm。